一种具有减阻效果的表面微结构尺寸参数的优化设计方法与流程

本发明涉及一种表面改性技术设计方法，尤其涉及一种具有减阻效果的表面微结构尺寸参数的优化设计方法。

背景技术：

自然界中，滚动水滴的荷叶，凝集露珠的蝉翼，穿梭如飞的鲨鱼，这些现象像我们展示了一种奇特的表面浸润现象。这种独特浸润性的表面与水的接触角大于150°，滚动角小于10°，被称为超疏水表面。大量研究表明，超疏水表面具有良好的减阻效果，可以运用于海上运输、医疗器械、管道运输等行业。例如，在船舶、潜艇上运用超疏水技术，可以有效提高航行器的行驶速度，降低能源的使用；在机械心脏瓣膜和人工心血管支架上制备超疏水表面，可以避免凝血现象的产生，减少抗凝药物的使用，既避免了药物对人体的损害又减少了生产药物对自然的污染；在输油管道内构建超疏水微结构，可以提高石油的运输效率，减小泵站的功率和运输过程中能量的损耗，节省能源。因此使用超疏水技术能有效地降低能源的消耗，减少对环境的污染，非常贴合绿色生产的理念。

目前，超疏水减阻表面的优化设计一般是通过先实验制备样品再测试减阻性能然后修改参数继续实验制备的方式。这种优化设计方法周期长、成本高、且不能保证寻找到最优参数区间，不适合产品的研发设计。采用fluent数值模拟的方式去模拟微结构表面的流场分布情况，可以清晰明了的观察表面的减阻效果，并且可以通过详细的数值来表示不同微结构表面的减阻率。通过改变微结构表面的尺寸进行计算求解，可以快速的找到最佳参数区间，有效缩短了优化设计的时间和成本，适合企业的产品研发。

目前中国专利申请号为cn200910264029.x的专利公开了基于流体边界控制的超疏水表面流体滑移定量测量方法，首先将制备出超疏水表面装夹于流变测试平台上进行流变测试操作,并在同样的测试条件下对光滑疏水表面上的流体进行流变测试操作,获取两种情况下流体处于相同剪切速率时施加在夹具上的扭矩,并根据测量扭矩计算出滑移长度，依次作为衡量减阻效果的方法。申请号cn201110396837.9的专利公开了一种减阻超疏水涂层及其制备方法，用制备出的超疏水表面在水槽中滑行，计算其滑行所需时间，以此来判定表面的减阻效果。申请号为cn201510854390.3的专利公开了一种长效减阻涂层制备及其运用，对比分析不同流体速度，不同工艺参数所得超疏水表面的减阻率，寻找最优工艺参数。例如申请号为cn201610256387.6的专利公开了一种仿生超疏水表面制备及减阻的方法，将铜球经过腐蚀和修饰制备出超疏水表面，再使用高清相机拍摄超疏水表面入水后的超空泡现象来展现其减阻效果，并以此作为优化设计方法的标准。申请号为cn201810358024.2的专利公开了一种表面沟槽结构的壁湍流阻力测试方法，制备多个试样，通过带有力传感器的物体驱动安装有试样的滑块，高速相机和力传感器记录滑块上升过程中的牵引力数值，获得牵引力与时间的变化曲线，测试其减阻效果。

上述几种方法均能通过不断地实验优化微结构参数得到减阻效果较好的表面，但也存在一定问题，例如制备时间长，成本太高，优化工艺参数效率低等。因此，寻找出方法简单，成本低，效率高的超疏水微结构表面的优化设计方法显得尤为重要。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种具有减阻效果的表面微结构尺寸参数的优化设计方法可有效解决超疏水减阻表面微结构优化设计周期长、成本高、工艺路线复杂、难以获得最优参数区间的缺点。

为实现以上技术目的,本发明的技术方案是:一种具有减阻效果的表面微结构尺寸参数的优化设计方法，该方法由以下步骤组成：

(1)建立模型：采用icem、cad和caxa软件建立微结构表面上的流体模型，将微结构的尺寸参数映衬到流体模型中；

(2)网格划分：在ansys的icem模块中打开步骤(1)所建立的微结构表面上的流体模型并进行网格划分，得到mesh文件；

(3)求解运算：在fluent模块打开步骤(2)所得mesh文件，选择计算模型和施加边界条件后，经计算求解得到case文件；

(4)导出数据：将步骤(3)所得case文件进行后处理操作，输出关键点处的速度和压力来反应减阻效果的数据；

(5)优化参数：对步骤(4)所得数据进行分析，对比多组数据，获得微结构表面减阻的规律，优化模型参数，继续求解，直至找出最优参数区间。

作为优选，所述步骤(1)中建立模型是使用cad、caxa、icem绘图软件构建微结构表面的流体模型，微结构尺寸可在模型中进行调整。

作为优选，所述步骤(2)网格划分需定义模型的出入口和壁面部分，对模型进行块的建立与划分，每个微结构需要划分为一个独立的块，在近壁面对网格进行加密处理，设置网格疏密spacing为0.0001，生长率ratio为1.2，确保输出高质量的网格,保证计算的精确性，输出的mesh文件类型选择2d。

