一种近壁面渗透的减阻剂释放装置

1.本发明涉及水下减阻技术领域，具体是一种近壁面渗透的减阻剂释放装置。

背景技术：

2.随着海洋开发和海防形势的变化，我国海洋利用区域不断向深海、远海延伸。因此，突破远航程技术已成为目前海洋工程领域迫切需要解决的关键问题之一。其中，减阻是实现船舶和水下航行器远航程的一条重要技术途径。根据理论推算，将航行体阻力减小10％，在能源和巡航速度不变的条件下，航程可以增加11.1％。常规巡航速度下，水下航行器的雷诺数(re)一般在107以上，表面大部分区域为湍流流动。此时，航行器所受阻力主要包括压差阻力和摩擦阻力两部分，其中，摩擦阻力占比最大，可高达80％左右。因此，设法降低湍流摩擦阻力是水下航行器实现显著减阻的关键。
3.采用高聚物实现减阻是目前比较普遍研究与应用的减阻途径，主要包括高聚物均匀溶液减阻和高聚物喷射减阻，高聚物均匀溶液减阻目前已成功应用于石油运输、消防管道等领域并取得了良好的减阻效果。通过狭缝向管道内喷射高聚物减阻剂的方法同样具有减阻效果，且与相同浓度的高聚物均匀溶液相比，高聚物喷射减阻的效果甚至更优，更适合水下航行器等外流减阻领域。
4.在公开号为cn106043591a的发明创造中提出了一种用于水面水下航行器的减阻装置，包括平行设置的盾鳞层和支撑层，以及位于盾鳞层和支撑层之间的缓释层，可通过缓释减阻剂实现鳞片沟槽与自润滑粘液的高效耦合减阻效应。但该减阻装置中的缓释层和缓释孔采用毫米级别加工，孔与孔之间的间隔大，不利于减阻剂的均匀释放，且由于利用3d打印技术和飞秒激光制造的减阻装置结构复杂，在水中长时间使用时容易造成内部堵塞，维护成本高。
5.在公开号为cn102673730a的发明创造中提出了一种仿鲨鱼粘液表释减阻结构，通过模仿鲨鱼在体表分泌粘液以提高减阻率的机理，以提升水下航行器的机动性和巡航速度为应用目标，提出了通过壁面表层的阵列微孔向边界层释放高聚物粘液的仿鲨鱼粘液表释结构，以解决高聚物减阻时间过短、释放速度不可控等问题。而采用微孔阵列释放高聚物粘液的方式也存在一定的弊端，一是制作步骤繁琐，微孔阵列结构复杂，不易于加工。二是微孔阵列比较规整，且孔径较大，为毫米级别，不利于高聚物的均匀释放，影响水下航行器的操纵性。
6.在公开号为cn102381435a的发明创造中提出了一种缓释减阻剂的仿鲨鱼减阻装置，该装置包括仿鲨鱼皮层和缓释电液控制系统，不仅具有仿鲨鱼鳞片沟槽形貌，还能模仿鲨鱼机动下的瞬时泌液机制。但用于缓释减阻剂的通孔直径以及通孔的阵列间距过大,为毫米级别，容易造成减阻剂流过待减阻表面时缓释速率不均匀问题。
7.在公告号为cn105947105b的发明专利中公开了一种水下航行器粘液减阻装置，该装置使用气瓶提供粘液释放的驱动力推动活塞缸运动，使减阻粘液从管道内释放到水下航行器的大部分外表面，以提高水下航行器的最大航速。但由于在水下航行器外壳上开设的
一圈粘液释放孔孔径大，很难保证喷出的粘液沿圆周方向均匀分布。且随着气瓶中气体的释放，瓶内压力逐渐减小，也存在由于供压不足导致粘液无法顺利推出的情况。

