[發明專利]一種具有減阻效果的表面微結構尺寸參數的優化設計方法

有效

• 申請號: 201811546502.9
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN109583131B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 葉霞;顧江;徐偉;范振敏;楊曉紅;張鵬;陸磊;馮歡;徐勝
• 申請（專利權）人: 江蘇理工學院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 王巍巍

本發明涉及一種表面改性技術設計方法，尤其涉及一種具有減阻效果的表面微結構尺寸參數的優化設計方法，該方法由以下步驟組成：(1)建立模型：采用Icem、Cad和Caxa軟件建立微結構表面上的流體模型，將微結構的尺寸參數映襯到流體模型中；(2)網格劃分：在Ansys的Icem模塊中打開步驟(1)所建立的微結構表面上的流體模型并進行網格劃分，得到mesh文件；(3)求解運算：在Fluent模塊打開步驟(2)所得mesh文件，選擇計算模型和施加邊界條件后，經計算求解得到case文件；(4)導出數據：將步驟(3)所得case文件進行后處理操作，輸出關鍵點處的速度和壓力來反應減阻效果的數據；(5)優化參數：對步驟(4)所得數據進行分析，對比多組數據，獲得微結構表面減阻的規律。

技術領域

本發明涉及一種表面改性技術設計方法，尤其涉及一種具有減阻效果的表面微結構尺寸參數的優化設計方法。

背景技術

自然界中，滾動水滴的荷葉，凝集露珠的蟬翼，穿梭如飛的鯊魚，這些現象像我們展示了一種奇特的表面浸潤現象。這種獨特浸潤性的表面與水的接觸角大于150°，滾動角小于10°，被稱為超疏水表面。大量研究表明，超疏水表面具有良好的減阻效果，可以運用于海上運輸、醫療器械、管道運輸等行業。例如，在船舶、潛艇上運用超疏水技術，可以有效提高航行器的行駛速度，降低能源的使用；在機械心臟瓣膜和人工心血管支架上制備超疏水表面，可以避免凝血現象的產生，減少抗凝藥物的使用，既避免了藥物對人體的損害又減少了生產藥物對自然的污染；在輸油管道內構建超疏水微結構，可以提高石油的運輸效率，減小泵站的功率和運輸過程中能量的損耗，節省能源。因此使用超疏水技術能有效地降低能源的消耗，減少對環境的污染，非常貼合綠色生產的理念。

目前，超疏水減阻表面的優化設計一般是通過先實驗制備樣品再測試減阻性能然后修改參數繼續實驗制備的方式。這種優化設計方法周期長、成本高、且不能保證尋找到最優參數區間，不適合產品的研發設計。采用Fluent數值模擬的方式去模擬微結構表面的流場分布情況，可以清晰明了的觀察表面的減阻效果，并且可以通過詳細的數值來表示不同微結構表面的減阻率。通過改變微結構表面的尺寸進行計算求解，可以快速的找到最佳參數區間，有效縮短了優化設計的時間和成本，適合企業的產品研發。

目前中國專利申請號為CN200910264029.X的專利公開了基于流體邊界控制的超疏水表面流體滑移定量測量方法，首先將制備出超疏水表面裝夾于流變測試平臺上進行流變測試操作,并在同樣的測試條件下對光滑疏水表面上的流體進行流變測試操作,獲取兩種情況下流體處于相同剪切速率時施加在夾具上的扭矩,并根據測量扭矩計算出滑移長度，依次作為衡量減阻效果的方法。申請號CN201110396837.9的專利公開了一種減阻超疏水涂層及其制備方法，用制備出的超疏水表面在水槽中滑行，計算其滑行所需時間，以此來判定表面的減阻效果。申請號為CN201510854390.3的專利公開了一種長效減阻涂層制備及其運用，對比分析不同流體速度，不同工藝參數所得超疏水表面的減阻率，尋找最優工藝參數。例如申請號為CN201610256387.6的專利公開了一種仿生超疏水表面制備及減阻的方法，將銅球經過腐蝕和修飾制備出超疏水表面，再使用高清相機拍攝超疏水表面入水后的超空泡現象來展現其減阻效果，并以此作為優化設計方法的標準。申請號為CN201810358024.2的專利公開了一種表面溝槽結構的壁湍流阻力測試方法，制備多個試樣，通過帶有力傳感器的物體驅動安裝有試樣的滑塊，高速相機和力傳感器記錄滑塊上升過程中的牽引力數值，獲得牽引力與時間的變化曲線，測試其減阻效果。

上述幾種方法均能通過不斷地實驗優化微結構參數得到減阻效果較好的表面，但也存在一定問題，例如制備時間長，成本太高，優化工藝參數效率低等。因此，尋找出方法簡單，成本低，效率高的超疏水微結構表面的優化設計方法顯得尤為重要。

發明內容

針對現有技術中的上述不足，本發明提供一種具有減阻效果的表面微結構尺寸參數的優化設計方法可有效解決超疏水減阻表面微結構優化設計周期長、成本高、工藝路線復雜、難以獲得最優參數區間的缺點。