一种基于微纳米涂层的飞机机翼转捩延迟方法与流程

本发明属于机械设计技术领域，具体涉及一种飞机机翼转捩延迟方法。

背景技术：

现代民用飞机设计需要满足“四性”，即安全性、经济型、舒适性和环保性。在欧美国家该领域已经具有绝对优势、国际竞争非常激烈、市场准入门槛很高的形势下开展大型客机工程，要求我们重视基础研究，建立雄厚的科研实力和长远的技术储备，形成自主创新和可持续发展能力。

飞机的阻力直接决定了飞机的经济性和排放。减阻与经济性和环保性密切相关，其中经济性是决定航空公司飞机选购的主要因素，而环保性可能成为未来航空市场的准入条件。大型客机飞行时的流场是决定飞机的气动性能的重要因素。层流层流转捩为紊流是由于附面层失稳和扰动的进一步增长，而附面层不稳定性起源于增长或衰减的小的速度扰动，小速度扰动的增长导致大的振幅，非线性性质，并最终使流动从层流转捩为紊流。在线性不分离的情况下，流体的能量消耗于临界区域的剪切运动，在分离的情况下，则有更大部分的能量还散失于脱边分离后的漩涡运动。

飞机表面流场种层流和湍流的分布起着比较重要的作用。例如，大型客机飞行的流场阻力包括摩擦阻力、诱导阻力和激波阻力等，尽可能延迟转捩的发生，即扩大模型表面上层流流动的区域，减小湍流浸润面积，是流动控制减小摩擦阻力的有效手段。又如，湍流区域的减小，会使得湍流激励噪声也将随之降低。这些例子均说明了层流/湍流的分布对于飞机的气动性能的关键作用，同时也说明了飞机机翼延迟转捩技术的迫切的需求。

目前，常规的飞机的设计已经处在瓶颈阶段，先进的理论和方法正在给大型客机的研制带来深刻的变革和进步，为提高民用飞机“四性”，欧美等国已开展了一系列的前瞻性研究。欧洲在其民用航空2020远景规划中提出了所谓“绿色飞机挑战”，主要目标包括：在2020年将NO_X排放减少80％，CO₂排量减少50％(燃油消耗减半)，事故概率减半，飞机可感受噪音减半(将机场边界处的噪声降低到65dB) ，航空运行周转效率大幅提高。NASA在1994~2001年实施了先进亚音速飞机技术(AST)研究计划后，在2001年又启动了安静飞机技术(QAT)研究计划，计划较1997年的水平进一步降低飞机噪声5dB，未来目标是在25年内降低20dB。

为了使我国能尽快形成有国际竞争力的大型客机产业，非常有必要加强相关基础科学问题的研究，夯实大型客机研制的基础，开展新型研究方法，构建自主创新能力，在核心技术上实现可持续发展，服务现实和未来航空的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种设计方便、操作简单的飞机机翼延迟转捩方法，以提高民用飞机的性能。

本发明提供的飞机机翼减阻延迟转捩方法，是基于一种微纳米涂层的，即设计一种满足特定要求的低表面能的微纳米涂层材料，并将其涂覆在飞机机翼表面，以推迟边界层的转捩。

本发明设计的微纳米涂层在微观上具有较低的表面能，与流体的相互作用力弱，涂层表面的流体与涂层的相互结合不紧密，表面的流体介质有从物体壁面剥离的趋势，从而使得物体表面的流体流速不为零，即拥有一个滑移速度。低表面能微纳米涂层的存在使得紧贴物体壁面处的流体流速将不等于零，同时边界壁面上的速度梯度减小，从而减小边界壁面上的剪切应力，即减小摩擦阻力系数。正是由于边界面上的速度梯度减小，如图1所示，推迟了边界层的转捩。附面层层流状态更稳定，使流态转换的临界雷诺数相应增大，层流边界层厚度增加。微结构功能性涂层通过光、电、热、机械、化学等方式发生能量的相互作用和转换，可以获得一些特殊的性能。低表面能微纳米涂层使得湍流转捩点后移。

