一种亲疏水相间气膜形态的控制装置及方法

1.本发明属于水下减阻技术领域，具体涉及一种亲疏水相间气膜形态的控制装置及方法。


背景技术：

2.针对管道流和水下航行体、水面舰船的壁面摩阻的减阻技术主要有脊状表面减阻、微气泡减阻、疏水/超疏水表面减阻、柔顺壁面减阻和壁面振动减阻等减阻技术。其中，超疏水表面减阻技术由于超疏水表面易于构造、成本较低、易应用于实船等原因有着广阔的应用前景，其原理是在壁面上构造粗糙的低表面能表面使其具有疏水、亲气的特性，在水下可以吸附一层覆盖于整个表面的气膜，进而在表面形成速度滑移、降低壁面附近的湍动能，从而减小壁面摩阻。因此，相对于其它针对壁面摩阻的减阻技术，超疏水表面减阻无需额外的能量输入、物质输入，不需要构造复杂的壁面结构，也不涉及多种材料复合的构造。
3.超疏水表面气膜形态的稳定性是超疏水表面气膜实现有效减阻且稳定维持的前提。然而，超疏水表面的气膜在水压、流体剪切、溶解扩散以及压力波动等因素会发生破坏，从而失去减阻作用甚至由于表面较大的粗糙度产生增阻作用，为此需提高超疏水表面的稳定性。其中一个方案是构造亲疏水相间表面，即利用三相接触线束缚超疏水表面的气膜。为了扩大亲疏水相间表面应用的流速范围、延长气膜维持的时间，在流速较高、气膜受水流剪切有破坏的趋势时，采用人工通气的方法，向亲疏水相间表面注入微量气体，补充亲疏水相间表面的气膜。
4.目前，向超疏水表面人工通气的方法多为微孔阵列或狭缝通气，由于加工工艺的限制，微孔或狭缝的尺寸多为毫米级。由于微孔的大小难以保持一致，狭缝的宽度在展向上难以保持一致，加之沿流向的压差的影响以及表面张力的作用，在较小的通气量下，气体容易集中在某一点流出，难以对整个平面均匀补气，并易对流场造成扰动；另外，在水下航行体与水面船舶领域，过大的通气量不仅增加气膜的厚度，影响气膜的稳定性，还会使气泡在航行体或船体的尾部大量聚集，在尾部形成低压区，从而增加额外的压差阻力。为此，需要一种能调控气膜状态的控制系统，以调节气体补充装置的通气量以及通气时间。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题：
6.为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种亲疏水相间气膜形态的控制装置及方法，采用微量补气装置和控制方法的结合，解决了现有技术中难以对整个平面均匀补气、对流场产生扰动的问题，能够按照需要及时调整通气量以及通气时间。
7.本发明的技术方案是：一种亲疏水相间气膜形态的控制装置，包括补气模块、控制模块和传感器模块；
8.通过所述补气模块向位于其下游的亲疏水相间表面补气；
9.通过所述传感器模块获取亲疏水相间表面的摩擦力及压力场；
10.所述控制模块接收到传感器模块的传输信息后进行分析，向补气模块输出补气量控制指令，实现对亲疏水相间表面气膜气量的实时调控。
11.本发明的进一步技术方案是：所述补气模块包括气源、通气腔和选择性通气板，所述气源通过气动软管与通气腔联通，按照控制模块的指令向通气腔内通气；
12.所述通气腔为底端开口的中空腔体结构，其开口朝向水面侧；
13.所述选择性通气板密封安装于通气腔的开口端，其外端面与水面接触，并位于亲疏水相间表面的上游，通过间隔通气的表面结构，调控亲疏水相间表面的气膜形态。
14.本发明的进一步技术方案是：所述选择性通气板采用泡沫金属板制备而成，其外端面交错平行设置有通气条带和光滑条带，所述通气条带能够通过气体，与亲疏水相间表面的疏水部分对接，补充疏水部分附着的气膜，调控气膜的形态；所述光滑条带不能通过气体，与亲疏水相间表面的亲水部分对接，避免流出的气体对流场的干扰。
15.本发明的进一步技术方案是：所述选择性通气板的制作步骤如下：
