[发明专利]基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置

说明书

本发明提出一种基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置，利用超疏水涂层、亲水性基体材料、供电电源和电解电极或加热元件等，通过电解水反应、壁面加热等方式对近壁面水中气体饱和度进行调控使水体达到气体饱和甚至过饱和状态，并利用超疏水和亲水表面交替排列束缚气膜的三相接触线，其中电解电极或加热元件等位于表面光滑亲水区域，而超疏水区域则不需要包含特殊的功能性元件；超疏水表面微结构内会自动封存气膜，过饱和状态下溶解的气体会自发向气膜内扩散，因而将不会有游离的气泡在光滑亲水区域上或水体中析出，从而克服了浮力和表面张力等对补气效果的影响。

技术领域

本发明涉及一种基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置，特别涉及一种浸没水下的超疏水表面气膜持久维持和形态调控装置，属于减阻技术领域。

背景技术

超疏水表面被定义为在该表面上液滴的静态接触角大于150°而滚动角小于10°的表面，近年来人们发现超疏水表面在水下具有优异的减阻性能。超疏水表面减阻作用的根本原因在于其表面分布的微纳米粗糙结构在水下能够束缚一层气膜，将传统的固液接触界面替换成固气液复合接触界面，液体在气液界面上产生速度滑移从而降低了表面的摩擦阻力。然而在实际的工程应用中，超疏水表面的气膜并不稳定，在高速水流冲刷和水压的作用下气膜会快速流失，即使在低速和静止条件下气膜中的气体还会自发向水中溶解，气膜流失直接导致超疏水表面失去减阻和防污效果。

超疏水表面的水下气膜流失问题限制了其实际应用，针对这一问题人们提出了多种解决方案。发明专利“一种提高水下锁气泡能力的工程表面及其制备方法(CN201810384589.8)”和发明专利“基于润湿性调控的气膜减阻模型及其制作方法(CN201510579215.8)”都提出对超疏水表面进行局部亲水修饰，构造出的超疏水-亲水表面结构能够有效束缚气膜的三相接触线，进而实现比普通超疏水表面更强的气膜束缚能力，通过表面通气还可以进一步控制气液界面的形态，然而这些方法无法克服气膜溶解和流失破坏的问题；发明专利“用于恢复和维持液体之下的超疏水性的方法和装置(CN201180046655.7)”和“一种基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型(CN201611112056.1)”提出利用电解水产气的方法长时间维持超疏水气膜稳定，在气膜流失破坏之后能够自动补充和恢复，克服了气膜不能长时间稳定维持的问题，但是这两项专利均涉及到加工精度要求极高的微纳米加工技术，超疏水表面的微结构必须满足特定的要求，否则在浮力和表面张力的作用下电解产生的气泡会脱离表面，造成气体损失和气膜恢复失败；其中还用到包括微纳米电极和铂金电极等高成本材料，因而不适合大规模的工程应用；此外这两项发明因为气膜恢复过程中会自动切断通电回路，所以气膜形态相对固定，而缺乏对气膜形态进行精确有效的调控。研究表明不同的气膜形态对减阻效果具有显著影响，因此在维持超疏水表面气膜长时间稳定的基础上，还需要对气膜的形态进行更加精确的调控以获得最佳的减阻效果。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提出一种基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置，实现超疏水表面气膜长时间稳定维持并对气膜形态进行精确调控。

本发明实现上述目标所采用的基本原理是：

水下环境中的气体饱和度定义为s＝c₁/c₀，其中c₀为气体在水中的饱和浓度，其大小与环境温度和压强等有关，c₁为实际水下的气体浓度；水下超疏水表面气膜层溶解的根本原因在于，真实环境下水体环境往往处于气体不饱和状态(s1)，因而气膜层中的气体会自发向水中扩散溶解；如果能够提高超疏水表面附近水体中的气体浓度达到饱和状态(s＝1)，则气膜溶解就会受到抑制；如果水体内的气体浓度达到过饱和状态(s1)，则气体将自发向气膜内扩散析出，从而改变气膜形态。理论上当水下气体浓度过饱和到一定程度之后，气体将以气泡的形式析出，该过程首先需要生成微小的气核，而气核更倾向于在粗糙固体表面上的瑕点位置产生。但实际中微小气核的生成需要很大的过饱和度因而新气泡的生成的难度较大，气体会更倾向于向已有的气泡内扩散。