一種電解裝置及其在微氣泡減阻技術中的應用的製作方法

2023-05-01 23:51:11

本發明涉及水下低速運動體減阻技術領域，尤其涉及一種裝置應用於產生微氣泡的減阻方法。

背景技術：

物體在流體中運動的阻力與流體的密度成正比，航行體在水中運動過程受到的阻力約為空氣中飛行器所受阻力的1000倍。水運在大宗貨物運輸業中佔據著重要位置，而航行體在水中所受的巨大阻力，增加了其在航行過程中的能耗、磨損，降低了航行體的壽命。研究如何降低航行體在水中運行的阻力，對於節約能源，提高運輸效率具有重要作用。

目前，常見的減阻方式有非光滑表面減阻，超疏水表面減阻，高分子溶液減阻，超空泡減阻，柔順壁面減阻等。然而非光滑表面減阻，超疏水表面減阻，柔順壁面減阻等需要複雜的加工方式，成本較高，高分子溶液減阻將向環境排放有機物，超空泡減阻通常對物體的速度有一定要求。尋求一種易實施，對環境影響小的減阻方法成為一種現實的需求。

微氣泡減阻技術在自然界中早已存在，企鵝躍出水面時會釋放出儲存在羽毛中的空氣，在身後形成一條白色的長串氣泡尾跡，這對於降低企鵝在海水中的行動阻力，提高速度，從而順利回到冰面起到重要的作用。微氣泡減阻技術應用於航運業，不僅可以大幅提高航行體的速度，還能夠節約能源，對於世界能源緊缺的局面有一定的幫助。此外，微氣泡減阻對環境的影響較小。

微氣泡的形成一般分為以下兩種途徑：1)採用物理方法，將外界空氣經過航行體上的多孔結構通入流體中。2)採用化學方法，例如電解或產氣物質在航行體生成微氣泡。物理方法形成的微氣泡可以在流體中達到比較大的體積分數，但該法受到隨著流體深度增加而迅速增加的壓力影響較大，通常只能應用於水面航行體減阻。化學方法形成的微氣泡，不受航行體所處深度的影響，且所產生的微氣泡直徑比物理方法小几個數量級，在同等體積分數下往往減阻效果更好。其中電解法可以持續產生微氣泡，歷久彌新，成為我們的研究方向。

微氣泡減阻技術的效果與微氣泡的形成和形態調控有關，可以通過調控航行體速度，微氣泡產生速率等因素來調節微氣泡的形成與形態。

本發明中，申請人製備了一種裝置，該裝置能夠在水下運動過程中電解水產生氫氣微氣泡，有效降低水下阻力，且製作方法相對簡單，製作成本和維護成本均相對低廉；所採用的原料均無毒無放射作用，不會對環境產生不良作用。

技術實現要素：

本發明為解決現有技術中減阻方式加工方式複雜，製作和維護成本高，向環境排放有機物，適用於高速物體的問題，提供一種水下微氣泡減阻裝置及其製備方法，從而有效降低阻力，降低成本；且對環境無害。

為解決上述技術問題，本發明提供了如下技術方案：

一種水下微氣泡減阻裝置，在航行體附加電解裝置。

所述航行體表面上全部或部分組成材料能夠導電。

本發明提供的製備上述水下微氣泡減阻裝置的製備方法，其包括：

第一步，航行體表面的鑽孔；

第二步，航行體表面和導線的清理；

第三步，航行體表面與導線的連接；

第四步，航行體表面的清理；

第五步，電鍍液的製備；

第六步，航行體表面結構的構築；

第七步，航行體的吹乾，保存備用。

所述第一步進一步具體為在航行體表面鑽孔，孔直徑約為0.5-5mm，深度約為航行體孔直徑的2～4倍。

所述第二步進一步具體為，使用600目砂紙充分打磨粗、細兩種直徑的漆包銅線一端，使略大於第一步所鑽孔深度的銅線裸露出來，所用粗銅線的直徑約為約為孔直徑的1/2-3/4，細銅線的直徑約為孔直徑的1/40-1/10，先後分別用0～2mol/l的氫氧化鈉溶液、0～2mol/l的鹽酸溶液、丙酮超聲清洗航行體表面和裸露的銅導線，後再用無水乙醇進行清洗，最後用去離子水清洗乾淨，吹乾備用。