16.步骤一，制作通气条带：用电火花线切割在泡沫金属板上切出与亲疏水相间表面的疏水条带等宽、等间距的通气条带；
17.步骤二，疏水处理：在对加工过的泡沫金属板用丙酮、酒精和去离子水进行超声波清洗后热风烘干，并用低表面能物质对金属板进行疏水处理；
18.步骤三，制作光滑条带：使用车削、铣削或者磨削的方法，去除通气条带两侧的材料，得到与通气条带共面等高的光滑条带，光滑条带与亲疏水相间平面的亲水条带等宽、等间距；
19.步骤四，加工台阶：利用数控铣床在泡沫金属板上加工台阶特征，并对侧边进行切削加工，用于后续的安装与密封。
20.本发明的进一步技术方案是：所述选择性通气板的基体为过滤精度为1μm到100μm，厚度为1mm到5mm的泡沫金属板；所述选择性通气板的通气条带、光滑条带的尺寸与亲疏水相间平面的疏水部分、亲水部分对应相等，为1mm到5mm；且光滑条带和通气条带共面。
21.本发明的进一步技术方案是：所述选择性通气板通气条带的静态接触角大于150
°
且疏松多孔；所述光滑条带的静态接触角小于90
°
且表面光滑。
22.本发明的进一步技术方案是：所述气源包括气缸、丝杠滑台和步进电机；所述气缸与丝杠滑台的滑台固定连接；所述步进电机安装于丝杠的输入端；通步进电机驱动丝杠转动，进而通过滑台推动气缸，通过所述气动软管向通气腔输出气体；
23.或者，所述气源包括空气压缩机、压力计、气体质量流量计，所述空气压缩机通过气动软管向通气腔通入气体，并在连接管路上设置有压力计和气体质量流量计，分别用于测量通气压力和流量。
24.本发明的进一步技术方案是：所述传感器模块包括壁面摩擦力传感器和压力传感器，分别用于获取壁面的摩擦力和动态的压力场数据。
25.本发明的进一步技术方案是：所述控制模块数据采集卡、处理器和驱动器，所述采集卡用于收集传感器模块所获取的数据；所述处理器使数据线与采集卡通信，采集壁面的摩擦力分布以及压力场信息，通过内置的程序判定壁面的气膜状态，再根据壁面的气膜状态通过驱动器调节气源的通气量及通气时间。
26.一种亲疏水相间气膜形态的控制方法，其特征在于具体步骤如下：
27.步骤1：在设置有补气模块的表面上安装壁面摩擦力传感器和压力传感器，以采集壁面的摩擦力和动态的压力场数据；
28.步骤2：将已知气膜形态分为气膜型、气层型和破坏型三类，并获得各气膜类型对应的壁面摩擦力大小及压力场分布数据；
29.步骤3：使用g语言编程，得到气膜形态识别程序；
30.在同等流速下气膜型气膜和气泡型气膜的壁面摩擦力至少比破坏型气膜的壁面摩擦力低10％，若测得的摩擦力比通过步骤二得到的数据库中的破坏型气膜对应摩擦力低10％以上，则气膜形态为气膜型气膜或气泡型气膜，此时需继续进行判别；反之，则为破坏型气膜，需增大10％的通气量；若判断当前气膜形态为气膜型气膜或气泡型气膜，再根据而气泡型气膜相比于气膜型气膜在局部拥有均一的压力分布，若此时各压力传感器测得的各点压力的差值大于数据库中气泡型气膜的压力场的差值，判断此时气膜形态为气膜型气膜，则保持当前通气量不变；反之当前气膜形态为气泡型气膜，需减小5％的通气量；
31.通过此模型得到气膜形态识别程序，并将其植入所述处理器；
32.步骤4：当所述处理器判断当前气膜形态为气膜型时，保持气源输送速度，通气量不变；当所述处理器判断当前气膜形态为气泡型时，降低气源输送速度，减少通气量；当所述处理器判断当前气膜形态为破坏型时提高气源输送速度，增大通气量，即完成对亲疏水相间表气膜形态的稳定调控。
33.所述气膜型气膜即疏水部分处于cassie状态时的气膜，疏水表面附着的气膜厚度与疏水表面的微结构相当；所述气泡型气膜即疏水表面附着的厚度超过疏水表面微结构高度的气膜；所述破坏型气膜即疏水部分处于wenzel状态，液体进入微结构内部，疏水表面基本没有气体或残留少量气体。
