本發(fā)明設(shè)計(jì)船舶、水利、化工等工業(yè)領(lǐng)域，具體涉及一種利用自動(dòng)補(bǔ)氣產(chǎn)生氣層來緩解空蝕、保護(hù)重要器件的結(jié)構(gòu)表面。

背景技術(shù)：

1、水下螺旋槳、水輪機(jī)、大壩閘口、液壓泵等流體器件廣泛存在空化現(xiàn)象。空化是指在流動(dòng)的液體中，當(dāng)局部區(qū)域的壓力突然下降至對(duì)應(yīng)溫度飽和壓力以下時(shí)，液體汽化形成氣泡的現(xiàn)象。空化氣泡隨液流進(jìn)入壓力較高的區(qū)域時(shí)，失去存在條件而突然潰滅，空泡潰滅會(huì)產(chǎn)生朝向固體壁面的高壓和高速射流。重復(fù)的射流沖擊會(huì)造成壁面材料的疲勞損傷甚至表面剝蝕，即空蝕現(xiàn)象。關(guān)鍵部件的空蝕破會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)械效率和使用壽命。通過增強(qiáng)靶向材料強(qiáng)度的方法可以在一定程度上緩解空蝕破壞，但是在長時(shí)間空蝕試驗(yàn)后仍屈服于空蝕。近年來研究發(fā)現(xiàn)，空泡在氣層壁面邊界處產(chǎn)生遠(yuǎn)離壁面的反向射流，反向射流反轉(zhuǎn)空泡潰滅射流沖擊的方向，可以有效緩解壁面材料的空蝕破壞，但是在壁面上的氣層難以穩(wěn)定存在，易受流體流動(dòng)或空泡潰滅產(chǎn)生沖擊波的強(qiáng)擾動(dòng)而脫離壁面。本發(fā)明設(shè)計(jì)一種仿生自動(dòng)補(bǔ)氣抗空蝕表面，該表面可以使空泡產(chǎn)生反向射流，并且在表面上氣體不足時(shí)智能的補(bǔ)充氣體，解決了傳統(tǒng)氣層表面耐久性差的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了緩解和抑制空化對(duì)材料表面的破壞，本發(fā)明提供了一種仿生自動(dòng)補(bǔ)氣抗空蝕表面，可以有效減小空蝕的破壞，提高器械的效率和使用壽命。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述有效的抗空蝕防護(hù)過程，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、所述結(jié)構(gòu)表面置于空蝕易發(fā)生區(qū)域，包括基底、電極片和設(shè)置在電極片上用于抗空蝕的疏水材料層。

4、所述的基底通過鑲嵌或者黏附在水下旋轉(zhuǎn)機(jī)械的零部件或者水利化工的易受空蝕的部件上。

5、所述的電極片連接直流電源，當(dāng)電極片接觸液體水時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電解反應(yīng)，生成氣體，直流電源的另一個(gè)電極連接惰性電極以形成電流的通路。

6、所述的疏水材料層在水下具有親氣性，電極生成的氣體會(huì)維持在疏水材料的孔隙中而不逸出。

7、當(dāng)所述結(jié)構(gòu)表面周圍的空化氣泡潰滅時(shí)，孔隙里的氣體會(huì)改變射流的方向，使表面免受高速射流的沖擊，從而保護(hù)重要的零部件。

8、另外只有受強(qiáng)烈擾動(dòng)液體進(jìn)入到孔隙中才發(fā)生電解反應(yīng)，平靜狀態(tài)下表面孔隙可以長時(shí)間維持氣體而不發(fā)生電解反應(yīng)，避免了一直發(fā)生電解反應(yīng)而造成的能源浪費(fèi)。

9、所述的疏水材料層上均勻陣列正六邊形蜂窩狀排列通孔結(jié)構(gòu)，且通孔直徑d需要保證氣體不逸出，應(yīng)滿足：d≤1.0mm。

10、具有一定厚度的氣層表面才可以改變空化氣泡的射流方向，所述的疏水材料層的氣體等效厚度d*定義為：其中d為疏水材料層的通孔直徑，a為通孔間距，n為疏水材料層的厚度。要使得改變空化氣泡的射流方向，疏水材料層等效厚度d*為需滿足：d*≥0.05r，其中r為空化氣泡的等效半徑。