所述第三步進一步具體為將導電雙面膠剪下一段，長度為孔直徑的8-12倍，寬度為直徑的2-4倍，將一半導電雙面膠緊密纏在粗銅線尖端，再將細銅線用該導電雙面膠緊密纏繞在銅線尖端；將纏好雙面膠的粗銅線用力插人航行體上的孔內，在航行體上保留約一定長度的粗銅線，剪去多餘部分；保留一定長度的細銅線。

所述第四步進一步具體為先後分別用0～2mol/l的氫氧化鈉溶液、0～2mol/l的鹽酸溶液、丙酮超聲清洗航行體表面和裸露的銅導線，後再用無水乙醇進行清洗，最後用去離子水清洗乾淨，吹乾備用。

所述第五步進一步具體為配置以下兩種電鍍液：

1)電鍍液1(cuso4:：1.5mol/l，h2so4：1.5mol/l)

2)電鍍液2(cuso4：0.03mol/l,na3c6h5o7：0.05mol/l,niso4：0.0024mol/l,nah2po2：0.24mol/l,h3bo3：0.5mol/l,peg：6gl-1)，保持溫度為75℃，使用磁力攪拌器攪拌(300rpm)，在反應開始時，用naoh調節ph值為8。

所述第六步進一步具體為：

1)將第四步清洗乾淨的航行體浸泡入第五步製備的電鍍液1中，使用銅片作為陽極，將航行體通過保留的粗銅線連接在陰極上，電流密度保持恆定在0.10acm-2，電鍍時間約為15秒，後將航行體在去離子水中浸泡數次以除去電解液，小心剪去裸露在航行體外的粗銅線，保留細銅線，在乙醇中浸泡數次後用柔和的熱空氣吹乾。暫時保存在乙醇中備用。稱為帶有微米乳突簇的球狀物。

2)將第四步清洗乾淨的航行體浸泡入第五步製備的電鍍液2中，使用鉑片作為陽極，將航行體保留的粗銅線連接在陰極上，電流密度保持恆定在0.01acm-2，電鍍時間約為10分鐘，後將航行體在去離子水中浸泡數次以除去電解液，小心剪去裸露在航行體外的粗銅線，保留細銅線，在乙醇中浸泡數次後用柔和的熱空氣吹乾。暫時保存在乙醇中備用。稱為表面帶有微米線的球狀物。

本發明將上述第四步，第六步製備的裝置應用於微氣泡減阻技術上。

第一，在濃度為0.01-1mol/l的硫酸或氫氧化鈉溶液中放入鍍銥的二氧化鈦陽極，將上述製備的不具有表面微結構與具有表面微結構的裝置，通過細銅線與陰極連接，在航行體表面施加電流密度為0.01-1acm-2的電流，在距離水面0-100cm的高度釋放航行體，各自入水。

第二，利用高速攝像機，記錄三種航行體在水面下50-70cm深的運動過程，改變航行體表面電流密度和釋放高度。

第三，比較上述各種航行體的水下運動過程速度，觀察其運動過程產生的微氣泡。

本發明減阻的原理主要是：通過航行體表面微結構的構築，結合產生微氣泡的速率和航行體下落的速度，協同調控微氣泡的產生和形態，進而調控微氣泡減阻裝置的減阻效果。對於光滑航行體，表面產生的微氣泡的reb小於400，可以抑制尾流中的湍流，其次，大量氣體能夠造成邊界層湍流可以延遲邊界層分離，微氣泡可以有效減阻。氣泡的reb可以由下式定義：

其中，uf是流體的速度(亦即航行體的速度),ub是氣泡的速度；ρ是流體f和氣泡b的密度；d是氣泡的直徑,μf是流體的粘性。

如果航行體表面有微米乳突簇或者微米線，微氣泡將在其中生長，直徑較大時離開表面，氣泡的reb可能大於400，且氣體傳質過程受到抑制，微氣泡減阻效果較差。

本發明提供一種微氣泡減阻裝置的製備方法。

本發明還提供上述裝置用於微氣泡減阻過程中。

本發明的有益效果

本發明提供表面微結構的構築以及用於微氣泡減阻的裝置的製備方法，將表面結構的構築與微氣泡減阻技術相結合，有效提高水下減阻效率，製作成本和維護成本均相對低廉；所採用的原料均無毒無放射作用，不會對環境產生不良作用。