本发明建立的基于微纳米涂层的飞机机翼延迟转捩方法，如图2所示，具体步骤包括：

1、低表面能微纳米涂层材料的设计

本发明研究了多种低表面能微纳米涂层对附面层流动的影响，根据不同设计需求，采用数值和实验相结合的手段考察多种微纳米涂层材料的化学及力学性能，提取影响气动性能的涂层关键参数；综合分析影响气动性能的涂层各种关键参数，建立气动特性与微纳米涂层参数之间的对应关系，如图3所示；然后采用人工神经网络，建立微纳米涂层的反设计方法，设计出满足要求的微纳米涂层。

反设计方法，即一种“所需即所得”，能够直接根据给定的气动性能要求得到符合要求的微纳米涂料的相关制备参数。通过应用人工神经网络技术，当微纳米涂层反设计人工神经网络训练完成之后，在网络的输入端输入所要求的翼型/机翼气动性能参数，此时输出端的结果就是所需要的对应所要求的气动性能参数的飞机表面微纳米涂层的涂料参数，这些参数决定了微纳米涂层的性能。

低表面能微纳米材料结构的形态、均匀分布以及持久性附着都对制备工艺提出了很高的要求，本发明结合不同低表面能微纳米涂层的力学及化学性能，综合考察各种制备工艺的特点，提出采用喷涂、刷涂、辊涂、光刻、UV固化、蚀刻、3D打印、机械加工等方法中的一种或几种，制备所设计的微纳米涂层结构，并将其装配于飞机机翼模型表面，以供试验验证所用。

2、低表面能微纳米涂层材料的制备

本发明设计的低表面能微纳米涂层材料，包含：（a）至少一种具有疏水特性的微纳结构复合微球，（b）至少一种涂膜接触角大于90度的基体树脂，（c）非必须溶剂，（ d ）非必须粉体，（e）非必须助剂。以低表面能微纳米涂层材料的总量计，各组分重量配比为：微纳结构复合微球1-90%，基体树脂10~99%，溶剂0~89%份，粉体0~50%，助剂0~20%，总量满足100%。

本发明所述低表面能微纳米涂层材料，是将各组分原料通过简单物理混合方法、原位乳液聚合法、原位溶液聚合法、原位缩合聚合法、原位加成聚合法中的一种或几种，在0-300℃反应10分钟-100小时制备得到。

本发明所述低表面能微纳米涂层材料，可以是水性涂层材料、溶剂型涂层材料、粉末涂层材料、光固化涂层材料、湿固化涂层材料、无溶剂涂层材料中的一种或几种。

本发明中，所述的微纳结构复合微球，是通过化学键合作用、氢键作用、酸碱作用、正负电荷吸引作用将粒径为1-500纳米的纳米微球吸附在粒径为1-500微米的微米微球表面获得的纳米-微米复合结构微球，纳米微球均匀吸附在微米微球表面，微球表面具有疏水特性。

本发明中，所述的纳米微球和微米微球可以为有机聚合物微球或无机微球。

本发明中，所述的基体树脂为涂膜接触角大于90度的醇酸树脂、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、有机氟树脂、氨基树脂、聚酯树脂、有机硅-无机硅树脂中的一种或几种。具体可选自醇酸树脂、聚酯改性醇酸树脂、有机硅改性醇酸树脂、环氧改性醇酸树脂、双酚A环氧树脂、脂肪族缩水甘油醚树脂、氢化双酚A环氧树脂、脂环族环氧树脂、苯乙烯-丙烯酸酯树脂、纯丙烯酸酯树脂、有机硅改性丙烯酸酯树脂、聚酯改性丙烯酸酯树脂、丙烯酸酯-聚氨酯树脂、丙烯酸酯-氨基树脂、湿固化聚氨酯树脂、有机硅树脂-聚氨酯树脂、含氢硅油-含双键有机硅树脂、氟碳树脂、有机硅改性氟碳树脂、不饱和聚酯树脂、聚酯-聚氨酯树脂、聚有机硅氧烷树脂、聚倍半硅氧烷树脂等中的一种或几种。

