本發(fā)明涉及能簡便地?zé)o個(gè)體差別且迅速地獲得評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)與流體接觸的粗糙面的摩擦阻力增加量進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法、以及使用了該預(yù)測(cè)方法的摩擦阻力增加量評(píng)價(jià)裝置。

背景技術(shù)：

在船舶的性能改善和配管、流路設(shè)計(jì)等中，粗糙面所引起的摩擦阻力增加量是個(gè)重要的問題。粗糙面的表面粗糙度被認(rèn)為是摩擦阻力增加量的主因，自很久以前就在致力于根據(jù)表面粗糙度來預(yù)測(cè)摩擦阻力增加量。一般用于對(duì)管道內(nèi)表面的表面粗糙度的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，有非專利文獻(xiàn)1所示那樣使用穆迪圖和colebrook公式的方法。這些方法能夠適用于流速、粘性不同的流體，是對(duì)粘著了沙粒的粗糙面進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，由于粗糙度波長取決于沙粒直徑，所以能適用的粗糙度波長的范圍有限。另外，使用穆迪圖、colebrook的任一種方法都僅考慮了與相對(duì)于管徑的粗糙度高度的關(guān)系，未考慮粗糙度波長等的形狀參數(shù)。另外，關(guān)于船體的粗糙度，使用了專利文獻(xiàn)1、非專利文獻(xiàn)2所示的方法。這些文獻(xiàn)中，著眼于粗糙度波長，根據(jù)粗糙度高度的平方與粗糙度波長的關(guān)系來計(jì)算摩擦阻力增加率。然而這些文獻(xiàn)中，雖然探討了在一定流速時(shí)的關(guān)系，但對(duì)于流速不同的情況未進(jìn)行探討。實(shí)際上流速(船的速度和管內(nèi)流的速度)變化時(shí)，粗糙度所引起的阻力增加量是不同的，因此需要計(jì)算在各個(gè)流速下的阻力增加量。然而，未公開能夠根據(jù)表面粗糙度來高準(zhǔn)確度地預(yù)測(cè)與流速不同的流體接觸的粗糙度波長不同的粗糙面的摩擦阻力增加量的方法。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：國際公開wo2013153877號(hào)公報(bào)

非專利文獻(xiàn)

非專利文獻(xiàn)1：社團(tuán)法人日本機(jī)械學(xué)會(huì)，“jime教材系列流體力學(xué)”，(2007)，p99

非專利文獻(xiàn)2：三重野纮央紘、增田宏、“關(guān)于船底涂料的涂膜表面粗糙度所引起的阻力增加-船底外板涂料所引起的船體阻力減小”，日本海洋工程學(xué)會(huì)期刊，第48卷，第3號(hào)(2013)，p300-307

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明提出針對(duì)流速不同的流體來預(yù)測(cè)粗糙面的摩擦阻力的方法、以及使用了該方法的表面性能評(píng)價(jià)裝置。

解決技術(shù)問題的技術(shù)方案

在這樣的背景下，本發(fā)明人以流速不同的流體為對(duì)象，銳意探討了波長不同的粗糙面的摩擦阻力增加量的方法及裝置。其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過以下的結(jié)構(gòu)能夠預(yù)測(cè)波長不同的粗糙面所引起的摩擦阻力增加量，從而完成本發(fā)明。

[1]

一種粗糙面摩擦阻力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，針對(duì)與流速不同的流體接觸的粗糙度波長不同的粗糙面，評(píng)價(jià)從粘性底層厚度露出的每單位面積的總露出粗糙度投影面積a(以下，稱為“露出粗糙度投影面積a”)，根據(jù)以下的式(1)來計(jì)算摩擦阻力增加率fir(％)，或者根據(jù)以下的式(2)來計(jì)算摩擦阻力增加量δτ。

[數(shù)學(xué)式1]

fir(％)＝c×a(1)

[數(shù)學(xué)式2]

(式(1)中，系數(shù)c是取決于露出粗糙度投影面積a的常數(shù)，是預(yù)先針對(duì)粗糙度不同的多個(gè)粗糙面來改變流速v以進(jìn)行摩擦阻力試驗(yàn)，從而測(cè)量摩擦阻力增加率fir(％)而求得的。再者，摩擦阻力增加率fir(％)是將粗糙面的摩擦阻力τr與光滑面的摩擦阻力τ0的差τr－τ0除以τ0得到的百分比。

式(2)中，系數(shù)cr是取決于流體密度ρ、露出粗糙度投影面積a、流速v的常數(shù)，是預(yù)先針對(duì)粗糙度不同的多個(gè)粗糙面來改變流速v以進(jìn)行摩擦阻力試驗(yàn)，從而測(cè)量摩擦阻力增加量δτ，再根據(jù)式(2)的關(guān)系而求得的。再者，摩擦阻力增加量δτ是粗糙面的摩擦阻力τr與光滑面的摩擦阻力τ0的差τr－τ0。)

