專利名稱：在液體介質(zhì)中具有增效、減阻功能的動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及本發(fā)明涉及到流體力學(xué)、耦合仿生學(xué)以及流體機(jī)械，特別涉及一種在液體介質(zhì)中具有增效、減阻功能的動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面。
背景技術(shù)：
自然界的生物，經(jīng)過億萬年在各自生存環(huán)境中的進(jìn)化優(yōu)化，逐漸具有各種與生存環(huán)境高度適應(yīng)的功能特性。生物通過兩個(gè)或兩個(gè)以上不同部分的協(xié)同作用或不同因素的耦合作用有效地實(shí)現(xiàn)生物的各種功能，充分展現(xiàn)對(duì)其生存環(huán)境的最佳適應(yīng)性，這種生物耦合現(xiàn)象是生物界普遍存在的，是生物的固有屬性，運(yùn)用工程仿生學(xué)的原理與方法，實(shí)現(xiàn)某些特定工況下的某些功能，這不僅是工程仿生學(xué)的最基本任務(wù)，也是眾多工程領(lǐng)域的實(shí)際需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在液體介質(zhì)中具有增效、減阻功能的動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面，本發(fā)明是在耦合仿生學(xué)理論的指導(dǎo)下，在流體機(jī)械普遍存在效率低下的前提下，提出的一種全新的運(yùn)用動(dòng)態(tài)耦合功能表面提高流體機(jī)械效率的一種新方法。本發(fā)明的具體目的是提供一種形態(tài)/彈性二元仿生耦合功能表面，該形態(tài)/彈性仿生耦合功能表面是由軟層表面與硬質(zhì)基底層組成，硬質(zhì)基底層加工有仿生非光滑形態(tài)， 軟層表面層是高分子復(fù)合彈性膜，高分子復(fù)合彈性膜是由高分子聚合物在硬質(zhì)基底層硫化而成，軟層表面的硬度值小于硬質(zhì)基底層的硬度值，并將這種仿生耦合功能表面應(yīng)用到以液體為工作介質(zhì)的流體機(jī)械上，根據(jù)工況不同，應(yīng)用高分子聚合物表面的彈性變形以及高分子復(fù)合彈性膜表面與基底材料上面的仿生非光滑形態(tài)耦合對(duì)液體介質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，不需要額外提供能源，從而實(shí)現(xiàn)流體機(jī)械增效，節(jié)能的目的。與其他提高流體機(jī)械效率的方法相比，本發(fā)明在不改變流體機(jī)械水力模型、不顯著提高成本的前提下，增效節(jié)能效果顯著， 且具有綠色、環(huán)保的特點(diǎn)，適宜規(guī)?；a(chǎn)。本發(fā)明可選擇具體流體機(jī)械過流表面作為基底層，加工非光滑表面，高分子聚合物彈性薄膜可直接硫化到流體機(jī)械過流表面。本發(fā)明的形成方法如下(1)、選擇硬質(zhì)材料作為基底面層，在基底面層上加工出仿生非光滑形態(tài)；O)、將高分子聚合物采用旋轉(zhuǎn)噴涂法直接涂覆到加工有非光滑形態(tài)的基底面層表面上，形成高分子復(fù)合彈性膜并與基底層面相結(jié)合，形成形態(tài)/材料耦合功能表面；(3)、對(duì)步驟( 形成的形態(tài)/材料耦合功能表面進(jìn)行硫化，然后進(jìn)行自然冷卻。所述的硫化采用常規(guī)的硫化工藝。所述的仿生非光滑形態(tài)的加工方法可采用電火花加工，也可利用中介介質(zhì)采用澆注方法來實(shí)現(xiàn)；所述的仿生非光滑形態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況，可選擇雨滴型、凹坑型、溝槽型。
所述仿生非光滑形態(tài)的尺寸，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況和表面高分子復(fù)合彈性膜的厚度， 進(jìn)行確定。對(duì)于凹坑型非光滑尺寸，可由凹坑的半徑R以及凹坑之間的距離D進(jìn)行控制，尺寸控制范圍選擇為凹坑的半徑R = 1. 5mm 5mm，凹坑之間的間距D = (1 3)R ；對(duì)于截面為三角形的溝槽非光滑形態(tài)，其尺寸由三角形的底邊長(zhǎng)度L，三角形的高度H，以及小溝槽之間的距離D來控制，其中，L = 1. 5mm 5mm，H = (1 1. 5)L，D = (1 3) L ；對(duì)于形狀為雨滴型非光滑形態(tài)，雨滴形狀由尺寸半徑不同的球體組成，尺寸小的球體的半徑r = 1. 