[發(fā)明專利]一種新型減阻降噪微結(jié)構(gòu)表面及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010499529.8
• 申請(qǐng)日: 2020-06-04
• 公開（公告）號(hào): CN111559396A
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 翁鼎;龐作波;陳磊;汪家道
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): B61D17/02
• 分類號(hào): B61D17/02;B64C1/38;B32B27/06;B32B33/00;B32B3/30;B32B37/00
• 代理公司: 北京科石知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11595
• 代理人: 劉艷春

本發(fā)明涉及一種新型減阻降噪微結(jié)構(gòu)表面及其制備方法，該表面具有垂直于流體方向的溝槽微結(jié)構(gòu)，通過改善亞音速飛行器固/氣界面的近壁面流場(chǎng)特性，有效降低壁面摩擦阻力和氣動(dòng)噪聲。減阻降噪微結(jié)構(gòu)表面的制備是通過油漆表面冷壓成型的方式實(shí)現(xiàn)的。新型減阻降噪表面制備技術(shù)可以解決高速列車、商用飛機(jī)、無人機(jī)等高速航行體航行時(shí)的減阻及降噪問題，且具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、易于加工及產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及領(lǐng)域，尤其涉及，具體為本發(fā)明涉及一種新型減阻降噪微結(jié)構(gòu)表面及其制備方法，可降低空氣介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)航行體表面摩擦阻力和氣動(dòng)噪聲，屬于機(jī)械工程表面處理技術(shù)與流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

高速列車、商用飛機(jī)、無人機(jī)等高速航行體在空氣介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣阻力是影響其能耗的重大因素，該阻力主要由摩擦阻力和壓差阻力等組成，其中摩擦阻力占比較大，另外摩擦阻力的增加，會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)噪聲的增大等問題。因此，減小告訴航行體運(yùn)行過程中的摩擦阻力，有助于節(jié)約資源，提高航行體的航速和航程，還能夠有效降低運(yùn)行中的氣動(dòng)噪聲。

近年來，隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，尤其是無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的不斷壯大，減小飛機(jī)阻力，提高飛機(jī)的航程問題變得尤為迫切。截止目前，已形成氣動(dòng)外形優(yōu)化，表面修形，自身輕量化等多種減阻技術(shù)手段，其中，表面修形技術(shù)可以在保證飛機(jī)外形結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)布局的情況下，減小飛機(jī)阻力，且使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)單，具有廣闊的前景。

美國(guó)3M公司曾花費(fèi)數(shù)年時(shí)間研發(fā)溝槽貼膜減阻技術(shù)，并在多個(gè)型號(hào)的飛機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)和應(yīng)用。該減阻方法，采用順流向溝槽減阻理論和技術(shù)，通過使層流到紊流的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)后移來減小摩擦阻力。其通過理論計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，順流向溝槽的最大減阻率為8％。空客公司的A320試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)表面該技術(shù)可以節(jié)油1％～2％，實(shí)際減阻效果十分有限。

高速鐵路的發(fā)展進(jìn)程中，減阻節(jié)能同樣是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。減小空氣阻力已經(jīng)成為高速列車研發(fā)過程中的關(guān)鍵問題之一。目前，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)主要以高速列車車頭外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及車體外露部件氣動(dòng)優(yōu)化，來減小高速列車運(yùn)行中的空氣阻力。該技術(shù)可以在一定程度上降低高速列車運(yùn)行時(shí)的壓差阻力，但對(duì)于表面摩擦阻力的降低效果不明顯。而通過溝槽減阻等表面修形技術(shù)，改善車體表面的近壁面流場(chǎng)特性，從而減小固/氣壁面剪切造成的摩擦阻力，則可以在現(xiàn)有減阻措施的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化其氣動(dòng)性能，降低運(yùn)行過程中的空氣阻力和氣動(dòng)噪聲。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型減阻降噪微結(jié)構(gòu)表面及其制備方法。該表面可以同航行體的后期表面涂層加工相結(jié)合，在不改變其外部氣動(dòng)造型的基礎(chǔ)上，減小航行過程中的表面摩擦阻力，從而提高航行體的航程、航速，達(dá)到節(jié)能目的；此外，該技術(shù)對(duì)于抑制氣動(dòng)噪聲也有其獨(dú)到的效果。該微結(jié)構(gòu)表面制備技術(shù)，減阻降噪效果明顯，加工制備簡(jiǎn)便，可應(yīng)用于復(fù)雜曲面制備，對(duì)于解決商用飛機(jī)、高速列車、無人機(jī)在運(yùn)行過程中的空氣阻力與氣動(dòng)噪聲問題具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種新型減阻降噪為結(jié)構(gòu)表面，其特征在于，該微結(jié)構(gòu)表面是具有周期性V型溝槽單元的FEVE氟碳樹脂漆層。

帶有周期性V型溝槽單元的FEVE氟碳樹脂漆層，其特征在于，所述周期性V型溝槽單元在FC樹脂漆表層沿垂直于流體方向等間距分布，如圖1所示，溝槽的深度h為10～50μm，V型溝槽頂角α的范圍為15°～120°，V型溝槽單元的周期λ為30～600μm。

本發(fā)明中，垂直于流體方向的V型溝槽FEVE氟碳樹脂漆層，能夠顯著改善航行體在空氣介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，固/氣界面的近壁面流場(chǎng)特性，有效降低運(yùn)動(dòng)中的表面摩擦阻力。同時(shí)，固/氣界面之間的空氣剪切是航行體產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的主要原因，通過V型溝槽單元，實(shí)現(xiàn)溝槽內(nèi)流體的微漩渦流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)近壁面空氣流動(dòng)與溝槽內(nèi)微漩渦能量的有效傳遞，減小固/氣界面空氣的剪切作用強(qiáng)度，降低航行體運(yùn)動(dòng)過程中的氣動(dòng)噪聲。

此外，本發(fā)明還提供了一種制備所述減阻降噪微結(jié)構(gòu)表面的方法，其特征在于，該方法的制備步驟如下：