34.有益效果
35.本发明的有益效果在于：
36.1.本发明可以通过壁面摩擦力传感器和压力传感器感知亲疏水相间表面的摩擦力及压力场，经过处理器分析得到亲疏水相间表面气膜的实时状态，并根据气膜的状态调整通气量，对气膜形态进行调控，避免通气量不足或过大所带来的气膜脱落和振荡现象，从而使亲疏水相间表面的气膜形态保持稳定，使其持续发挥其减阻作用。
37.2.由于泡沫金属材料疏松多孔的性质，与狭缝通气或微孔阵列通气相比，数量众多且内部彼此贯通的微孔可以为气体提供更多的通气点，从而减小沿流向的压差的影响以及表面张力的作用，使得通气时气体可以从通气腔均匀地进入选择性通气板的各个通气条纹的表面，再流入亲疏水相间表面的气膜，减少通气对流场的扰动。
38.3.选择性通气板可以选择性地对亲疏水相间表面上的疏水表面部分处附着的气膜通气，因此减少了气体的消耗量，从而对航行体携带的气体进行合理有效的利用，提高了经济实用性。另一方面，选择性通气板可以避免气泡进入亲疏水相间表面的亲水条纹部分，从而避免了气泡对亲水条纹附近流场的干扰。
附图说明
39.图1为基于微量补气的亲疏水相间表面气膜形态的控制装置的侧视图。
40.图2为基于微量补气的亲疏水相间表面气膜形态的控制装置的正视图。
41.图3为处理器内置的处理程序的程序框图。
42.图4为选择性通气板的制作步骤示意图，其中：图(a)为泡沫金属板基体；图(b)为经过步骤一处理过的泡沫金属板，通气条带的宽度为s，光滑条带的宽度为l；图(c)为经过步骤三处理过的泡沫金属板。
43.图5为亲疏水相间表面气膜形态的分类，其中：图(a)为气膜型气膜；图(b)为气泡型气膜；图(c)为破坏型气膜。
44.图6为应用于矩形水槽实验的亲疏水相间表面气膜形态的控制装置的示意图。
45.图7为应用于矩形水槽实验的局部示意图一。
46.图8为应用于矩形水槽实验的局部示意图二。
47.图9为应用于矩形水槽实验的选择性通气板示意图。
48.附图标记说明：1-管壁或船体；2-气动软管；3-通气腔；4-选择性通气板；41-通气板下表面；42-通气条带；43-光滑条带；5-气膜；6-亲疏水相间表面；61-疏水条带；62-亲水条带；7-水流；8-测压孔；9-壁面摩擦力传感器；10-压力传感器；11-采集卡；12-处理器；13-驱动器；14-步进电机；15-丝杠；16-气缸；17-水箱；18-水泵；19-溢流管；20-空气压缩机；21-压力计；22-气体质量流量计；23-计算机；24-电动球阀；25-流量计；26-蓄水池；27-实验段；28-发展段；29-数据采集卡；30-编码器采集卡；31-盖板；32-法兰；33-流道。
具体实施方式
49.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
51.本实施例提供一种亲疏水相间气膜形态的装置及控制方法，采用微量补气装置和控制方法的结合，解决了现有技术中难以对整个平面均匀补气、对流场产生扰动的问题，能够按照需要及时调整通气量以及通气时间。
52.实施例1：
53.参照图1所示，本实施例一种亲疏水相间气膜形态的装置包括补气模块、控制模块和传感器模块；通过所述补气模块向位于其下游的亲疏水相间表面补气；通过所述传感器模块获取亲疏水相间表面的摩擦力及压力场；所述控制模块接收到传感器模块的传输信息后进行分析，向补气模块输出补气量控制指令，实现对亲疏水相间表面气膜气量的实时调控。
54.所述传感器模块包括壁面摩擦力传感器和压力传感器，分别用于获取壁面的摩擦力和动态的压力场数据。