技术实现要素：

8.为克服现有技术中减阻剂释放不稳定的不足，并进一步提高减阻剂的释放效率，以满足水下航行器的高速航行需求，本发明提出一种近壁面渗透的减阻剂释放装置。
9.本发明包括法兰座、主体、端盖、入口管道、多孔介质、压紧垫圈和出口管道；其中，所述的入口管道和出口管道各有一个，法兰座和端盖分别有两个；所述主体为中空的壳体，在该主体的两个侧表面分别有与入口管道和出口管道连通的开口，在该主体的上表面和下表面分别有端盖的安装口。所述各法兰座分别以过盈配合的方式套装在所述入口管道和出口管道上。法兰座与所述入口管道和出口管道分别固定在主体两侧的入口端面上和该主体的出口端面上，组成了主流的流动通道，并分别形成了该近壁面渗透的减阻剂释放装置的主流入口和主流出口。所述端盖分别安装在所述主体上表面的端盖安装口上与下表面的端盖安装口上。并在各端盖与各安装口之间分别安放有多孔介质和压紧垫圈。
10.所述入口管道和出口管道分别与该主体的结合面均有用于安放密封圈的密封槽，在各端盖与该主体的结合面亦均有用于安放密封圈的密封槽。
11.所述主体的外形为矩形。位于该主体上表面的端盖安装口和下表面的端盖安装口结构相同，均为矩形；各端盖安装口均贯通所述主体的上壳体和下壳体，可通过螺栓将端盖与主体固定。所述端盖安装口的内形与所述端盖上插块的外形相匹配，并使二者之间间隙配合。在各端盖安装口内表面的内端，有凸出的挡台，用于安放多孔介质。
12.所述端盖有两个，均为方形的块状。在各端盖上表面的几何中心均有用于安装减阻剂释放入口管道的凸台，在该凸台的结合中心有减阻剂释放入口；在各端盖下表面的几何中心有矩形的凹槽，并使所述减阻剂释放入口与该凹槽贯通，使凹槽成为混合腔。
13.各所述端盖的内表面为阶梯状，形成了与主体表面相嵌合的配合面。在各端盖外表面上分布有端盖安装孔。
14.所述混合腔的长度为80mm，宽度为40mm。所述凸台中心的减阻剂释放入口的孔径为20mm
15.所述多孔介质为矩形，外形尺寸与所述端盖下表面凹槽内腔的尺寸相同；厚度为5mm；该多孔介质的孔径为10μm。
16.本发明采用微米级无规则多层次的多孔介质实现减阻剂向近壁面高效渗透释放，使减阻率进一步提高。
17.与现有技术相比较，本发明取得的有益效果是：
18.本发明提出一种近壁面渗透的减阻剂释放装置，包括法兰座、法兰安装孔、主体、端盖、减阻剂释放入口、端盖安装孔、密封槽、入口管道、多孔介质、混合腔、压紧垫圈、出口管道。不仅能通过孔隙大小为微米级的多孔介质实现减阻剂在释放过程中缓释速率均匀且稳定，且能达到减阻剂高效释放的效果。为测试本发明中该装置取得的效果，本实施例采用一般管路系统进行测试，并与传统狭缝喷射装置实验结果进行对比。
19.试验中减阻剂为聚氧化乙烯，浓度为100ppm，渗透释放速率为3qs。管道主流速度在0.4～2m/s之间变化，试验室温25℃，水温23℃。两测压孔之间的距离为600mm，分别位于
距离所述主体3下游100mm和700mm位置。
20.实施例中的实验结果如图10～11所示，其中图10a和图10b分别为同工况下减阻剂采用狭缝喷射装置和本发明得到的压差稳定性实验结果。可以看出，狭缝喷射中流速为0.4m/s时压差波动最小，幅度为74.9pa，流速达到1.6m/s时压差波动达到最大值，为160.4pa。本实施例中流速为0.4m/s时压差波动最小，幅度为5.5pa，流速达到2m/s时压差波动达到最大值，为81.3pa。显然，相比狭缝喷射，采用本发明中的装置对减阻剂进行渗透释放压差波动更小，波动幅度最大减小49.3％，能得到更加稳定均匀的缓释速率，有利于持续稳定减阻。由于释放减阻剂的多孔介质9为固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成的微小空隙所构成的物质，其内的流体为渗流方式运动，当聚氧化乙烯减阻剂流经多孔介质9内部时，聚氧化乙烯减阻剂便以渗透的流动方式向管道下游流动，可实现减阻剂向管道内壁释放时流量均匀且稳定，从而相对狭缝喷射具有更小的压差波动。
21.图11为采用狭缝喷射和本发明得到的减阻率实验结果，可以看出，整体上本发明得到的减阻率比狭缝喷射线性度更高；当流速为0.4m/s时本发明得到的减阻率为14.7％，狭缝喷射时减阻率为12.4％；流速为2m/s时本发明得到的减阻率为64.9％，狭缝喷射时减阻率为47.8％。显然，相比狭缝喷射，采用本发明中的装置对减阻剂进行渗透释放时减阻效果进一步提升，减阻率最大提高35.6％。由于聚氧化乙烯减阻剂从减阻剂释放入口5释放到管道内部时主要分布在管道的上下壁面处，可抑制近壁面处湍流脉动带来的能量损失，从而发挥减阻剂的减阻效果，使本实施例相比狭缝喷射减阻率得到进一步提高。
