一种海洋防污涂层表面藤壶附着力的测量方法与流程

1.本发明属于防污涂层性能测试技术领域。


背景技术：

2.海洋中船体、设备等表面的海洋生物污损给海洋工业带来了巨大的经济损失。开发防污涂层应用于这些水下表面是一种有效的防污途径。在海洋防污涂层的研发过程中，需要评估防污涂层的防污性能，通常的实验方法包括：细菌粘附测试，藻类粘附测试，海洋实海挂片测试等。此外，还有一种测试方法也经常被研究人员使用，即藤壶附着实验。在海边的岩石上可经常见到附着生长的大量藤壶，由于藤壶附着能力非常强，其附着力可达1mpa，因此藤壶在涂层表面的附着能力可以较好的表明该涂层的防污性能。然而，藤壶的附着力测量是十分困难的。为了解决这个问题，astm d5618-94(2011)“standard test method for measurement of barnacle adhesion strength in shear”标准中提供了一种采用金属圆柱，使用环氧树脂作为粘接剂，把金属圆柱作为“虚拟藤壶”(pseudobarnacle)粘附在涂层表面，在水下采用剪切于虚拟藤壶拉力拉开该虚拟藤壶，分离时的拉力被拉力计纪录，从而得到其最大附着力。这种方法虽然有效，但是其涂层和虚拟藤壶都是在准静态条件下。在海洋环境中，水流对藤壶的冲刷是在水动力条件下行进的，在某些情况下，如螺旋桨表面的藤壶，其受力的情况更为复杂。测量水动力条件下的藤壶脱附力，具有十分重要的意义。另一方面，对于真实的藤壶，由于体积较小，不易使用拉力计连接，因此也无法采用astm d5618-94(2011)标准进行测量。