5mm 5mm，尺寸大球體的半徑為R = O 5) r，雨滴狀非光形態(tài)之間的距離以兩球體相切的部位之間的距離為準(zhǔn)，D = O 5)r ；現(xiàn)有的高分子復(fù)合彈性膜形成方法是，將高分子聚合物直接噴涂在基底面層上的仿生非光滑形態(tài)上形成高分子復(fù)合彈性膜，沒有硫化的過程，致使高分子復(fù)合彈性膜與硬質(zhì)基底面層的仿生非光滑形態(tài)結(jié)合的不牢固，高分子復(fù)合彈性膜極易脫落。本發(fā)明之方法的特殊之處是在高分子聚合物直接噴涂在基底面層上的仿生非光滑形態(tài)上形成高分子復(fù)合彈性膜后，又在溫度為70° 120°的條件下對(duì)形成的形態(tài)/材料耦合表面進(jìn)行硫化，自然冷卻，硫化后，高分子復(fù)合彈性膜與硬質(zhì)基底面層上的仿生非光滑形態(tài)結(jié)合特別牢固，高分子復(fù)合彈性膜不會(huì)脫落。硫化時(shí)，高分子復(fù)合彈性膜最適宜的厚度是2. 1 5. 0mm。所述高分子復(fù)合彈性膜的厚度，噴涂完畢，應(yīng)該使整個(gè)耦合表面看起來是光滑的， 通過表面高分子復(fù)合彈性膜的彈性變形，與液體介質(zhì)之間的相互作用，完成耦合表面減阻增效的功能，從而實(shí)現(xiàn)控制流體的作用。將動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面應(yīng)用到清水離心式水泵上，以200QJ5046型離心式水泵為例，具體說明實(shí)施過程，動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面的基底層直接利用水泵葉輪表面來實(shí)現(xiàn)即可，水泵葉輪是由鑄鐵鑄造而成，表面高分子復(fù)合彈性膜選擇聚氨酯預(yù)聚體，將混合液采用旋轉(zhuǎn)噴涂法直接涂覆到加工有仿生非光滑形態(tài)的水泵葉輪表面上，并在溫度為70° 120°的條件下進(jìn)行硫化，直接將動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面加工到水泵葉輪表面上。本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明能夠通過高分子復(fù)合彈性膜與液體介質(zhì)的相互作用，形成光滑表面，頂部光滑表面彈性變形與基底仿生非光滑結(jié)構(gòu)耦合形成的非光滑表面是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，通過這一動(dòng)態(tài)過程實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的主動(dòng)控制，進(jìn)而達(dá)到增效、減阻的目的。本發(fā)明對(duì)流體的主動(dòng)控制，不需要額外的能源作支撐，節(jié)能效果顯著。2、本發(fā)明之方法中增加了對(duì)高分子復(fù)合彈性膜的硫化工藝，使高分子復(fù)合彈性膜與硬質(zhì)基底面層的仿生非光滑形態(tài)的結(jié)合牢固，而不易脫落。


圖1是仿生耦合功能表面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是當(dāng)液體流速、流量和壓力沒有超過表面高分子復(fù)合彈性膜彈性變形能力時(shí)的仿生耦合功能表面動(dòng)態(tài)耦合原理示意圖。圖3是隨著流量和壓力的增加，表面高分子復(fù)合彈性膜產(chǎn)生微變形時(shí)的仿生耦合功能表面動(dòng)態(tài)耦合原理示意圖。圖4是當(dāng)流量達(dá)到一定程度時(shí)，表面高分子復(fù)合彈性膜材料與基底材料非光滑結(jié)構(gòu)耦合時(shí)的仿生耦合功能表面動(dòng)態(tài)耦合原理示意圖。圖5是基底層呈凹坑型非光滑橫截面形態(tài)及尺寸示意圖。圖6是基底層呈楞紋型非光滑橫截面形態(tài)及尺寸示意圖。圖7是基底層呈雨滴型非光滑橫截面形態(tài)及尺寸示意圖。圖8是楞紋型仿生耦合功能表面加工到離心式水泵葉輪背面的示意圖。圖9是楞紋型非光滑結(jié)構(gòu)在葉輪的背面的尺寸及布置示意圖。圖10是凹坑型仿生耦合功能表面在水泵葉輪表面布置的剖面示意圖。圖11是凹坑型非光滑結(jié)構(gòu)在葉輪的側(cè)面的尺寸及布置的示意圖。在圖8、圖9、圖10和圖11中楞紋型非光滑結(jié)構(gòu)，2-葉輪的背面，3-高分子復(fù)合彈性膜，4-仿生非光滑形態(tài)之間的間距，5-凹坑型仿生非光滑形態(tài)加工在葉輪的側(cè)板上，6-葉輪的側(cè)板。