專利名稱：一種模擬海下固相表面所受流體剪切力的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬海下固相表面所受流體剪切力的裝置和方法。該方法屬于一
種快速評價海洋抗污損涂料防污效果的方法，亦可用于評價特定污損生物對表面的污損能 力。
背景技術(shù)：
海下人工設(shè)備不斷遭受來自海洋的腐蝕和污損，其中由海洋生物附著在固相表面 形成的生物污損給人類帶來巨大損失。低表面能防污技術(shù)是一種新型的無毒防污技術(shù)，通 過在固體表面涂裝污損釋放涂料降低固體的表面自由能，使污損生物難于附著或者附著不 牢。附著在低表面能表面的生物污損層在一些高速運行的設(shè)備如輪船、艦艇表面，易在重力 或者水流沖刷的作用下剝離，達到防污目的。評價污損釋放涂料的防污性能需要將一定水 流剪切力作用于附著了污損生物的待測樣品，觀察其對污損生物的釋放效果，得出評價指 標。目前一般用海洋掛片法或平行平板流動腔來評價污損釋放涂料的防污性能。其中，海 洋掛片法存在周期過長(數(shù)周或者數(shù)月)、無法測定污損初始附著、無法考察水流影響等缺 點。平行平板流動腔的腔體多采用一個管道高度遠小于管道長度和寬度的矩形管作為測試 部分，利用動力裝置在管道中產(chǎn)生流量可控的流體作用于待測樣品，根據(jù)流量計算出樣品 處所受的流體剪切力。目前國內(nèi)設(shè)計的的平行平板流動腔多用來測定流體剪切力對動物細 胞體外培養(yǎng)的影響，可產(chǎn)生的剪切力只有O. 5-2Pa左右，如此小的剪切力無法與海洋環(huán)境 中水的流速相比，對附著的污損生物也幾乎起不到作用。國外針對污損生物設(shè)計的流動腔 極少，且存在裝置搭建花費昂貴、樣品安裝固定困難等特點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種簡單方便、能夠模擬海下固相表面所受流體剪切 力的裝置和方法。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括工作流體供應系統(tǒng)、湍 流生成系統(tǒng)，測試部分三個部分。工作流體供應系統(tǒng)由封閉儲液槽(1)、防腐離心泵(3)、排 水閥門(4)、分流閥門(2)、調(diào)節(jié)水量閥門(5)、電磁流量計(6)組成；湍流生成系統(tǒng)即設(shè)定 室由多孔進水管(11)、多層開孔率不同的有機玻璃擋板(12)、蜂巢擋板(13)以及出口二維 噴嘴(10)組成；測試系統(tǒng)由連接噴嘴的矩形管(包含四個測壓點(14)、可以自由拆卸的樣 品夾(16)、出口放流管(17)組成。 為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)特點，申請人在實施的過程中，使用的待測樣品為 圓形薄片，其工作流體為海水，其湍流發(fā)生系統(tǒng)使用多層開孔擋板來充分擾亂流體。在操作 過程中是通過調(diào)節(jié)樣品高度調(diào)節(jié)螺桿(15)來保證樣品和管道壁處于同一平面；其循環(huán)水 路中的工作流體在防腐離心泵(3)作用下進入管道，經(jīng)設(shè)定室及矩形管產(chǎn)生發(fā)展完全的湍 流狀態(tài)流體，從而在樣品測試部分產(chǎn)生一定的壁剪切力，作用于待測樣品。


附圖1即為本發(fā)明的模擬海下固相表面所受流體剪切力裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2即為本發(fā)明的模擬海下固相表面所受流體剪切力裝置測試部分矩形管的
結(jié)構(gòu)示意圖
其中， 1—一封閉儲液槽 2—一分流閥門 3-
4一一排水閥門 5——調(diào)節(jié)流量閥門 6-8—一真空閥門 9——真空泵 10-
進液管 12—一設(shè)定室中多層開孔擋板13—