技术实现要素：

3.在“gb/t 7789-2007船舶防污漆防污性能动态试验方法”中描述了一种动态防污测试设备(见图1)，该设备主要包括一个水箱，一个电机，一个安装涂层的多面体，该多面体与电机连接，在电机驱动下旋转模拟水流对涂层的冲击效果。由于该设备被广泛使用，因此本发明基于该设备描述一种水下防污涂层表面藤壶附着力的测量方法。
4.该动态防污测试设备基于gb/t 7789-2007所描述，主要包括：电机1、连接轴2、多面体3、透明水箱4和电机控制器6；多面体3通过连接轴2与电机1连接，电机1设置在透明水箱4上方，多面体3放置在透明水箱4中，电机控制器6用于控制电机的开关和转速，
5.为了实现本发明的测量方法，只需要增加2个或多个高速摄像机5(例如，phantom tmx 7510)，并置于水箱周围或上方。
6.(1)真实藤壶的附着力测量
7.在测量过程中，首先在多面体3表面安装或涂覆防污涂层7，由于涂层通常较薄，为数百微米，因此在计算中忽略此厚度。然后把多面体浸入含有幼体、或成年藤壶的海水中，使藤壶附着在涂层7表面(图3)。
8.将多面体3浸入人工海水中，逐渐增加电机1转速，当电机转速到达一定速度时，藤壶从涂层表面脱离，由于人眼的局限性，采用高速摄像机5记下藤壶脱离的录像，从而获取
脱离时的时刻，可查得此时刻的电机转速ω。
9.对于真实藤壶可以将其看作一个半径为r的球体，其质量为m(图4)。
10.对附着的藤壶进行受力分析，见图5。在垂直于水面方向，其受重力g和浮力f
浮
的作用：
11.g＝mg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0012][0013]
对于水中飘浮的物体，其重力和浮力相等。而在此例中，由于藤壶粘附在涂层表面，其重力和浮力的合力不一定为0，并且其方向不确定。然而，这不影响其合力的计算，二者的合力f
竖
大小为：
[0014]f竖
＝|f
浮-g|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0015]
藤壶从涂层表面脱离时，电机转速为ω，多面体面边缘到中心的距离为r，由于多面体3随电机1的旋转，因此在垂直于涂层方向藤壶受向心力f
向
，该向心力为：
[0016]f向
＝mω2(r r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0017]
藤壶在水中随涂层旋转时，受的水体阻力f
阻
为：
[0018][0019]
式(5)中，c为阻力系数，ρ是水的密度，v是藤壶处水流速度，s是藤壶在运动方向的截面积，因此上式可变换为：
[0020][0021]
式(6)中，阻力系数c为未知，为了求得此值，把水流在多面体某面外的流动等效为一光滑管道9内的流动(图3)，其特征长度为d(即多面体的宽度)，根据普朗特(prandtl)提出的流体阻力系数公式：
[0022][0023]
式(7)中，re为雷诺数：
[0024]
re＝ρvd/μ
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0025]
式(8)中，ρ为水的速度，v为藤壶处水流速度，μ为水的黏性系数，因此式(8)可变化为：
[0026]
re＝ρω(r r)d/μ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0027]
根据式(7)和(9)可解出阻力系数c，从而计算出式(6)中的f
阻
。
[0028]
由图5可知，在竖直方向的合力f
竖
，向心力f
向
，以及水流对藤壶的阻力f
阻
，三个力在空间方向上互相垂直，因此，三者合力f
合
为：
[0029][0030]
当藤壶在涂层表面附着时，附着力与其他三个力的合力相平衡，因此在数值上附着力f
附
＝f
合
，二者方向相反；藤壶的最大附着力在数值上等于藤壶脱离时其他三个力的合力f
合
，f
附
＝f
合
可得到藤壶的动态附着力f
附
。
[0031]
(2)虚拟藤壶的附着力测量
[0032]
在测量过程中，首先在多面体3表面安装或涂覆防污涂层7，由于涂层通常较薄，为数百微米，因此在计算中忽略此厚度。然后将虚拟藤壶(即金属圆柱)使用环氧树脂粘附在涂层7表面(图3)。
[0033]
将多面体3浸入人工海水中，逐渐增加电机1转速，当电机转速到达一定速度时，虚拟藤壶从涂层表面脱离，由于人眼的局限性，采用高速摄像机5记下藤壶脱离的录像，从而获取脱离时的时刻，可查得此时刻的电机转速ω。
[0034]
虚拟藤壶圆柱底面半径为r，长度为l，质量为m(图6)。
[0035]
虚拟藤壶从涂层表面脱离时，最大附着力在数值上等于f合，
[0036][0037]f竖
＝|f
浮-g|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0038]f浮
＝ρgπr2l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0039]
g＝mg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0040][0041][0042][0043][0044]
以上公式中，ρ是水的密度，g为重力加速度，μ为水的黏性系数，c阻力系数，通过联立式(17)和式(18)得到，re为雷诺数，d为多面体某面外的流动等效为一光滑管道9的特征长度。
[0045]
本发明的有益效果：
[0046]
(1)本发明实现了水动力条件下的藤壶附着力测量；
[0047]
(2)由于该方法不使用拉力计，因此同时适用于真实藤壶和虚拟藤壶；
[0048]
(3)gb/t 7789-2007的动态防污测试设备具有广泛的应用基础，在已有设备基础上进行测量，更为方便。
附图说明
[0049]
图1测量示意图；
[0050]
图2多面体3d图；
[0051]
图3涂层安装及藤壶/虚拟藤壶附着示意图；
[0052]
图4藤壶的简化球体模型；
[0053]
图5藤壶/虚拟藤壶在水下设备表面旋转运动时的受力分析；
[0054]
图6虚拟藤壶为圆柱体。
具体实施方式
[0055]
下面以具体实施例的形式对本发明技术方案做进一步解释和说明。
[0056]
