本發(fā)明屬表面減阻技術領域，具體涉及一種三明治結構的智能水凝膠材料減阻表面。

背景技術：

表面摩擦阻力是水面艦艇、潛艇及魚雷等的主要能耗來源。由于水黏性引起的水面艦艇的摩擦阻力占總阻力比率大于50％，水下航行器的表面摩擦阻力均占總阻力的80％以上?？梢?，減小由水的黏性引起的表面摩擦阻力是當今科學研究的一個重要課題，在理論及實際應用方面均有十分重要的意義。

探求減阻新方法、開發(fā)減阻新技術一直是各國政府優(yōu)先發(fā)展的領域，近年來各種減阻方法不斷涌現(xiàn)，其中通過控制湍流邊界層的擬序結構實現(xiàn)減阻的方法，因其方便、環(huán)保、高效等優(yōu)點，受到學術界及軍工部門的廣泛關注。按有無能量的輸入，流動控制分為主動控制和被動控制，主動控制方法需要能量輸入，可以根據(jù)流場特性智能調控壁面或改變邊界層內流體黏性，以適應不同工況的減阻需求。被動控制方法僅通過壁面形態(tài)(如鯊魚皮表面)或者壁面材料(如彈性材料)的改變實現(xiàn)減阻，實現(xiàn)方式簡單，且只在特定的來流條件下具有良好的減阻性能，對來流條件的適應性差。因此，尋求一種形態(tài)及尺寸可控的減阻表面，便可使水下航行體在全工況下均具有最佳的減阻性能。溫敏聚合物(溫度響應性聚合物)智能材料的發(fā)展，使得該設想成為可能。聚(n-異丙基丙烯酰胺)(pnipam)是研究者關注最多的一類溫敏共聚物，能夠對溫度刺激產(chǎn)生快速響應，從而表現(xiàn)出相分離行為。但是，單一的pnipam水凝膠的機械強度較弱，尚不能直接用于邊界層的控制。因此，提高水凝膠材料的機械強度，并能保證其熱響應特性，是根據(jù)流場特性實現(xiàn)邊界層智能控制的一種重要途徑。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種三明治結構的智能水凝膠材料減阻表面。

本發(fā)明由paam水凝膠ⅰ1、pnipam水凝膠2、超微細加熱網(wǎng)3和paam水凝膠ⅱ4組成，其中pnipam水凝膠2凝固后其橫截面為長條形底面5和間隔三角形上面6的組合體，超微細加熱網(wǎng)3固接于pnipam水凝膠2的長條形底面5中，超微細加熱網(wǎng)3的底邊與pnipam水凝膠2中長條形底面5的底邊間距h2為5～10μm；paam水凝膠ⅰ1涂敷于pnipam水凝膠2的上表面，paam水凝膠ⅱ4涂敷于pnipam水凝膠2的下表面；超微細加熱網(wǎng)3的a端設為正極，超微細加熱網(wǎng)3的b端設為負極。

所述pnipam水凝膠2中長條形底面5的長度l為1～2mm，厚度h1為15～25μm；所述pnipam水凝膠2中間隔三角形上面6的三角形高h為20～110μm，三角形底邊長s為30～130μm，相鄰三角形間隔f為50～200μm。

所述超微細加熱網(wǎng)3的厚度h3為5～8μm。

所述paam水凝膠ⅰ1和paam水凝膠ⅱ4對pnipam水凝膠2的涂敷厚度h4為5～7μm。

上述技術方案中，通過兩薄層高強度的聚丙烯酰胺(paam)水凝膠材料包夾熱響應材料聚(n-異丙基丙烯酰胺)(pnipam)，減阻表面的流固界面具有溝槽狀的微結構，超微細加熱網(wǎng)3位于聚(n-異丙基丙烯酰胺)(pnipam)材料的中間位置。

所述的兩薄層高強度的聚丙烯酰胺(paam)水凝膠材料包夾熱響應材料聚(n-異丙基丙烯酰胺)(pnipam)的方法提高水凝膠熱響應材料的強度。

所述的減阻表面的流固界面具有溝槽狀的微結構可以實現(xiàn)減阻的功能。

所述的超微細加熱網(wǎng)3兩端連接電源，可以改變熱響應材料pnipam水凝膠2的溫度，隨著溫度的升高pnipam水凝膠2的溶脹度降低，造成容積坍塌，進而影響表面微結構尺寸的變化，使得水下航行體適應不同工況的減阻要求。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明可以產(chǎn)生有益效果：

(1)該減阻表面通過超微細加熱網(wǎng)對聚(n-異丙基丙烯酰胺)(pnipam水凝膠)進行升溫或降溫，影響其體積的變化，從而實現(xiàn)對流固界面微結構尺寸的改變，使得航行體適應不同工況的減阻要求。

