UCLA Engineers Develop First-Ever Drag-Reduction Technology for Boats
Credit-card-sized “superhydrofoob” oppervlak heeft microscopische groeven die lucht vangen en waterwrijving met 30% verminderen.Een onderzoeksteam van de UCLA Samueli School Of Engineering heeft aangetoond dat een speciaal ontworpen oppervlak de wrijving van stromend water met bijna een derde kan verminderen. Dit werd gedaan in een eerste succesvolle boottest op open water in Marina Del Rey, Californië.
boot gebruikt in open water test uitgevoerd door UCLA ingenieurs.
in een studie gepubliceerd in Physical Review Applied, zeggen de onderzoekers dat het oppervlak van het monster uiteindelijk kan worden opgeschaald om de rompen van boten te bedekken en schepen te helpen door water te snijden met minder weerstand.
” het effect is vergelijkbaar met een air hockey puck die met gemak over de tafel glijdt, “zei studieleider Chang-Jin” CJ ” Kim, een onderscheiden professor in mechanical and aerospace engineering aan de UCLA Samueli. “De daling van de luchtweerstand zou leiden tot minder brandstofgebruik en minder emissies op zee.”
het idee om een ongewoon waterafstotend of “superhydrofoob” oppervlak te gebruiken op scheepsrompen bestaat al ongeveer twee decennia, met het concept dat aanvankelijk veelbelovend was in laboratoriumexperimenten. In plaats van direct over een vast oppervlak te stromen, zou water over een kleine laag lucht stromen die gevangen zit tussen water en het superhydrofobe oppervlak.
“er werd aangetoond dat superhydrofobe oppervlakken tijdens waterkanaalexperimenten in veel laboratoria een dunne laag lucht, plastron genaamd, in stand hielden,” zei Kim. “Deze plastron zou echter op onverklaarbare wijze verdwijnen wanneer dezelfde oppervlakken buiten het lab in open water werden getest. De belangrijkste doorbraak in ons onderzoek is dat we erin geslaagd zijn om het plastron gedurende de veldproeven te houden en de vermindering van de weerstand op een boot in open zeewater hebben bevestigd.”
wereldwijde studies hebben geschat dat zeevrachtschepen goed zijn voor ongeveer 12% van het wereldwijde energiegebruik in het vervoer, en ongeveer 15% van de wereldwijde uitstoot van stikstof – en zwaveloxidegassen.
” de wrijvingsweerstand van waterscooters vormt een aanzienlijk deel van het wereldwijde energieverbruik en de gasuitstoot, dus zelfs een lichte vermindering van de weerstand zou een significant effect hebben voor de wereld,” zei Kim over de lange termijn motieven achter de studie.
een scanning elektronenmicroscoop beeld van een oppervlak ontworpen door UCLA mechanical engineeers om wrijving van water op boten te verminderen. De groeven zijn een tiende millimeter diep.
de onderzoekers vervingen een klein deel van de onderkant van een 13-voet Motorboot door een testbed. Het omvatte een kredietkaart-formaat siliconen wafer met op maat ontworpen microscopische groeven die een tiende van een millimeter in de diepte lopen in de lengte van de rijrichting. De groeven worden behandeld met teflon om water af te weren, en een tiende van een millimeter uit elkaar.
het superhydrofoob oppervlak is ontworpen om het opvangen van lucht te maximaliseren en resulteerde in een vermindering van 30% van de wrijving tijdens de experimenten. De proeven werden uitgevoerd op Open zeewater met snelheden tussen 6 en 12 mijl per uur. Tot aan dit UCLA-onderzoek was nooit bevestigd dat een superhydrofoob oppervlak de weerstand in een realistische open-wateromgeving verminderde.
” de belangrijkste uitdaging voor ons was om een experiment te ontwikkelen dat de werkelijke omstandigheden zou vertegenwoordigen voor een boot terwijl we een klein monster kunnen produceren in het onderzoekslaboratorium van de school, ” zei Kim, die ook de UCLA Volgenau begiftigd Chair of Engineering is. “Omdat zoiets niet bestond, moesten we alles zelf ontwikkelen.”
naast het aanpassen van een klein gedeelte van de romp van de boot en het ontwikkelen van een onderwatercamera-systeem om de experimenten op te nemen, moest het team ook een compacte stromingssensor maken, een driejarig ontwikkelingsproces dat resulteerde in een eigen gepubliceerd artikel.
voor Kim leidde de succesvolle demonstratie tot jarenlang onderzoek. Zijn groep werkt al aan de productie van het superhydrofoob oppervlak om een hele onderkant van een boot te bedekken voor verdere experimenten. Naast boten en schepen, Kim zei dat het oppervlak kan ook worden gebruikt om de wrijving van vloeistoffen die door buizen te verminderen.De hoofdauteur van de studie was UCLA mechanical engineering doctoral graduate Muchen (Mitch) Xu. De andere auteurs waren Andrew Grabowski, Ning Yu, Gintare Kerezyte en Jeong-Won Lee — alle huidige of voormalige leden van UCLA ‘ s Micro-en Nano-productie laboratorium, die Kim leidt, evenals Byron Pfeifer, een technicus bij het UCLA Marine Aquatic Center.De studie werd ondersteund door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), de National Science Foundation (NSF) en het Office of Naval Research (ONR).