55.所述补气模块包括气源、通气腔3和选择性通气板4，所述气源通过气动软管2与通气腔联通，按照控制模块的指令向通气腔3内通气；所述通气腔3为底端开口的中空腔体结构，其开口端朝向水面侧；所述选择性通气板4密封安装于通气腔3的开口端，其外端面与水
面接触，并位于亲疏水相间表面6的上游，通过间隔通气的表面结构，调控亲疏水相间表面6的气膜形态。
56.所述气源包括气缸16、丝杠滑台和步进电机14；所述气缸16与丝杠滑台的滑台固定连接；所述步进电机14安装于丝杠15的输入端；通步进电机14驱动丝杠15转动，进而通过滑台推动气缸16，通过气动软管2向通气腔3输出气体。
57.所述选择性通气板4采用泡沫金属板制备而成，其外端面(即通气板下表面41)交错平行设置有通气条带42和光滑条带43，所述通气条带42能够通过气体，与亲疏水相间表面6的疏水部分对接，补充疏水部分附着的气膜，调控气膜的形态；所述光滑条带43不能通过气体，与亲疏水相间表面6的亲水部分对接，避免流出的气体对流场的干扰。从而实现对亲疏水相间表面进行选择性地通气。
58.所述控制模块数据采集卡11、处理器12和驱动器13，所述采集卡11用于收集传感器模块所获取的数据；所述处理器12使用usb-can数据线与采集卡通信，采集壁面的摩擦力分布以及压力场信息，通过内置的程序判定壁面的气膜状态，再根据壁面的气膜状态通过驱动器调节步进电机的转速，调节气缸的通气量及通气时间。
59.所述选择性通气板4的制作步骤如下：
60.步骤一，制作通气条带：用电火花线切割在泡沫金属板上切出与亲疏水相间表面的疏水条带等宽、等间距的通气条带；
61.步骤二，疏水处理：在对加工过的泡沫金属板用丙酮、酒精和去离子水进行超声波清洗后热风烘干，并用低表面能物质对金属板进行疏水处理；
62.步骤三，制作光滑条带：使用车削、铣削或者磨削的方法，去除通气条带两侧的材料，得到与通气条带共面等高的光滑条带，光滑条带与亲疏水相间平面的亲水条带等宽、等间距；
63.步骤四，加工台阶：利用数控铣床在泡沫金属板上加工台阶特征，并对侧边进行切削加工，用于后续的安装与密封。
64.根据研究，过滤精度较小(如50μm)的泡沫金属板在经过诸如车、铣、刨、磨的高速切削加工后，由于高速切削的高温及挤压作用从而形成表面变形层，表面的微孔被堵塞，从而失去通气能力。
65.优选的，所述选择性通气板的基体为过滤精度为1μm到100μm，厚度为1mm到5mm的泡沫金属板；所述选择性通气板的通气条带、光滑条带的尺寸与亲疏水相间平面的疏水部分、亲水部分对应相等，为1mm到5mm；且光滑条带和通气条带共面。
66.优选的，所述选择性通气板通气条带的静态接触角大于150
°
且疏松多孔；所述光滑条带的静态接触角小于90
°
且表面光滑。
67.参照图4所示，一种亲疏水相间气膜形态的控制方法具体步骤如下：
68.步骤1：在设置有补气模块的表面上安装壁面摩擦力传感器和压力传感器，以采集壁面的摩擦力和动态的压力场数据；
69.步骤2：将已知气膜形态分为气膜型、气层型和破坏型三类，并获得各气膜类型对应的壁面摩擦力大小及压力场分布数据；
70.步骤3：使用g语言编程，得到气膜形态识别程序；如图3所示，
71.在同等流速下气膜型气膜和气泡型气膜的壁面摩擦力至少比破坏型气膜的壁面
摩擦力低10％，若测得的摩擦力比通过步骤二得到的数据库中的破坏型气膜对应摩擦力低10％以上，则气膜形态为气膜型气膜或气泡型气膜，此时需继续进行判别；反之，则为破坏型气膜，需增大10％的通气量；若判断当前气膜形态为气膜型气膜或气泡型气膜，再根据而气泡型气膜相比于气膜型气膜在局部拥有均一的压力分布，若此时各压力传感器测得的各点压力的差值大于数据库中气泡型气膜的压力场的差值，判断此时气膜形态为气膜型气膜，则保持当前通气量不变；反之当前气膜形态为气泡型气膜，需减小5％的通气量；
72.通过此模型得到气膜形态识别程序，并将其植入所述处理器；