圖12是仿生耦合功能表面在離心式水泵上應(yīng)用后的流量-效率對(duì)比圖。在圖12中1代表未采用動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面的離心式水泵的流量-效率曲線；2、3和4分別代表采用動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面后，實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3的離心式水泵的流量-效率曲線。圖13是仿生耦合功能表面在離心式水泵上應(yīng)用后的揚(yáng)程-效率對(duì)比圖。在圖13中1代表未采用動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面的離心式水泵的揚(yáng)程-效率曲線；2、3和4分別代表采用動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面后，實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3的離心式水泵的揚(yáng)程-流量曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體目的是提供形態(tài)/彈性二元仿生耦合功能表面，該形態(tài)/彈性仿生耦合功能表面。請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明是由軟層表面7與硬質(zhì)基底層8組成，硬質(zhì)基底層 8加工有仿生非光滑形態(tài)，軟層表面7為高分子復(fù)合彈性膜，高分子復(fù)合彈性膜是由具有彈性的高分子聚合物在硬質(zhì)基底層8硫化而成，軟層表面7的硬度值小于硬質(zhì)基底層8的硬度值，并將這種仿生耦合功能表面應(yīng)用到以液體為工作介質(zhì)的流體機(jī)械上，根據(jù)工況不同， 應(yīng)用高分子聚合物表面的彈性變形以及高分子聚合物表面與基底材料上面的仿生非光滑表面耦合對(duì)液體介質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，圖2是當(dāng)液體流速、流量和壓力沒有超過表面高分子復(fù)合彈性膜材料彈性變形能力時(shí)的仿生耦合功能表面動(dòng)態(tài)耦合原理示意圖；圖3是隨著流量和壓力的增加，表面高分子復(fù)合彈性膜產(chǎn)生微變形時(shí)的仿生耦合功能表面動(dòng)態(tài)耦合原理示意圖；圖4是當(dāng)流量達(dá)到一定程度時(shí)，表面高分子復(fù)合彈性膜材料與基底材料非光滑結(jié)構(gòu)耦合時(shí)的仿生耦合功能表面動(dòng)態(tài)耦合原理示意圖，不需要額外提供能源，從而實(shí)現(xiàn)流體機(jī)械增效，節(jié)能的目的。與其他提高流體機(jī)械效率的方法相比，本發(fā)明在不改變流體機(jī)械水力模型、不顯著提高成本的前提下，增效節(jié)能效果顯著，且具有綠色、環(huán)保的特點(diǎn)，適宜規(guī)?；a(chǎn)。本發(fā)明可選擇具體流體機(jī)械過流表面作為基底層，加工非光滑表面，高分子聚合物彈性薄膜可直接硫化到流體機(jī)械過流表面。
本發(fā)明的形成方法如下(1)、選擇硬質(zhì)材料作為基底面層，在基底面層上加工出仿生非光滑形態(tài)；O)、將高分子聚合物采用旋轉(zhuǎn)噴涂法直接涂覆到加工有非光滑形態(tài)的基底面層表面上，形成高分子復(fù)合彈性膜；(3)、對(duì)步驟( 形成的高分子復(fù)合彈性膜進(jìn)行硫化，然后進(jìn)行自然冷卻。所述的硫化采用常規(guī)的硫化工藝。硫化時(shí)，高分子復(fù)合彈性膜最適宜的厚度是2. 1 5. 0mm。所述的仿生非光滑形態(tài)的加工方法開采用電火花加工，也可利用中介介質(zhì)進(jìn)行采用澆注方法來實(shí)現(xiàn)；所述的仿生非光滑形態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況，可選擇雨滴型、凹坑型、溝槽型。所述仿生非光滑形態(tài)的尺寸，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況和表面高分子復(fù)合彈性膜的厚度， 進(jìn)行確定。所述的非光滑形態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況，可選擇雨滴型、凹坑型、溝槽型。