附圖說明

圖1為本發明製備的黃銅球和其表面的電鏡圖。

第四步製備的光滑黃銅球(a)照片，(b)電鏡圖；第六步1)製備的帶有微米乳突簇的黃銅球(c)照片，(d)電鏡圖；第六步2)製備的帶有微米線的黃銅球(e)照片，(f)電鏡圖。

圖2為本發明實驗反應簡易裝置結構圖。採用高速ccd記錄球體運動的狀態，且採用滷素燈為拍攝過程增強亮度。

圖3為高速相機拍攝的球狀物在0.1mol/l的硫酸水溶液中各種電流密度(橫向)和初始下落高度(縱向)平衡時圖像：(a)光滑黃銅球。(b)微米乳突簇結構覆蓋的黃銅球。(c)微米線覆蓋的黃銅球。

具體實施方式

下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

實施例1：

在直徑為15mm的黃銅球中心鑽孔，孔直徑約為2mm，深度約為7mm。使用600目砂紙充分打磨粗、細兩種直徑的漆包銅線一端，使略大於第一步所鑽孔深度的銅線裸露出來，先後分別用2mol/l的氫氧化鈉溶液、2mol/l的鹽酸溶液、丙酮超聲清洗黃銅球表面和裸露的銅導線，後再用無水乙醇進行清洗，最後用去離子水清洗乾淨，吹乾備用。將導電雙面膠剪下一段，長寬為6×8mm。將一半導電雙面膠緊密纏在粗銅線尖端，再將細銅線用該導電雙面膠緊密纏繞在銅線尖端；將纏好雙面膠的粗銅線用力插人黃銅球上的孔內，在黃銅球上保留約30mm長的粗銅線，剪去多餘部分；保留70cm的細銅線。分別用2mol/l的氫氧化鈉溶液、2mol/l的鹽酸溶液、丙酮超聲清洗黃銅球表面和裸露的銅導線，後再用無水乙醇進行清洗，最後用去離子水清洗乾淨，吹乾備用。

表面帶有微米乳突簇的黃銅球的製備：配置電鍍液1(cuso4：1.5mol/l，h2so4：1.5mol/l)，將清洗乾淨的黃銅球浸泡入第五步製備的電鍍液1中，使用銅片作為陽極，將黃銅球通過保留的粗銅線連接在陰極上，電流密度保持恆定在0.10acm-2，電鍍時間約為15秒，後將黃銅球在去離子水中浸泡數次以除去電解液，小心剪去裸露在黃銅球外的粗銅線，保留細銅線，在乙醇中浸泡數次後用柔和的熱空氣吹乾。暫時保存在乙醇中備用。

表面帶有微米乳突簇的黃銅球的製備：配置電鍍液2(cuso4：0.03mol/l,na3c6h5o7：0.05mol/l,niso4：0.0024mol/l,nah2po2：0.24mol/l,h3bo3：0.5mol/l,peg：6gl-1)，保持溫度為75℃，使用磁力攪拌器攪拌(300rpm)，在反應開始時，用naoh調節ph值為8。將清洗乾淨的黃銅球浸泡入第五步製備的電鍍液2中，使用鉑片作為陽極，將黃銅球保留的粗銅線連接在陰極上，電流密度保持恆定在0.01acm-2，電鍍時間約為10分鐘，後將黃銅球在去離子水中浸泡數次以除去電解液，小心剪去裸露在黃銅球外的粗銅線，保留細銅線，在乙醇中浸泡數次後用柔和的熱空氣吹乾。暫時保存在乙醇中備用。

所製得三種黃銅球表面電鏡圖(掃描電子顯微鏡，quanta250feg，捷克fei公司)如圖1所示。

將實施例1製備的光滑黃銅球，利用圖2的實驗裝置，進行微氣泡減阻實驗的檢測。所使用的高速攝影機採用美國約克公司的phantomv9.1，攝像機對準量筒中液面的位置，可以記錄黃銅球運動過程。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬於本發明技術方案的保護範圍。