73.步骤4：当所述处理器判断当前气膜形态为气膜型时，保持气源输送速度，通气量不变；当所述处理器判断当前气膜形态为气泡型时，降低气源输送速度，减少通气量；当所述处理器判断当前气膜形态为破坏型时提高气源输送速度，增大通气量，即完成对亲疏水相间表气膜形态的稳定调控。
74.参照图5所示，所述气膜型气膜即疏水部分处于cassie状态时的气膜，疏水表面附着的气膜厚度与疏水表面的微结构相当；所述气泡型气膜即疏水表面附着的厚度超过疏水表面微结构高度的气膜；所述破坏型气膜即疏水部分处于wenzel状态，液体进入微结构内部，疏水表面基本没有气体或残留少量气体。
75.本发明可以通壁面摩擦力传感器和压力传感器感知亲疏水相间表面的摩擦力及压力场，经过处理器分析得到亲疏水相间表面气膜的实时状态，并根据气膜的状态调整通气量，对气膜形态进行调控，避免通气量不足或过大所带来的气膜脱落和振荡现象，从而使亲疏水相间表面的气膜形态保持稳定，使其持续发挥其减阻作用。
76.由于泡沫金属材料疏松多孔的性质，与狭缝通气或微孔阵列通气相比，数量众多且内部彼此贯通的微孔可以为气体提供更多的通气点，从而减小沿流向的压差的影响以及表面张力的作用，使得通气时气体可以从通气腔均匀地进入选择性通气板的各个通气条纹的表面，再流入亲疏水相间表面的气膜，减少通气对流场的扰动。
77.选择性通气板可以选择性地对亲疏水相间表面上的疏水表面部分处附着的气膜通气，因此减少了气体的消耗量，从而对航行体携带的气体进行合理有效的利用，提高了经济实用性。另一方面，选择性通气板可以避免气泡进入亲疏水相间表面的亲水条纹部分，从而避免了气泡对亲水条纹附近流场的干扰。
78.实施例2：
79.本实例是一种应用于矩形水槽实验的亲疏水相间表面气膜形态的控制装置。
80.参照图6所示，本实例一种亲疏水相间气膜形态的装置由通气腔3、选择性通气板4、空气压缩机20、气体质量流量计22、计算器23(作用同处理器)、编码器采集卡30、数据采集卡29、水槽实验段27、盖板31、基于浮动单元法的mems壁面摩擦力传感器9、应变片式微型压力传感器10组成。
81.参照图7、8所示，矩形水槽的实验段27的上端面设有开口，通过盖板31封装，盖板31上开有测压孔。其中实验段27与发展段28、电动球阀24之间均采用法兰32联通。
82.其中，水槽实验段27为溢流式水箱17的一部分，由水泵将蓄水池26中的水泵至水箱17，再通过电磁阀控制流速；测压孔通过气动软管接压力传感器10，压力传感器10与壁面摩擦力传感器9的信号通过采集传递给计算器23，经过计算，通过上位机控制气体质量流量计22，从而调节出气量。空气压缩机20输出的气体依次通过通气腔3、选择性通气板4输入下
游的亲疏水相间表面的气膜，实现对亲疏水相间表面气膜形态的实施调控。
83.所述通气腔3、选择性通气板4的结构与实施例1相同。
84.本实例一种亲疏水相间气膜形态的装置的气膜形态控制过程如下：
85.步骤一，在设置有选择性通气板4的表面上安装壁面摩擦力传感器和压力传感器，以采集壁面的摩擦力和动态的压力场数据；
86.步骤二，将已知气膜形态分为气膜型、气层型和破坏型三类，并获得各气膜类型对应的壁面摩擦力大小及压力场分布等数据；
87.步骤三，使用labview编程，得到气膜形态识别程序；
88.在同等流速下气膜型气膜和气泡型气膜的壁面摩擦力至少比破坏型气膜的壁面摩擦力低10％，若测得的摩擦力比通过步骤二得到的数据库中的破坏型气膜对应摩擦力低10％以上，则气膜形态为气膜型气膜或气泡型气膜，此时需继续进行判别；反之，则为破坏型气膜，需增大10％的通气量；若判断当前气膜形态为气膜型气膜或气泡型气膜，再根据而气泡型气膜相比于气膜型气膜在局部拥有均一的压力分布，若此时各压力传感器测得的各点压力的差值大于数据库中气泡型气膜的压力场的差值，判断此时气膜形态为气膜型气膜，则保持当前通气量不变；反之当前气膜形态为气泡型气膜，需减小5％的通气量；