當(dāng)高分子復(fù)合彈性膜與硬質(zhì)基底層的仿生非光滑表面完全耦合在一起的時(shí)候，其表面仿生非光滑形態(tài)的尺寸為0. 1-lmm。所述高分子復(fù)合彈性膜的硬度值為邵氏硬度值HA10-HA98或HC8-HC93，所述高分子復(fù)合彈性膜的厚度為2. 1-5. 0mm。對(duì)于凹坑型非光滑形態(tài)尺寸，可由凹坑的半徑R以及凹坑之間的距離D進(jìn)行控制， 尺寸控制范圍選擇為凹坑的半徑R= 1.5mm 5mm，凹坑之間的間距D = (1 3)R，其尺寸及形狀如圖5所示；對(duì)于截面為三角形的溝槽非光滑形態(tài)，其尺寸由三角形的底邊長(zhǎng)度L，三角形的高度H，以及小溝槽之間的距離D來控制，其中，L = 1. 5mm 5mm，H = (1 1. 5)L，D = (1 3) L，其尺寸及形狀如圖6所示；對(duì)于形狀為雨滴型非光滑結(jié)構(gòu)，雨滴形狀由尺寸半徑不同的球體組成，尺寸小的球體的半徑r = 1. 5mm 5mm，尺寸大球體的半徑為R = (2 5) r，雨滴狀非光形態(tài)之間的距離以兩球體相切的部位之間的距離為準(zhǔn)，D = O 5)r，其形狀和尺寸如圖7所示；所述高分子復(fù)合彈性膜的厚度，噴涂完畢，應(yīng)該使整個(gè)耦合表面看起來是光滑的， 通過表面高分子復(fù)合彈性膜的彈性變形，與液體介質(zhì)之間的相互作用，完成耦合表面減阻增效的功能，從而實(shí)現(xiàn)控制流體的作用。將動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面應(yīng)用到清水離心式水泵上，以200 QJ50-26型離心式水泵為例，具體說明實(shí)施過程，動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面的基底層直接利用水泵葉輪表面來實(shí)現(xiàn)即可，水泵葉輪是由鑄鐵鑄造而成，水泵的具體結(jié)構(gòu)如圖8、圖9、圖10和圖11所示，其中，1-楞紋型仿生非光滑形態(tài)，2-葉輪的背面，3-高分子復(fù)合彈性膜，4-仿生非光滑形態(tài)之間的間距，5-凹坑型仿生非光滑形態(tài)加工在葉輪的側(cè)板上，6-葉輪的側(cè)板；表面彈性薄膜選擇聚氨酯預(yù)聚體，將氨酯預(yù)聚體采用旋轉(zhuǎn)噴涂法直接涂覆到加工有仿生非光滑形態(tài)的水泵葉輪表面上，并在溫度為70° 120°的范圍內(nèi)進(jìn)行硫化，直接將動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面加工到水泵葉輪表面上。具體見下述三個(gè)實(shí)例。實(shí)施例1 肋條狀仿生非光滑形態(tài)加工在葉輪的側(cè)面，肋條狀非光滑結(jié)構(gòu)的橫斷面為正三角形，邊長(zhǎng)為1. 5mm，肋條之間的距離為4. 5mm，將邵氏硬度為HC21的高分子彈性材料硫化到水泵的葉輪，彈性材料高分子復(fù)合彈性膜的厚度為2. 1mm，與未采用仿生耦合設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)水泵相比，在整個(gè)有效流量段內(nèi)(200QJ5046型離心式水泵的有效流量段位40m3 60m3)效率均得到提高，效率提高幅度在4%左右，如圖12所示，在流量大于55m3時(shí)，效率提高5% 以上。實(shí)施例2 凹坑狀仿生非光滑形態(tài)加工在葉輪的背面，凹坑半徑為1. 5mm,凹坑之間的間距為 3mm,敷有邵氏硬度為A70的PTU材料，PTU材料的厚度為3. 5mm,與未采用仿生耦合設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)水泵相比，在有效流量段內(nèi)，效率均得到提高，在流量為60m3，效率提高5%左右，在整個(gè)流量段內(nèi)，揚(yáng)程均得到提高，如圖8和圖9所示，尤其是在流量為60m3，揚(yáng)程提高了 1. 75m 左右，提高幅度達(dá)到6.7%。實(shí)施例3 肋條狀仿生非光滑形態(tài)，加工在葉輪的背面，肋條的邊長(zhǎng)為3mm，間距為6mm，敷有邵氏硬度為A50的聚氨酯材料，聚氨酯材料的厚度為5. 0mm，與未采用仿生耦合設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)水泵相比，在有效流量段內(nèi)，效率，在流量為60m3時(shí)，效率提高了 5 %，在整個(gè)流量段內(nèi)，揚(yáng)程均得到提高。