15—一樣品高度調(diào)節(jié)螺桿 16 18——樣品 19——真空管 20—
分流閥門
_電磁流量計
_設(shè)定室二維噴嘴
設(shè)定室中蜂巢擋板 一樣品夾
樣品下的空隙
11-
-一防腐離心泵
'一一可調(diào)支座
- 一設(shè)定室多孔
14——測壓點 17——放流管
21——0形圈
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖及實例來詳述本發(fā)明的技術(shù)特點。
在實際操作中，本發(fā)明的是這樣實施的 如附圖所示，本發(fā)明包括工作流體供應系統(tǒng)、湍流生成系統(tǒng)，測試管道三個部分。 工作流體供應系統(tǒng)由封閉儲液槽(1)、防腐離心泵(3)、排水閥門(4)、分流閥門(2)、調(diào)節(jié)水 量閥門(5)、電磁流量計(6)組成；湍流生成系統(tǒng)即設(shè)定室由多孔進水管(11)、多層開孔率 不同的有機玻璃擋板(12)、蜂巢擋板(13)以及出口二維噴嘴(10)組成；測試系統(tǒng)由連接 噴嘴的矩形管(包含四個測壓點(14)、可以自由拆卸的樣品夾(16)、出口放流管(17)組 成。 如附圖所示，本發(fā)明的工作流體供應系統(tǒng)通過直徑為10cm的有機玻璃管道與湍 流生成系統(tǒng)連接，在湍流生成系統(tǒng)的進口處，管道處理為多孔管，以使流體在管口被初步擾 動。湍流生成系統(tǒng)與測試系統(tǒng)的矩形管通過二維噴嘴進行連接，二維噴嘴減少從湍流生成 系統(tǒng)的出來的流體在垂直于管道的方向流動。 裝置運行時，在設(shè)計的一定流量的循環(huán)水路中，工作流體在防腐離心泵(3)的作 用下從封閉儲液槽(1)中進入設(shè)定室，并在設(shè)定室多重開孔擋板(12,13)的作用下充分混 合，為得到完全發(fā)展的湍流做準備。從設(shè)定室中出來的水流經(jīng)過一段矩形管道，到達樣品測 試點。 一定流速下，流體在矩形測試管道上下壁產(chǎn)生的壁剪切力是一定的。圓形樣品以抽 真空的方式固定在測試點的上下壁，接受流體沖刷。當其他條件不變(大氣壓、溫度等)，改 變工作流體的流速可以改變樣品所受的剪切力。通過閥門(2)和閥門(5)控制管道內(nèi)的流 速從而控制作用于樣品的剪切力。通過U形管壓力計測定四個測壓點(14)的壓差，用來推 測管道內(nèi)流體的流動狀況(雷諾數(shù))，繼而算出裝置的工作曲線。
本發(fā)明的工作過程 封閉儲液槽(1)中的工作流體由防腐離心泵(3)做功，在整個流體回路中形成循環(huán)回路。流體流速通過分流閥門(2)和調(diào)節(jié)水量閥門(5)組合控制。在高流速區(qū)主要由調(diào) 節(jié)水量閥門(5)控制，在低流速區(qū)主要由分流閥門(2)控制。封閉儲液槽(1)中的工作流 體在防腐離心泵(3)作用下進入管道，經(jīng)過電磁流量計(6)從多孔管(11)進入設(shè)定室。流 體在設(shè)定室中經(jīng)過三個開孔率依次增大的聚碳酸酯的開孔板(12)，然后經(jīng)過聚碳酸酯的蜂 巢(13)，從二維噴嘴(10)出來進入測試部分管道。為了測定樣品處的壓降，沿測試管道依 次設(shè)置四個測壓點(14)。測壓點的壓強通過U形壓力計測定管道與大氣壓的壓差測定。流 體繼續(xù)通過樣品夾(16)進入擴散管(17)再進入水槽l，完成循環(huán)水路。
樣品夾(16)用于固定測試樣品。測試樣品為附著了海洋微型污損生物的基片，形 狀為直徑2.5cm的圓片。樣品夾(16)的上下部分各設(shè)置三個圓形槽，其底部上下可調(diào)，且 周圍以橡膠0形圈密封。樣品放上去后，和樣品槽底部形成一個小的空隙，其內(nèi)部連接真空 管。在樣品下抽真空使樣品固定在樣品槽上。調(diào)節(jié)樣品高度調(diào)節(jié)螺桿(15)使樣品與樣品 夾(16)的管壁持平，然后通過樣品夾上下各四個螺絲將其固定在測試管道上，從而使樣品 置于流體管道的管壁上，接受流體沖刷。