89.通过此模型得到气膜形态识别程序，并将其植入所述计算机；
90.步骤四，当计算机判断当前气膜形态为气膜型时，气体质量流量计的通气量不变；当识别器判断当前气膜形态为气层型时，气体质量流量计减少通气量；当识别器判断当前气膜形态为破坏型时气体质量流量计增大通气量。
91.所述选择性通气板4的制作步骤如下：
92.步骤一，制作通气条带：选取过滤精度为10μm、30μm、50μm的厚度为4mm的多孔钛板作为基体，用电火花线切割在泡沫金属板上切出与亲疏水相间表面的疏水条带等宽、等间距的通气条带；
93.步骤二，疏水处理：将加工过的基体材料先后放在丙酮、无水乙醇和纯净水中超声清洗30分钟，然后放在恒温干燥箱中以120℃烘干30分钟，最后用全氟癸基三乙氧基硅烷、硬脂酸等低表面能物质对金属板进行疏水处理；
94.步骤三，制作光滑条带：使用数控铣床去除通气条带两侧的材料，得到与通气条带共面等高的光滑条带，光滑条带与亲疏水相间平面的亲水条带等宽、等间距；
95.步骤四，加工台阶：利用数控铣床在多孔金属板上加工出台阶等特征，并对侧边进行加工，方便后续的安装与密封。
96.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种亲疏水相间气膜形态的控制装置，其特征在于：包括补气模块、控制模块和传感器模块；通过所述补气模块向位于其下游的亲疏水相间表面补气；通过所述传感器模块获取亲疏水相间表面的摩擦力及压力场；所述控制模块接收到传感器模块的传输信息后进行分析，向补气模块输出补气量控制指令，实现对亲疏水相间表面气膜气量的实施调控。2.根据权利要求1所述一种亲疏水相间气膜形态的控制装置，其特征在于：所述补气模块包括气源、通气腔和选择性通气板，所述气源通过气动软管与通气腔联通，按照控制模块的指令向通气腔内通气；所述通气腔为一端开口的中空腔体结构，其开口端位于底部、并朝向水面侧；所述选择性通气板密封安装于通气腔的开口端，其外端面与水面接触，并位于亲疏水相间表面的上游，通过间隔通气的表面结构，调控亲疏水相间表面的气膜形态。3.根据权利要求2所述一种亲疏水相间气膜形态的控制装置，其特征在于：所述选择性通气板采用泡沫金属板制备而成，其外端面交错平行设置有通气条带和光滑条带，所述通气条带能够通过气体，与亲疏水相间表面的疏水部分对接，补充疏水部分附着的气膜，调控气膜的形态；所述光滑条带不能通过气体，与亲疏水相间表面的亲水部分对接，避免流出的气体对流场的干扰。4.根据权利要求3所述一种亲疏水相间气膜形态的控制装置，其特征在于：所述选择性通气板的制作步骤如下：步骤一，制作通气条带：用电火花线切割在泡沫金属板上切出与亲疏水相间表面的疏水条带等宽、等间距的通气条带；步骤二，疏水处理：在对加工过的泡沫金属板用丙酮、酒精和去离子水进行超声波清洗后热风烘干，并用低表面能物质对金属板进行疏水处理；步骤三，制作光滑条带：使用车削、铣削或者磨削的方法，去除通气条带两侧的材料，得到与通气条带共面等高的光滑条带，光滑条带与亲疏水相间平面的亲水条带等宽、等间距；步骤四，加工台阶：利用数控铣床在泡沫金属板上加工台阶特征，并对侧边进行切削加工，用于后续的安装与密封。5.根据权利要求3所述一种亲疏水相间气膜形态的控制装置，其特征在于：所述选择性通气板的基体为过滤精度为1μm到100μm，厚度为1mm到5mm的泡沫金属板；所述选择性通气板的通气条带、光滑条带的尺寸与亲疏水相间平面的疏水部分、亲水部分对应相等，为1mm到5mm；且光滑条带和通气条带共面。6.根据权利要求3所述一种亲疏水相间气膜形态的控制装置，其特征在于：所述选择性通气板通气条带的静态接触角大于150