實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3的仿生耦合功能表面在離心式水泵上應(yīng)用后的流量-效率對(duì)比如圖12所示，在圖12中，1代表未采用動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面的離心式水泵的流量-效率曲線；2、3和4分別代表采用動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面后，實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3的離心式水泵的流量-效率曲線。實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3的仿生耦合功能表面在離心式水泵上應(yīng)用后的揚(yáng)程-效率對(duì)比如圖13所示，在圖13中，1代表未采用動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面的離心式水泵的揚(yáng)程-效率曲線；2、3和4分別代表采用動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面后，實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3的離心式水泵的揚(yáng)程-流量曲線。
權(quán)利要求
1.一種在液體介質(zhì)中具有增效、減阻功能的動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面，其特征在于是由軟層表面與硬質(zhì)基底層組成，硬質(zhì)基底層加工有仿生非光滑結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在液體介質(zhì)中具有增效、減阻功能的動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面，其特征在于所述硬質(zhì)基底層的仿生非光滑形態(tài)為雨滴狀或凹坑或截面為三角形的溝槽形狀。
3.一種在液體介質(zhì)中具有增效、減阻功能的動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面的形成方法，該方法是(1)、選擇硬質(zhì)材料作為基底面層，在基底面層上加工出仿生非光滑形態(tài)；O)、將高分子聚合物采用噴涂法直接涂覆到加工有仿生非光滑形態(tài)的基底面層表面上，形成高分子復(fù)合彈性膜；(3)、對(duì)步驟( 形成的高分子復(fù)合彈性膜進(jìn)行硫化，然后進(jìn)行自然冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的高分子復(fù)合彈性膜的厚度為 2. 1 5. Omm0
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在液體介質(zhì)中具有增效、減阻功能的動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面，該動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面是由軟層表面與硬質(zhì)基底層組成，硬質(zhì)基底層加工有仿生非光滑結(jié)構(gòu)，軟層表面層是高分子復(fù)合彈性膜，高分子復(fù)合彈性膜是由高分子聚合物在硬質(zhì)基底層硫化而成，利用高分子聚合物表面的彈性變形以及高分子復(fù)合彈性膜表面與基底材料上面的仿生非光滑形態(tài)耦合對(duì)液體介質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，不需要額外提供能源，從而實(shí)現(xiàn)了流體機(jī)械增效，節(jié)能的目的；本發(fā)明在不改變流體機(jī)械水力模型、不顯著提高成本的前提下，增效節(jié)能效果顯著，且具有綠色、環(huán)保的特點(diǎn)，適宜規(guī)?；a(chǎn)；本發(fā)明對(duì)高分子復(fù)合彈性膜進(jìn)行硫化，使高分子復(fù)合彈性膜與硬質(zhì)基底層結(jié)合牢固而不易脫落。
文檔編號(hào)F15D1/00GK102536972SQ201210038948
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者任露泉, 卜兆國(guó), 盧秀泉, 商延賡, 田麗梅, 韓志武, 高志樺 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)