11、所述的電極片上均勻陣列正六邊形蜂窩狀排列圓錐結(jié)構(gòu)，為保證疏水材料可以穩(wěn)定的維持氣體，圓錐的高度h應(yīng)滿足：h<n；電極片上的圓錐與疏水材料層通孔一一對(duì)應(yīng)，配合使用。

12、目前對(duì)空蝕的研究認(rèn)為空化氣泡在固體表面附近潰滅時(shí)產(chǎn)生的射流頻繁沖擊是材料破壞的主要原因。本發(fā)明利用疏水材料在水下的親氣性在疏水層的孔隙處維持由電極片電解產(chǎn)生的氣體來改變空化氣泡的潰滅方向，可以高效的抑制空化造成的材料破壞。另外只有周圍空化氣泡潰滅或者其他強(qiáng)烈擾動(dòng)使得氣體逸出從而液體進(jìn)入到孔隙中才發(fā)生電解反應(yīng)，平靜狀態(tài)下表面孔隙可以長時(shí)間維持氣體而不發(fā)生電解反應(yīng)。

13、本發(fā)明的技術(shù)方案的有益效果是：

14、本發(fā)明提供了一種全新的、高效的抗空蝕技術(shù)，通過對(duì)機(jī)械部件的易發(fā)生空蝕位置鑲嵌電解片和疏水表面層，利用在疏水表面形成的氣層改變空化氣泡射流的方向，從而緩解材料的損傷。

15、本發(fā)明可以電解補(bǔ)充氣體，解決了氣體溶解在液體中或者逸出而導(dǎo)致表面失效的問題，同時(shí)在平靜狀態(tài)下又避免了一直發(fā)生電解反應(yīng)而造成的能源浪費(fèi)，是一種智能的抗空蝕結(jié)構(gòu)表面層。

技術(shù)特征：

1.一種仿生自動(dòng)補(bǔ)氣抗空蝕表面，其特征在于：由基底(1)、電極片(2)和疏水材料層(3)組成，該表面可以使空泡產(chǎn)生反向射流，避免了空泡對(duì)表面的射流沖擊破壞，并且在表面上氣體不足時(shí)可自調(diào)節(jié)補(bǔ)充氣體，解決了傳統(tǒng)氣層表面耐久性差的問題；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生自動(dòng)補(bǔ)氣抗空蝕表面，其特征在于：所述易受空蝕部件為液壓設(shè)備的零部件或者水利水電設(shè)備的零部件。

3.按權(quán)利要求1所述的仿生自動(dòng)補(bǔ)氣抗空蝕表面可以在所述疏水材料層(3)的通孔內(nèi)維持由所述電極片(2)電解產(chǎn)生的氣體，并在充滿氣體后停止電解反應(yīng)。

4.按權(quán)利要求1所述的仿生自動(dòng)補(bǔ)氣抗空蝕表面可以改變周圍空泡潰滅射流的方向，保護(hù)表面免受破壞。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種仿生自動(dòng)補(bǔ)氣抗空蝕表面。表面包括基底、電極片和設(shè)置在電極片上用于抗空蝕的疏水材料層。電極片連接直流電源，當(dāng)電極片接觸液體水時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電解反應(yīng)，生成氣體；由于疏水材料在水下具有親氣性，電極生成的氣體會(huì)維持在疏水材料的孔隙中而不逸出。當(dāng)周圍的空化氣泡潰滅時(shí)，孔隙里的氣體會(huì)改變射流的方向，使表面免受高速射流的沖擊，從而保護(hù)重要的零部件。當(dāng)孔隙內(nèi)氣體不足，發(fā)生電解反應(yīng)補(bǔ)充氣體，氣體補(bǔ)充完成時(shí)電解反應(yīng)自動(dòng)結(jié)束。本發(fā)明可以避免材料遭受空蝕，可以自動(dòng)通過電解反應(yīng)補(bǔ)充氣體，同時(shí)在平靜狀態(tài)下又避免了一直發(fā)生電解反應(yīng)而造成的能源浪費(fèi)，是一種智能的抗空蝕結(jié)構(gòu)表面。

技術(shù)研發(fā)人員：張成春,魏振江,王晶,沈淳,丁維康,馮文剛,陳宇曦,劉成康,張亞松
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30