°
且疏松多孔；所述光滑条带的静态接触角小于90
°
且表面光滑。7.根据权利要求1所述一种亲疏水相间气膜形态的控制装置，其特征在于：所述气源包括气缸、丝杠滑台和步进电机；所述气缸与丝杠滑台的滑台固定连接；所述步进电机安装于丝杠的输入端；通步进电机驱动丝杠转动，进而通过滑台推动气缸，通过所述气动软管向通气腔输出气体；或者，所述气源包括空气压缩机、压力计、气体质量流量计，所述空气压缩机通过气动
软管向通气腔输出气体，并在连接管路上设置有压力计和气体质量流量计，分别用于测量通气压力和流量。8.根据权利要求1所述一种亲疏水相间气膜形态的控制装置，其特征在于：所述传感器模块包括壁面摩擦力传感器和压力传感器，分别用于获取壁面的摩擦力和动态的压力场数据。9.根据权利要求8所述一种亲疏水相间气膜形态的控制装置，其特征在于：所述控制模块数据采集卡、处理器和驱动器，所述采集卡用于收集传感器模块所获取的数据；所述处理器使数据线与采集卡通信，获取壁面的摩擦力分布以及压力场信息，通过内置的程序判定壁面的气膜状态，再根据壁面的气膜状态通过驱动器调节气源的通气量及通气时间。10.一种亲疏水相间气膜形态的控制方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：在设置有补气模块的表面上安装壁面摩擦力传感器和压力传感器，以采集壁面的摩擦力和动态的压力场数据；步骤2：将已知气膜形态分为气膜型、气层型和破坏型三类，并获得各气膜类型对应的壁面摩擦力大小及压力场分布数据；步骤3：使用g语言编程，得到气膜形态识别程序；在同等流速下气膜型气膜和气泡型气膜的壁面摩擦力至少比破坏型气膜的壁面摩擦力低10％，若测得的摩擦力比通过步骤二得到的数据库中的破坏型气膜对应摩擦力低10％以上，则气膜形态为气膜型气膜或气泡型气膜，此时需继续进行判别；反之，则为破坏型气膜，需增大10％的通气量；若判断当前气膜形态为气膜型气膜或气泡型气膜，再根据而气泡型气膜相比于气膜型气膜在局部拥有均一的压力分布，若此时各压力传感器测得的各点压力的差值大于数据库中气泡型气膜的压力场的差值，判断此时气膜形态为气膜型气膜，则保持当前通气量不变；反之当前气膜形态为气泡型气膜，需减小5％的通气量；通过此模型得到气膜形态识别程序，并将其植入所述处理器；步骤4：当所述处理器判断当前气膜形态为气膜型时，保持气源输送速度，通气量不变；当所述处理器判断当前气膜形态为气泡型时，降低气源输送速度，减少通气量；当所述处理器判断当前气膜形态为破坏型时提高气源输送速度，增大通气量，即完成对亲疏水相间表气膜形态的稳定调控。

技术总结
本发明一种亲疏水相间气膜形态的控制装置及方法，属于水下减阻技术领域；包括补气模块、控制模块和传感器模块；通过传感器模块获取摩擦力及压力场数据；控制模块接收到传感器模块的数据后进行分析，向补气模块输出补气量控制指令。补气模块包括气源、通气腔和选择性通气板，气源通过气动软管与通气腔联通，按照控制模块的指令向通气腔内通气；选择性通气板密封安装于通气腔的开口端，其外端面与水面接触，并位于亲疏水相间表面的上游，通过间隔通气的表面结构，调控亲疏水相间表面的气膜形态。本发明解决了现有技术中难以对整个平面均匀补气、对流场产生扰动的问题，能够按照需要及时调整通气量以及通气时间。及时调整通气量以及通气时间。及时调整通气量以及通气时间。


技术研发人员：胡海豹 张睿潜 文俊 谢络 杜鹏 张梦卓 任刘珍
受保护的技术使用者：西北工业大学深圳研究院
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/5/9