本发明中，所述的溶剂为涂料制备中常用溶剂，如水、苯类溶剂、酯类溶剂、醇类溶剂、酮类溶剂、醇醚类溶剂等中的一种或几种。具体可选自水、乙醇、异丙醇、丙二醇、丁醇、1,4-丁二醇、1,3-丁二醇、苯、甲苯、二甲苯、醋酸丁酯、醋酸乙脂、醋酸戊脂、丙酮、丁酮、2-戊酮、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、二乙二醇甲醚、三乙二醇丁醚、丙二醇丁醚、丙二醇甲醚、二丙二醇甲醚、乙二醇甲醚醋酸酯、乙二醇乙醚醋酸酯、乙二醇丁醚醋酸酯、二乙二醇甲醚醋酸酯、三乙二醇丁醚醋酸酯、丙二醇丁醚醋酸酯、丙二醇甲醚醋酸酯、二丙二醇甲醚醋酸酯等中的一种或几种。

本发明中，所述的粉体为涂料制备过程中常用无机粉体，如非金属氧化物、金属氧化物、不溶性无机盐等粉一种或几种。具体可选自钛白粉、硫酸钡、氧化锌、碳黑、氧化铁红、氧化铁黄、碳酸钙、滑石粉、高岭土、沉淀硫酸钡、硅酸铝、硅微粉、凹凸棒土、沉淀白炭黑、气相白炭黑等中的一种或几种。

所述的粉体可以是经过表面疏水改性或未改性无机粉体。

本发明中，所述的助剂为涂料制备过程中常用助剂，如表面活性剂、引发剂、分散剂、润湿剂、增稠剂、流平剂、消泡剂、防缩孔剂、防流挂剂、防闪锈剂、UV光吸收剂、耐老化剂、热稳定剂等中的一种或几种。

本发明中，所述微纳结构复合微球，其中的纳米微球粒径为1-500纳米，优选粒径为1-100纳米。

本发明中，所述的纳米微球可以为有机聚合物微球，如有机硅纳米微球、有机氟纳米微球、聚氨酯纳米微球、聚烯烃纳米微球、聚碳酸酯纳米微球、聚酯纳米微球、聚丙烯酸酯纳米微球等，可选用其中的一种或几种。

本发明中，所述的纳米微球进一步可以为聚二甲基硅氧烷纳米微球、聚有机硅倍半氧烷纳米微球、聚四氟乙烯纳米微球、聚偏氟乙烯纳米微球、聚氨酯纳米微球、聚对苯二甲酸丁二酯纳米微球、聚碳酸酯纳米微球、聚甲醛纳米微球、聚乙烯纳米微球、聚丙烯纳米微球、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物纳米微球、聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球、聚甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯纳米微球、聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸丁酯纳米微球、聚苯乙烯纳米微球、聚氯乙烯纳米微球等，可选用其中的一种或几种。

本发明中，所述的纳米微球可以为无机纳米微球，如无机纳米氧化物微球、无机纳米氢氧化物微球、无机纳米磷酸盐微球、无机纳米硫酸盐微球等，可选用其中的一种或几种。

本发明中，所述的纳米微球进一步可以为纳米二氧化硅、纳米三氧化二铝、纳米氧化铈、纳米氧化铱、纳米氧化锆、纳米氧化钛、纳米氧化钼、纳米氢氧化钡、纳米氢氧化钙、纳米磷酸二氢铝、纳米硫酸氢铝等，可选用其中的一种或几种。

本发明中，所述的微米微球粒径为1-500微米，优选粒径为1-100微米。

本发明中，所述的微米微球可以为有机聚合物微球或无机微球，如微米有机硅微球、有微米机氟微球、微米聚氨酯微球、微米聚烯烃微球、微米聚碳酸酯微球、微米聚酯微球、微米聚丙烯酸酯微球，可选用其中的一种或几种。

本发明中，所述的微米微球进一步可以为微米聚二甲基硅氧烷微球、微米聚有机硅倍半氧烷微球、微米聚四氟乙烯微球、微米聚偏氟乙烯微球、微米聚氨酯微球、微米聚对苯二甲酸丁二酯微球、微米聚碳酸酯微球、微米聚甲醛微球、微米聚乙烯微球、微米聚丙烯微球、微米丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物微球、微米聚对苯二甲酸丁二酯微球、微米聚甲基丙烯酸甲酯微球、微米聚甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯微球、微米聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸丁酯微球、微米聚苯乙烯微球、微米聚氯乙烯微球等，可选用其中的一种或几种。