在“gb/t 7789-2007船舶防污漆防污性能动态试验方法”中描述了一种动态防污测试设备(见图1)，该设备主要包括一个水箱，一个电机，一个安装涂层的多面体，该多面体与电机连接，在电机驱动下旋转模拟水流对涂层的冲击效果。由于该设备被广泛使用，因此本发明基于该设备描述一种水下防污涂层表面藤壶附着力的测量方法。
[0057]
该动态防污测试设备基于gb/t 7789-2007所描述，主要包括：电机1，连接轴2，多面体3，透明水箱4，电机控制6。为了实现本发明的测量方法，只需要增加2个或多个高速摄像机5(例如，phantom tmx 7510)，并置于水箱周围或上方。
[0058]
(1)真实藤壶的附着力测量
[0059]
在测量过程中，首先在多面体3表面安装或涂覆防污涂层7，由于涂层通常较薄，为数百微米，因此在计算中忽略此厚度。然后把多面体浸入含有幼体、或成年藤壶的海水中，一段时间后(例如几天)，让藤壶附着在涂层7表面(图3)。
[0060]
将多面体3浸入人工海水中，逐渐增加电机1转速，当电机转速到达一定速度时，藤壶从涂层表面脱离，由于人眼的局限性，采用高速摄像机5记下藤壶脱离的录像，从而获取脱离时的时刻，可查得此时刻的电机转速ω。
[0061]
对于真实藤壶可以将其看作一个半径为r的球体，其质量为m(图4)。
[0062]
对附着的藤壶进行受力分析，见图5。在垂直于水面方向，其受重力g和浮力f
浮
的作用：
[0063]
g＝mg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0064][0065]
对于水中飘浮的物体，其重力和浮力相等。而在此例中，由于藤壶粘附在涂层表面，其重力和浮力的合力不一定为0，并且其方向不确定。然而，这不影响其合力的计算，二者的合力f
竖
大小为：
[0066]f竖
＝|f
浮-g|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0067]
藤壶从涂层表面脱离时，电机转速为ω，多面体面边缘到中心的距离为r，由于多面体3随电机1的旋转，因此在垂直于涂层方向藤壶受向心力f
向
，该向心力为：
[0068]f向
＝mω2(r r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0069]
藤壶在水中随涂层旋转时，受的水体阻力f
阻
为：
[0070][0071]
式(5)中，c为阻力系数，ρ是水的密度，v是藤壶处水流速度，s是藤壶在运动方向的截面积，因此上式可变换为：
[0072][0073]
式(6)中，阻力系数c为未知，为了求得此值，把水流在多面体某面外的流动等效为一光滑管道9内的流动(图3)，其特征长度为d(即多面体宽度)，根据普朗特(prandtl)提出的流体阳力系数公式：
[0074][0075]
式(7)中，re为雷诺数：
[0076]
re＝ρvd/μ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
[0077]
式(8)中，ρ为水的速度，v为藤壶处水流速度，μ为水的黏性系数，因此式(8)可变化为：
[0078]
re＝ρω(r r)d/μ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0079]
根据式(7)和(9)可解出阻力系数c，从而计算出式(6)中的f
阻
。
[0080]
由图5可知，在竖直方向的合力f
竖
，向心力f
向
，以及水流对藤壶的阻力f
阻
，三个力在空间方向上互相垂直，因此，三者合力f
合
为：
[0081][0082]
当藤壶在涂层表面附着时，附着力与其他三个力的合力相平衡，因此在数值上附着力f
附
＝f
合
，二者方向相反；藤壶的最大附着力在数值上等于藤壶脱离时其他三个力的合力f
合
，f
附
＝f
合
可得到藤壶的动态附着力f
附
。
[0083]
(2)虚拟藤壶的附着力测量
[0084]
在测量过程中，首先在多面体3表面安装或涂覆防污涂层7，由于涂层通常较薄，为数百微米，因此在计算中忽略此厚度。然后将虚拟藤壶(即金属圆柱)使用环氧树脂粘附在涂层7表面(图3)。
[0085]
将多面体3浸入人工海水中，逐渐增加电机1转速，当电机转速到达一定速度时，虚拟藤壶从涂层表面脱离，由于人眼的局限性，采用高速摄像机5记下藤壶脱离的录像，从而获取脱离时的时刻，可查得此时刻的电机转速ω。
[0086]
虚拟藤壶圆柱底面半径为r，长度为1，质量为m(图6)。
[0087]
对附着的虚拟藤壶进行受力分析，见图4。在垂直于水面方向，其受重力g和浮力f浮的作用：
[0088]
g＝mg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)
[0089]f浮
＝ρgπr2l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)
[0090]
对于水中飘浮的物体，其重力和浮力相等。而在此例中，由于虚拟藤壶粘附在涂层表面，其重力和浮力的合力不一定为0，并且其方向不确定。然而，这不影响其合力的计算，二者的合力f
竖
大小为：
[0091]f竖
＝|f
浮-g|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(31)
[0092]
虚拟藤壶从涂层脱离时，电机转速为ω，多面体面边缘到中心的距离为r，由于多面体3随电机1的旋转，因此在垂直于涂层方向虚拟藤壶受向心力f
向
，该向心力为：
[0093][0094]
虚拟藤壶在水中随涂层旋转时，受的水体阻力f
阻
为：
[0095][0096]
上式中，阻力系数c为未知，为了求得此值，把水流在多面体某面外的流动等效为一光滑管道9内的流动(图3)，其特征长度为d，根据普朗特(prandtl)提出的流体阻力系数公式：
[0097]
[0098]
上式中，re为雷诺数：re＝ρvd/μ
[0099]
ρ是水的密度，v为虚拟藤壶处水流速度，μ为水的黏性系数，因此上式可变化为：
[0100][0101]
通过联立式(17)和式(18)解出阻力系数c。
[0102]
由图5可知，在竖直方向的合力f
竖
，向心力f
向
，以及水流对虚拟藤壶的阻力f
阻
，三个力在空间方向上互相垂直，因此，三者合力f
合
为：
[0103][0104]
当虚拟藤壶在涂层表面附着时，合力为0，附着力f
附
＝f
合
，二者方向相反。因此虚拟藤壶脱离时的最大附着力在数值上等于f
合
，所以可得到虚拟藤壶的动态附着力f
附
。