(2)該表面的微結構形態(tài)改變附面層內湍流結構，使得航行體表面由湍流狀態(tài)轉變?yōu)閷恿鳡顟B(tài)，層流狀態(tài)的邊界層速度梯度小于湍流狀態(tài)，導致摩擦阻力降低，進而使航行體總阻力降低。

附圖說明

圖1為三明治結構的智能水凝膠材料減阻表面示意圖

圖2為圖1中c所指部位的尺寸標記放大圖

圖3為pnipam水凝膠結構示意圖

其中：1.paam水凝膠ⅰ2.pnipam水凝膠3.超微細加熱網(wǎng)4.paam水凝膠ⅱ5.長條形底面6.間隔三角形上面

具體實施方式

本發(fā)明提出一種三明治結構的智能水凝膠材料減阻表面，以下結合附圖和具體實施例，對本發(fā)明所述的智能水凝膠材料減阻表面進行詳細說明。

如圖1所示，三明治結構的智能水凝膠材料減阻表面由paam水凝膠ⅰ1、pnipam水凝膠2、超微細加熱網(wǎng)3和paam水凝膠ⅱ4組成，其中pnipam水凝膠2凝固后其橫截面為長條形底面5和間隔三角形上面6的組合體，如圖3所示。超微細加熱網(wǎng)3固接于pnipam水凝膠2的長條形底面5中，超微細加熱網(wǎng)3的底邊與pnipam水凝膠2中長條形底面5的底邊間距h2為5～10μm；paam水凝膠ⅰ1涂敷于pnipam水凝膠2的上表面，paam水凝膠ⅱ4涂敷于pnipam水凝膠2的下表面；超微細加熱網(wǎng)3的a端設為正極，超微細加熱網(wǎng)3的b端設為負極。

三明治結構的智能水凝膠材料減阻表面具有三角形狀的溝槽結構，相鄰三角形間隔f為50～200μm，pnipam水凝膠2中長條形底面5的長度l為1～2mm，厚度h1為15～25μm，超微細加熱網(wǎng)3的厚度h3為5～8μm，目數(shù)為3000～6000，孔徑為2.5～5μm。paam水凝膠ⅰ1和paam水凝膠ⅱ4對pnipam水凝膠2的涂敷厚度h4為5～7μm。

如圖2所示，pnipam水凝膠2中間隔三角形上面6的三角形高h為20～110μm，三角形底邊長s為30～130μm。

實施例1：當h⁺≤25，s⁺≤30時，三明治結構的智能水凝膠材料表面具有減阻特性，pnipam水凝膠2中長條形底面5的長度l為2mm，厚度h1為25μm，超微細加熱網(wǎng)3的底邊與pnipam水凝膠2中長條形底面5的底邊間距h2為10μm，超微細加熱網(wǎng)3的厚度h3為8μm，目數(shù)為6000，孔徑為2.5μm，paam水凝膠ⅰ1和paam水凝膠ⅱ4對pnipam水凝膠2的涂敷厚度h4為7μm。設定三角形溝槽的高度值h為110μm，溝槽的寬度值s為130μm，相鄰三角形間隔f為200μm。當航速為7.72m/s，即雷諾數(shù)為3.30×10⁷時，所述的三明治結構的智能水凝膠材料減阻表面減阻率為8.07％。

實施例2：當航速為14.15m/s，即雷諾數(shù)為6.06×10⁷時，通過電源將超微細加熱網(wǎng)3升溫至32℃，此時減阻表面微結構尺寸為：pnipam水凝膠2中長條形底面5的長度l為1.5mm，厚度h1為20μm，超微細加熱網(wǎng)3的底邊與pnipam水凝膠2中長條形底面5的底邊間距h2為7.5μm，超微細加熱網(wǎng)3的厚度h3為6.5μm，目數(shù)為6000，孔徑為2.5μm，paam水凝膠ⅰ1和paam水凝膠ⅱ4對pnipam水凝膠2的涂敷厚度h4為6μm。設定三角形溝槽的高度值h為65μm，溝槽的寬度值s為80μm，相鄰三角形間隔f為125μm。所述的三明治結構的智能水凝膠材料減阻表面減阻率為10.05％。

實施例3：當航速為20.58m/s，即雷諾數(shù)為8.92×10⁷時，通過電源將超微細加熱網(wǎng)3升溫至34℃，此時減阻表面微結構尺寸為：pnipam水凝膠2中長條形底面5的長度l為1mm，厚度h1為15μm，超微細加熱網(wǎng)3的底邊與pnipam水凝膠2中長條形底面5的底邊間距h2為5μm，超微細加熱網(wǎng)3的厚度h3為5μm，目數(shù)為6000，孔徑為2.5μm，paam水凝膠ⅰ1和paam水凝膠ⅱ4對pnipam水凝膠2的涂敷厚度h4為5μm。設定三角形溝槽的高度值h為20μm，溝槽的寬度值s為30μm，相鄰三角形間隔f為50μm。所述的三明治結構的智能水凝膠材料減阻表面減阻率為6.29％。