本发明中，所述的微米微球可以为无机微米氧化物微球、无机微米氢氧化物微球、无机微米磷酸盐微球、无机微米硫酸盐微球等，可选用其中的一种或几种。

本发明中，所述的微米微球进一步可以为微米二氧化硅、微米三氧化二铝、微米氧化铈、微米氧化铱、微米氧化锆、微米氧化钛、微米氧化钼、微米氢氧化钡、微米氢氧化钙、微米磷酸二氢铝、微米硫酸氢铝等，可选用其中的一种或几种。

本发明所述的低表面能微纳米涂层材料的制备方法，具体步骤如下：

按组分重量配比称量微纳结构复合微球、基体树脂、溶剂、粉体、助剂，在0℃-100℃下搅拌10分钟-100小时，得到低表面能微纳米涂层材料。

优选的，本发明所述的低表面能微纳米涂层材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按组分重量配比称量微纳结构复合微球、基体树脂用单体、水、自由基引发剂、表面活性剂，在0℃-100℃下采用原位乳液聚合方法反应1-100小时，得到微纳结构复合微球/基体树脂复合乳液；

（2）将步骤（1）得到的微纳结构复合微球/基体树脂复合乳液、粉体、助剂，在0℃-100℃下搅拌10分钟-1小时，得到低表面能微纳米涂层材料。

优选的，本发明所述的低表面能微纳米涂层材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按组分重量配比称量微纳结构复合微球、基体树脂用单体、有机溶剂、自由基引发剂，在0℃-200℃下采用原位溶液聚合方法反应1-100小时，得到微纳结构复合微球/基体树脂复合树脂；

（2）将步骤（1）得到的微纳结构复合微球/基体树脂复合乳液、粉体、助剂，在0℃-100℃下搅拌10分钟-1小时，得到低表面能微纳米涂层材料；

优选的，本发明所述的低表面能微纳米涂层材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按组分重量配比称量微纳结构复合微球、基体树脂用单体、有机溶剂、催化剂，在0℃-300℃下采用原位加成聚合方法反应1-100小时，得到微纳结构复合微球/基体树脂复合树脂；

（2）将步骤（1）得到的微纳结构复合微球/基体树脂复合树脂乳液、粉体、助剂，在0℃-100℃下搅拌10分钟-1小时，得到低表面能微纳米涂层材料；

上述低表面能微纳米涂层材料的制备过程中没有提及但可能涉及的其它工艺条件，可以同常规的低表面能微纳米涂层材料的制备条件。

除非另有指明，本文中使用的所有百分比和比率均以重量计。

3、低表面能微纳米涂层的涂装

本发明所述低表面能微纳米涂层材料，通过控制微纳结构复合微球和基体树脂的种类、表面功能基团的疏水特性、微纳结构复合微球和基体树脂的比例、涂覆工艺，可以方便控制涂层的表面形貌和低表面能特性。

本发明所述低表面能微纳米涂层材料，采用喷涂、刷涂、辊涂、光刻、UV固化、蚀刻、3D打印、机械加工等方法中的一种或几种，涂覆在飞机机翼表面，在0-100℃干燥固化，获得具有沟槽结构、沟槽宽度为1微米-1毫米、沟槽高度为1微米-1毫米的低表面能微纳米涂层，起到减阻、降噪、防冰等作用。