本發(fā)明具有的有益效果是 1.以人工海水為介質(zhì)，系統(tǒng)可以得到最大為2. 7m/s的流體流速，此時測試部分器 壁剪切力為23. 3Pa; 2.采用抗腐蝕管道系統(tǒng)，可以更真實地模擬海水流動環(huán)境；
3.可以快速評價特定海洋污損生物在特定表面的初始附著強度。
權(quán)利要求
一種模擬海下固相表面所受流體剪切力的裝置，該裝置是由工作流體供應系統(tǒng)、湍流生成系統(tǒng)、測試系統(tǒng)三部分組合而成，其特征在于工作流體供應系統(tǒng)是由分流閥門(2)，防腐離心泵(3)，排水閥門(4)，調(diào)節(jié)流量閥門(5)，電磁流量計(6)組成；湍流生成系統(tǒng)是由設(shè)定室二維噴嘴(10)，設(shè)定室多孔進液管(11)，設(shè)定室中多層開孔擋板(12)，設(shè)定室中蜂巢擋板(13)組成；測試系統(tǒng)是由可調(diào)支座(7)，真空閥門(8)，真空泵(9)，測壓點(14)，樣品高度調(diào)節(jié)螺桿(15)，樣品夾(16)，放流管(17)，樣品(18)，真空管(19)，樣品下的空隙(20)，O形圈(21)組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬海下固相表面所受流體剪切力的裝置，其特征在于 其待測樣品為圓形薄片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬海下固相表面所受流體剪切力的裝置，其特征在于 湍流發(fā)生系統(tǒng)使用多層開孔擋板來充分擾亂流體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬海下固相表面所受流體剪切力的裝置，其特征在于 可以通過調(diào)節(jié)樣品高度調(diào)節(jié)螺桿(15)來保證樣品和管道壁處于同一平面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置而開發(fā)的一種模擬海下固相表面所受流體剪切力的方法， 其特征在于循環(huán)水路中的工作流體在防腐離心泵(3)作用下進入管道，經(jīng)設(shè)定室及矩形管 產(chǎn)生發(fā)展完全的湍流狀態(tài)流體，從而在樣品測試部分產(chǎn)生一定的壁剪切力，作用于待測樣PR o
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種模擬海下固相表面所受流體剪切力的裝置，其特征在于 其工作流體為海水。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種簡單方便、能夠模擬海下固相表面所受流體剪切力的裝置和方法，包括工作流體供應系統(tǒng)、湍流生成系統(tǒng)、測試系統(tǒng)三個部分。工作流體供應系統(tǒng)由封閉儲液槽、防腐離心泵、排水管、分流管、調(diào)節(jié)流量閥門、電磁流量計組成；湍流生成系統(tǒng)即設(shè)定室由多孔進水管、多層開孔率不同的有機玻璃擋板、蜂巢擋板以及出口二維噴嘴組成；測試部分由連接噴嘴的矩形管(包含四個測壓點)、可以自由拆卸的樣品夾、出口放流管組成。測試過程中，工作流體在離心泵的作用下從封閉儲液槽中經(jīng)過湍流生成系統(tǒng)，并在多重擋板的作用下充分混合后，經(jīng)二維噴嘴進入測試部分的矩形管道，到達測試點。圓形樣品以抽真空的方式固定在測試部分的上下壁，接受水流沖刷。通過調(diào)節(jié)流速大小來控制作用于樣品的剪切力大小。
文檔編號G01N19/04GK101696926SQ20091022960
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者呂建仁, 李燕, 闕國和 申請人:中國石油大學(華東);