作为优选，所述步骤(3)求解运算所使用的计算模型为vof模型，针对不同流体状态可选择层流laminar/湍流k-ε，采用速度入口与压力出口，在adapt中生成两个寄存器，初始化定义寄存器1微结构内水的体积为0，寄存器2其他流体部分水的体积为1。

作为优选，所述步骤(4)的数据处理方式为选取关键的点处的速度、压力等作为数据输出的对象，压力参数选择报告选项中的面积分，类型选择为面加权平均值，选择模型中间四分之一段的左右两条线为压力输出对象，对比光滑表面与微结构表面的压差值，并采用(δp光-δp微)/δp光计算得到减阻率。。

作为优选，所述步骤(5)的优化参数方法为通过对比数个案例的减阻率、压力云图和速度云图，对模型参数进行优化，通过优化求解的多次循环，得到最优参数区间。

作为优选，该方法可运用于航运、管道运输领域的减阻表面的研发设计过程。

以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

(1)优化设计周期短。不通过传统的制备样品-测试性能-修改工艺参数-制备样品-性能测试的方式来优化工艺参数，采用数值模拟的方式，求得表面的减阻率，分析数据后进行优化，大大缩短了优化设计的周期。

(2)成本低廉。不需要传统优化设计所用的制备超疏水表面的设备和检测装置、只需要一台电脑设备即可准确地计算出减阻效果，继而优化出最佳工艺参数，成本非常低廉。

(3)绿色节能环保。不产生任何制备超疏水表面形成的污染物，电脑消耗的能源远低于其他制备与检测装置消耗的能源，符合绿色设计的原则。

(4)适用于工厂的研发设计。因其具有周期短、成本低、绿色环保的特点，在工厂的研发设计中具有极大的优势。

附图说明

图1：优化设计的流程图。

图2：实施例微结构表面模型示意图。

图3：实施例周期间距a为1.25模型的初始相位云图。

图4：实施例光滑表面的两测量线上压力数值图。

图5：实施例周期间距a为1.25模型的两测量线上压力数值图。

图6：实施例微结构表面减阻率随周期间距a变化图。

图7：实施例微结构表面减阻率随周期间距a变化图。

具体实施方式

(1)建立模型：使用icem软件构建二维微结构表面的流体模型，先建立原点，再依次以原点为参考点建立节点，整体尺寸为长为2mm，宽为0.5mm，微结构尺寸为凹槽宽a＝50μm，凸起宽b＝40μm,凹槽深h＝25μm。

(2)网格划分：定义模型的左端为入口、右端为出口，其他为壁面，对模型进行块的建立与划分，保证每个微结构作为一个独立的块，划分块之后将划分的块与各个部分进行关联，关联完成后设置微结构处的网格类型为o型网格，在近壁面对网格进行加密处理，设置网格疏密spacing为0.0001，生长率ratio为1.2，确保计算的精确性，生成mesh文件，输出mesh文件时选择类型为2d；

(3)求解运算：计算求解所使用的计算模型为层流laminar和vof模型，材料设置中添加液态水，相位设置中air为第一相，water-liquid为第二相，边界条件采用速度入口与压力出。初始化时在adapt中生成两个寄存器，定义寄存器1微结构内水的体积为0，寄存器2其他流体部分水的体积为1，monitors中计算收敛精度调整为0.00001，运行计算直至残差曲线收敛，保存case&data文件；

(4)数据处理：点开graphicsandanimations选项，在contours和vectors中查看保存速度、压力云图以及速度矢量图，在surface选项中设置气液交界面以及模型中间四分之一部分的左右两条线作为数据输出的对象，在plots中用xyplot方式输出交界面速度等参数，在reports选项中选择surfaceintergal，类型是面加权平均值，输出压力为总压力，得到两条线上的加权平均压力值，两值相减可获得压差值为44.59778，光滑表面上相同位置的压差值为49.9806，计算得减阻率为9.35％；

(5)优化参数：通过观察本案例的减阻率、压力云图、速度云图等，对模型参数进行优化，设定下组微结构尺寸为凹槽宽a＝50μm，凸起宽b＝34μm,凹槽深h＝25μm，求解得到减阻率为11.72％；继续改变微结构尺寸为凹槽宽a＝50μm，凸起宽b＝25μm,凹槽深h＝25μm，求解得到减阻率为25.61％；微结构尺寸为凹槽宽a＝50μm，凸起宽b＝10μm,凹槽深h＝25μm，求解得到减阻率为35.7％。

本实施例微结构表面模型示意图如图2所示，本实施例微结构表面减阻率随周期间距变化图如图7所示。

通过本实施例可以得到减阻规律，当气液界面占总接触面比例升高时，减阻率不断提高，当凹槽宽与凸起宽的比值即周期间距a为5:1时，减阻效果非常明显达到35.7％，因此在实际生产中需控制周期间距a为5:1以上，可以获得具有良好减阻效果的微结构表面。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。