4、飞机机翼延迟转捩的试验验证

本发明将所制备的微纳米涂层装配于飞机机翼风洞模型表面，采用风洞试验的手段，与原始飞机机翼风洞模型对比，验证所设计微纳米涂层的延迟转捩发生的效果。

在飞机机翼表面应用微纳米涂层，影响飞机表面边界层流动，推迟边界层转捩的发生，扩大层流区域。

由于边界层转捩对微弱扰动非常敏感，为了不破坏模型表面的微纳米涂层结构，本发明采用非接触式的红外热成像技术，在不同工况下，验证装配微纳米涂层后模型表面边界层转捩推迟的现象以及阻力减小的现象。采用粒子图像测速（PIV）技术，测量装配微纳米涂层前后周围流场中流动结构的变化。将得到的类似图8的热图文件进行降噪、裁剪等前处理，其中降噪基于SVD算法，得到无噪的热图图像，然后将图像裁剪，截取干净表面和带涂层表面的有效热图区域，最终得到热图文件。计算热图序列的温度脉动场，得到一张类似图9的温度脉动均方根分布图像；结合热图中温度曲线峰值以及均方根峰值，可判定转捩位置，分析微纳米涂层对流场的影响及其对气动阻力产生影响的流动机理。

附图说明

图1是边界层转捩推迟示意图。

图2是基于微纳米涂层的飞机机翼延迟转捩设计示意图。

图3是人工神经网络模型示意图。

图4是本发明制备的一种低表面能微纳米涂层材料的表面和截面扫描电镜（SEM）照片。其中，（a）为涂层表面整体形貌SEM照片；（b）为涂层表面局部形貌SEM照片，显示涂层表面含有微纳结构复合微球；（c）为涂层截面扫描电镜SEM照片，显示涂层具有沟槽结构。

图5 是微纳米涂层材料的接触角（144°）示意图。

图6 是微纳米涂层的三维光学照片，显示涂层具有沟槽结构。

图7是通过本发明方法制备的纳米二氧化硅/聚甲基丙烯酸甲酯微纳结构复合微球的扫描电镜（SEM）照片，图中显示复合微球的结构为草莓型微米-纳米结构。其中，（a）显示微纳结构复合微球为纳米微球包覆在微米微球表面，（b）显示微纳结构复合微球表面的纳米微球紧密附着在微米微球表面。

图8 是典型的热图文件，上半部分为干净表面热图，下半部分为带涂层表面热图，左侧为前缘，来流方向从左向右。

图9 是典型的利用统计分析方法得到的转捩位置示意图。

具体实施方式

下列实施例进一步描述和证明了本发明范围内的优选实施方案。所给的这些实施例仅仅是说明性的，不可理解为是对本发明的限制。

本发明提出的基于微纳米涂层的飞机机翼延迟转捩设计技术如图2所示，具体实施方式是：

1、低表面能微纳米涂层的材料的设计

本发明根据不同设计需求，采用数值和实验相结合的手段考察多种微纳米涂层材料的化学及力学性能，研究多种低表面能微纳米涂层应用后对边界层流动的影响，提取影响气动性能的涂层关键参数；综合分析影响气动性能的涂层各种关键参数，建立气动特性与微纳米涂层参数之间的对应关系，采用基于人工神经网络的反设计方法，设计出满足要求的微纳米涂层。

实施例1，如图3所示，首先通过多次实验累积许多涂料参数-气动参数的数据对，应用人工神经网络进行训练，以获得涂料参数数据和气动参数数据之间的联系。在这数据联系完成了之后，可以应用反设计方法，通过输入所需要的的气动参数，来获得对应的涂料的参数。例如，我们设定气动参数转捩位置，通过应用训练好了的反设计人工神经网络，我们获得了包括沟槽高度、自清洁材料含量、功能涂料的宽度等一系列涂料参数。这样将在确保足够的准确的基础上大大加快涂层设计的效率。

2、低表面能微纳米涂层材料的制备

实施例2：

通过分散聚合方法制备粒径为20微米的单分散带正电荷的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球，水分散液稀释至固含量为10%，然后加入5%的粒径为50纳米硅氧烷改性硅溶胶(SiO₂)，在80 ℃下搅拌20小时，分离、洗涤，将产物在70 ℃烘箱中烘干100小时。即可得到草莓型疏水性PMMA/SiO₂微纳结构复合微球。

将5克草莓型PMMA/SiO₂微纳结构复合微球、10克甲基丙烯酸甲酯（MMA）、5克丙烯酸正丁酯（BA）、2克丙烯酸（AA）、4克乙烯基硅氧烷单体、0.5克偶氮二异丁腈（AIBN）、74克醋酸丁酯混合，混合物在500mL四颈瓶中70-80℃反应24小时，制备得到低表面能微纳米涂层材料，采用3D打印的方式涂布于铝板表面，于70-80℃烘干，即可得到具有沟槽结构的低表面能微纳米涂层。涂层水接触角为160°。