22.本发明提出一种近壁面渗透的减阻剂释放装置，采用微米级无规则多层次的多孔介质实现减阻剂向近壁面高效渗透释放，不仅实现减阻剂在释放过程中缓释速率维持均匀且稳定，且相比狭缝喷射方式减阻率得到进一步提升，达到减阻剂高效释放的效果。
附图说明
23.图1为本发明的外形示意图。
24.图2为本发明的爆炸视图。
25.图3为图1中沿a-a平面半剖的立体视图。
26.图4为图1中沿a-a平面的剖视图。
27.图5为图1中沿b-b平面的剖视图。
28.图6为主体3的结构图。
29.图7为端盖4的结构图。
30.图8为法兰1和入口管道8的结构图。
31.图9为多孔介质9的结构图。
32.图10为同工况下采用狭缝喷射装置和本发明得到的压力稳定性实验结果；其中，图10a是采用狭缝喷射装置得到的压力稳定性实验曲线，图10b是本发明的得到的压力稳定性曲线。
33.图11为同工况下采用狭缝喷射装置和本发明得到的减阻率实验结果。
34.图中：1.法兰座；2.法兰安装孔；3.主体；4.端盖；5.减阻剂释放入口；6.端盖安装孔；7.密封槽；8.入口管道；9.多孔介质；10.混合腔；11.压紧垫圈；12.出口管道；13.狭缝喷射装置得到的压力稳定性曲线；14.本发明得到的压力稳定性曲线；15.本发明得到的减阻
率曲线；16.狭缝喷射装置得到的减阻率曲线。
具体实施方式
35.本实施例包括法兰座1、主体3、端盖4、入口管道8、多孔介质9、压紧垫圈11、出口管道12；其中，所述的入口管道8和出口管道12各有一个，法兰座1和端盖4分别有两个；所述主体为中空的壳体，在该主体的两个侧表面分别有与入口管道8和出口管道12连通的开口，在该主体的上表面和下表面分别有端盖4的安装口。
36.所述各法兰座分别套装在所述入口管道8和出口管道12上并使二者之间过盈配合。通过螺栓将法兰座与所述入口管道8和出口管道12分别固定在主体3两侧的入口端面上和该主体的出口端面上，组成了主流的流动通道，并分别形成了该近壁面渗透的减阻剂释放装置的主流入口和主流出口。所述端盖4分别安装在所述主体3上表面的端盖安装口上与下表面的端盖安装口上，并在各端盖与各安装口之间分别安放有多孔介质9和压紧垫圈11。
37.所述入口管道8和出口管道12分别与该主体3的结合面均有用于安放密封圈的密封槽7，在各端盖4与该主体3的结合面亦均有用于安放密封圈的密封槽7。
38.所述主体3的外形为矩形。位于该主体上表面的端盖安装口和下表面的端盖安装口结构相同，均为矩形；各端盖安装口均贯通所述主体的上壳体和下壳体，可通过螺栓将端盖4与主体3固定。所述端盖安装口的内形与所述端盖4上插块的外形相匹配，并使二者之间间隙配合。在各端盖安装口内表面的内端，有凸出的挡台，用于安放多孔介质9。
39.本实施例中，主体3的外围尺寸为长100mm，宽120mm，高60mm；主体3的上下两表面的矩形方孔尺寸相同，为长80mm，宽40mm，高20mm；主体3的上下表面有四个用于固定端盖4的通孔，孔径为8mm，通孔长度为60mm；主体3的两侧表面的管道入口和管道出口横截面尺寸相同，为长60mm，宽20mm；主体3的两侧表面有用于安装法兰座1的螺纹盲孔，孔径为10mm，孔深为15mm；主体3的上下表面、两侧表面都开有密封槽，分别用于上端盖、下端盖、入口管道8和出口管道12分别与所述主体的密封。
40.所述端盖4有两个，均为方形的块状。在各端盖上表面的几何中心均有用于安装减阻剂释放入口管道的凸台，在该凸台的结合中心有减阻剂释放入口5，在各端盖下表面的几何中心有矩形的凹槽，并使所述减阻剂释放入口与该凹槽贯通，使凹槽成为混合腔10。各所述端盖的内表面为阶梯状，形成了与主体3表面相嵌合的配合面。在各端盖外表面上分布有端盖安装孔6。
41.本实施例中，各端盖上表面几何中心的凸台为正方形，尺寸为30mm
×
30mm；凸台中心的减阻剂释放入口5为通孔，直径20mm，孔深20mm；各端盖上有螺纹通孔的方形块状尺寸为长120mm，宽60mm，高20mm；所述螺纹通孔孔径为8mm，孔深20mm；各端盖下表面几何中心的矩形凹槽外围尺寸为长80mm，宽40mm，壁厚10mm。
42.所述多孔介质9为微米级无规则多层次泡沫铜材质，其外观为矩形板状，外形尺寸与所述端盖下表面凹槽内腔的尺寸相同。如图9所示，多孔介质9外形尺寸为长80mm，宽40mm，厚5mm，其骨架结构为圆形微孔，孔隙大小为10微米。
43.所述压紧垫圈11为框形，其外形尺寸与所述端盖下表面凹槽内腔的尺寸相同，其边框的宽度为10mm。
44.本实施例中该装置的具体工作过程如下：聚氧化乙烯减阻剂通过与减阻剂释放入
口5相连的管道分别流入端盖上下两侧的混合腔10内，在混合腔10内实现减阻剂的预混合，然后经过多孔介质9的层层渗透，在到达管道上下壁面前达到充分混合，以流量均匀且稳定的渗透方式流向管道的上下壁面处，并沿主流方向向下游扩散，实现减阻剂在管道内的减阻。

