一种基于光热气泡床减阻表面的减阻系统及方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113267321A(43)申请公布日2021.08.17(21)申请号202110524862.4(22)申请日2021.05.14(71)申请人华北电力大学地址102206北京市昌平区朱辛庄北农路2号(72)发明人刘国华王翰文冯义钧王琳(74)专利代理机构北京众合诚成知识产权代理有限公司11246代理人张文宝(51)Int.Cl.G01M10/00(2006.01)B63B1/38(2006.01)G01L15/00(2006.01)F15D1/00(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图1页(54)发明名称一种基于光热气泡床减阻表面的减阻系统及方法(57)摘要本发明公开了属于可再生能源利用领域的一种基于光热气泡床减阻表面的减阻系统及方法。该减阻系统包括：太阳光、带有凹坑的超疏水表面气泡床、针孔式测压计、流体管道、蓄水装置、水泵及控制阀。太阳光从上方射入到水平放置带有凹坑的超疏水表面，使凹坑内残留的空气形成的气泡膜；气液接触界面代替液固界面，控制气泡的成长，使气液接触界面代替液固界面，气液界面之间液体存在速度滑移，且气液界面处为无剪切力，改变了边界层条件，达到可控减阻的目的。本发明利用太阳能光热控制带有微纳多孔结构的超疏水表面气泡床减阻表面与系统，系统原理简单、稳定且操作简单，不需要人工控制；并为传统的表面微气泡减阻技术提出了新的思路及解决方案。CN113267321ACN113267321A权利要求书1/2页1.一种基于光热气泡床减阻表面的减阻系统，其特征在于，该减阻系统包括：太阳光、带有凹坑的超疏水表面气泡床、针孔式测压计、流体管道、蓄水装置、水泵及控制阀；所述光热气泡床减阻表面的减阻系统包括太阳光(1)、超疏水表面的多孔微纳结构(2)、针孔式测压计(3)、控制阀(4)、循环水泵(5)、循环回路中的实验流体(6)、蓄水箱(7)；其中，超疏水表面的多孔微纳结构(2)、针孔式测压计(3)、控制阀(4)、循环水泵(5)、蓄水箱(7)通过循环回路中的实验流体(6)串联组成；太阳光(1)照射在超疏水表面的多孔微纳结构(2)上；所述超疏水表面的多孔微纳结构(2)水平放置在机架上，超疏水表面的多孔微纳结构(2)中包括实验流体(6)和超疏水表面的凹坑(2‑5)；凹坑内残留的空气(2‑3)与气泡膜(2‑4)；太阳光(1)从上方射入到水平放置带有凹坑(2‑5)的超疏水表面，使凹坑内残留的空气(2‑3)的空气分子无规则热运动加剧，形成的气泡膜(2‑4)；形成气液接触界面代替液固界面，控制气泡的成长，其一是超疏水表面水的接触区域减小，从而减小了固液界面之间的接触面积，其二是超疏水表面的凹坑区域会形成气液接触界面代替液固界面，气液界面之间液体存在速度滑移，且气液界面处可认为无剪切力，可以达到可观的减阻效果。2.根据权利要求1所述的基于光热气泡床减阻表面的减阻系统，其特征在于，所述超疏水表面的多孔微纳结构的气泡床表面为超疏水表面，气泡床表面的孔洞呈现规则或周期性排列，确保了气泡床的稳定性；使气泡能够稳定均匀的吸附、停留在具有疏水性能的凹坑型表面微结构内，使固体壁面与液相流体相分离；即流体流经该流体域的时候不会完全的润湿浸满整凹坑，内部气体压力阻碍液体入侵，使凹坑内残留有空气，满足Cassie模型。3.根据权利要求1所述的基于光热气泡床减阻表面的减阻系统，其特征在于，所述超疏水表面的多孔微纳结构的表面两端设置测压孔，利用针孔式测压计测量进出口两端的压差，用来表征该系统的减阻效率。4.根据权利要求1所述的基于光热气泡床减阻表面的减阻系统，其特征在于，所述减阻系统的流体管道、蓄水装置、水泵及控制阀组成流体循环运输机构；该流体循环运输结构控制减阻系统的启闭以及流量大小。5.根据权利要求1所述的基于光热气泡床减阻表面的减阻系统，其特征在于，所述超疏水表面的多孔微纳结构的气泡床底部采用带有凹坑的超疏水U型槽结构，凹坑位于U型槽底部，顶端采用二氧化硅结构，便于太阳光直射入U型槽底部，控制气泡的成长。6.一种权利要求1所述的基于光热气泡床减阻表面的减阻系统的减阻方法，其特征在于，太阳光(1)从上方射入水平放置带有凹坑(2‑5)的超疏水表面，控制凹坑(2‑5)内残留的空气(2‑3)，残留空气(2‑3)在太阳光(1)的光热控制下，分子间的无规则热运动加剧，分子间距逐渐拉大，残留空气(2‑3)形成的气泡逐渐成长，凹坑内的残留空气(2‑3)与经过气泡床表面的流体(6)产生气液边界层，形成气泡膜(2‑4)。气泡膜(2‑4)与固体界面的接触角记作θ，当θ＜0时，气液界面为凹面；当θ＞0时，气液界面为凸面，超疏水表面的凹坑(2‑5)大小相同，且呈现周期性分布，便于观察气泡的膨胀或收缩情况；太阳