实施例3：

称取40g粒径为50微米的表面带有羟基的聚二甲基硅氧烷微球（PDMS），60克水、1g粒径为10纳米、表面带有烷氧基的聚二甲基硅氧烷微球（PDMS），在50 ℃下搅拌100小时，分离、洗涤，将产物在50℃真空烘箱中烘24小时。即可得到疏水性PDMS/PDMS微纳结构复合微球。

将50克PDMS/PDMS微纳结构复合微球、10克有机硅改性氟树脂、4克钛白粉、3克高岭土、3克硫酸钡、20克丙二醇丁醚醋酸酯、10克丙酮、0.1克消泡剂、0.2克分散剂、0.7克二甲基硅油，在常温下搅拌2小时，制备得到低表面能微纳米涂层材料，采用辊涂的方法，即可得到具有沟槽结构的低表面能微纳米涂层。涂层水接触角为144°。

实施例4：

称取粒径为200微米的玻璃微球，采用氢氟酸刻蚀方法，使玻璃微球表面带有羧基基团，将70g改性玻璃微球、10克表面含有胺基的纳米二氧化钛（TiO₂）、20克水，在常温搅拌50小时，分离、洗涤，将产物在常温放置2天，即可得到疏水性TiO₂/玻璃微珠微纳结构复合微球。

将70克TiO₂/玻璃微珠微纳结构复合微球、20克紫外固化（UV）丙烯酸酯-聚氨酯树脂、10克紫外固化（UV）聚酯-聚氨酯树脂，在40℃搅拌20分钟，制备得到低表面能微纳米涂层材料，采用紫外固化（UV）、刻蚀的方法，即可得到具有沟槽结构的低表面能微纳米涂层。涂层水接触角为120°。

3、低表面能微纳米涂层的涂装

将上述实施例所制备的低表面能微纳米涂层材料，通过喷涂、刷涂、辊涂、光刻、UV固化、蚀刻、3D打印、机械加工等方法中的一种或几种，涂覆在飞机机翼表面，在0-100℃干燥固化，获得具有沟槽结构、沟槽宽度为1微米-1毫米、沟槽高度为1微米-1毫米的低表面能微纳米涂层。

4、飞机机翼延迟转捩的试验验证

本发明将所制备的微纳米涂层装配于飞机机翼风洞模型表面，采用风洞试验的手段，与原始飞机机翼风洞模型对比，验证所设计微纳米涂层的飞机机翼延迟转捩的效果。

由于边界层转捩对微弱扰动非常敏感，为了不破坏模型表面的微纳米涂层结构，本发明采用非接触式的红外热成像技术，在不同工况下，验证装配微纳米涂层后模型表面边界层转捩推迟的现象以及阻力减小的现象。采用粒子图像测速（PIV）技术，测量装配微纳米涂层前后周围流场中流动结构的变化。得到的类似图8的热图文件进行降噪、裁剪等前处理，其中降噪基于SVD算法，得到无噪的热图图像，然后将图像裁剪，截取干净表面和带涂层表面的有效热图区域，最终得到热图文件。计算热图序列的温度脉动场，得到一张类似图9的温度脉动均方根分布图像；结合热图中温度曲线峰值以及均方根峰值，可判定转捩位置（温度脉动均方根分布图像的最大显著峰值对应着转捩发生的位置），分析微纳米涂层对流场的影响及其对气动阻力产生影响的流动机理。

实施例5：

见图9，上方为处理后的温度分布场，下方为温度扰动均方根分布场。上方的上半部分是裸露无功能涂层的NACA23012翼型的表面层流转捩的情况，下半部分是施加带有自清洁材料的、带有沟槽的微纳米功能涂料的NACA23012翼型的表面层流转捩的情况，结合分析温度脉动均方根的图像的两个的峰值的位置，发现转捩推迟了大约8%弦长，可以说达到了延迟表面转捩的目的。