技术特征：

1.一种近壁面渗透的减阻剂释放装置，其特征在于，包括法兰座(1)、主体(3)、端盖(4)、入口管道(8)、多孔介质(9)、压紧垫圈(11)和出口管道(12)；其中，所述法兰座和端盖分别有两个；所述主体为中空的壳体，在该主体的两个侧表面分别有与入口管道和出口管道连接的开口；在该主体的上表面和下表面分别有端盖的安装口；所述各法兰座分别以过盈配合的方式套装在所述入口管道(8)和出口管道(12)上；法兰座与所述入口管道和出口管道分别固定在主体两侧的入口端面上和该主体的出口端面上，组成了主流的流动通道，并分别形成了该近壁面渗透的减阻剂释放装置的主流入口和主流出口；所述两个端盖(4)分别安装在所述主体(3)上表面的端盖安装口上与下表面的端盖安装口上；并在各端盖与各安装口之间分别安放有多孔介质(9)和压紧垫圈(11)。2.如权利要求1所述近壁面渗透的减阻剂释放装置，其特征在于，所述入口管道(8)与该主体(3)贴合的表面和出口管道(12)与该主体贴合的表面分别有用于安放密封圈的密封槽(7)，在各端盖(4)与该主体的贴合的表面亦均有用于安放密封圈的密封槽。3.如权利要求1所述近壁面渗透的减阻剂释放装置，其特征在于，所述主体(3)上表面的端盖安装口和下表面的端盖安装口结构相同，均为矩形；各端盖安装口均贯通所述主体的上壳体和下壳体；所述端盖安装口的内形与该端盖(4)上插块的外形相匹配，并使二者之间间隙配合；在各端盖安装口内表面的内端，有凸出的挡台，用于安放多孔介质(9)。4.如权利要求1所述近壁面渗透的减阻剂释放装置，其特征在于，各所述端盖(4)外表面的几何中心均有用于安装减阻剂释放入口管道的凸台，在该凸台的结合中心有减阻剂释放入口(5)；在各端盖下表面的几何中心有矩形的凹槽，并使所述减阻剂释放入口与该凹槽贯通，使凹槽成为混合腔(10)；各所述端盖的内表面为阶梯状，形成了与主体(3)表面相嵌合的配合面；在各端盖外表面上分布有端盖安装孔(6)。5.如权利要求4所述近壁面渗透的减阻剂释放装置，其特征在于，所述混合腔(10)的长度为80mm，宽度为40mm；所述凸台中心的减阻剂释放入口(5)的孔径为20mm。6.如权利要求1所述近壁面渗透的减阻剂释放装置，其特征在于，所述多孔介质(9)为矩形，外形尺寸与所述端盖下表面凹槽内腔的尺寸相同；厚度为5mm；该多孔介质的孔径为10μm。

技术总结

一种近壁面渗透的减阻剂释放装置，主体的两个侧表面分别与入口管道和出口管道贯通，组成了主流的流动通道，并分别形成了该近壁面渗透的减阻剂释放装置的主流入口和主流出口。端盖分别安装在主体上表面和下表面，并在各端盖与主题的配合面之间分别安放有多孔介质和压紧垫圈。在各端盖下表面的几何中心有矩形的凹槽，并使所述减阻剂释放入口与该凹槽贯通，使凹槽成为混合腔。各端盖上有减阻剂释放入口。本发明通过多孔介质实现减阻剂向近壁面高效渗透释放，不仅使现减阻剂在释放过程中缓释速率维持均匀且稳定，且相比狭缝喷射方式减阻率得到进一步提升，达到减阻剂高效释放的效果。达到减阻剂高效释放的效果。达到减阻剂高效释放的效果。