[2]

如上述[1]所述的粗糙面摩擦阻力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，使用按照以下方式得到的露出粗糙度投影面積a的值：按照iso4287：1997(jisb0601:2001)的規(guī)定測(cè)量粗糙度曲線要素的平均長度rsm來作為粗糙度波長λ，測(cè)量rc(粗糙度曲線要素的平均高度)來作為粗糙度高度r，再用式(3)而計(jì)算出。

[數(shù)學(xué)式3]

(式(3)中，δs是粘性底層的厚度，是通過光滑面的摩擦阻力試驗(yàn)而求得的，在通過式(5)根據(jù)光滑面的摩擦阻力τ0來計(jì)算摩擦速度u^*，再通過式(4)用無量綱距離y⁺(2＜y⁺＜8)和對(duì)象流體的動(dòng)粘度系數(shù)ν來計(jì)算出的δs的值中，選擇使式(1)或(2)中fir(％)或δτ與露出粗糙度投影面積a的相關(guān)系數(shù)較高的值。)

[數(shù)學(xué)式4]

[數(shù)學(xué)式5]

[3]

如上述[2]所述的粗糙面摩擦阻力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，使用按照以下方式得到的露出粗糙度投影面積a：測(cè)量rz、rzjis、rq或ra來作為粗糙度高度r＇，并求取各參數(shù)與所述rc的傾斜度a，再令rc＝a×r＇(r＇為rz、rzjis、rq或ra)進(jìn)行變換而計(jì)算出。

[4]

如上述[1]所述的粗糙面摩擦阻力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，使用按照以下方式得到的露出粗糙度投影面積a的值：按照iso4287：1997(jisb0601:2001)的規(guī)定測(cè)量粗糙度曲線要素的平均長度rsm來作為粗糙度波長λ，測(cè)量ra(算術(shù)平均粗糙度)來作為粗糙度高度r，再用式(6)而計(jì)算出。

[數(shù)學(xué)式6]

(式(6)中，用于計(jì)算露出粗糙度投影面積a的粘性底層的厚度δs是通過光滑面的摩擦阻力試驗(yàn)而求得的，在通過所述式(3)根據(jù)光滑面的摩擦阻力τ0來計(jì)算摩擦速度u*，再通過所述式(4)用無量綱距離y⁺(2＜y⁺＜8)和對(duì)象流體的動(dòng)粘度系數(shù)ν來計(jì)算出的δs的值中，選擇使式(1)中fir(％)與露出粗糙度投影面積a的相關(guān)系數(shù)較高的值或(2)中δτ與露出粗糙度投影面積a的相關(guān)系數(shù)較高的值。)

[5]

如上述[4]所述的粗糙面摩擦阻力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，使用按照以下方式得到的露出粗糙度投影面積a：測(cè)量rz、rzjis、rq或rc來作為粗糙度高度r〞，并求取各參數(shù)與ra的傾斜度a，再令ra＝a×r〞(r〞為rz、rzjis、rq或rc)進(jìn)行變換而計(jì)算出。

[6]

一種表面性能評(píng)價(jià)裝置，是通過上述[1]～[5]的任一項(xiàng)所述的預(yù)測(cè)方法來評(píng)價(jià)表面性能的裝置，其特征在于，包括：

測(cè)量部，其對(duì)粗糙度高度r及粗糙度曲線要素的平均長度rsm進(jìn)行測(cè)量；以及

計(jì)算單元，其計(jì)算露出粗糙度投影面積a，以及通過所述式(1)來計(jì)算摩擦阻力增加率fir(％)或者通過所述式(2)來計(jì)算摩擦阻力增加量δτ。

[7]

如上述[6]所述的表面性能評(píng)價(jià)裝置，其特征在于，所述測(cè)量部具備通過旋轉(zhuǎn)編碼器或線性編碼器來讀取移動(dòng)距離，通過使用了二維射束的激光位移計(jì)來讀取位移，從而對(duì)三維形狀的粗糙度高度r及粗糙度曲線要素的平均長度rsm進(jìn)行測(cè)量的結(jié)構(gòu)。

[8]

如上述[6]或[7]所述的表面性能評(píng)價(jià)裝置，其特征在于，測(cè)量rz、rzjis、rq、rc或ra來作為粗糙度高度r。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，能夠通過僅評(píng)價(jià)粗糙度的非常簡便的方法來直接計(jì)算流速不同的流體中粗糙度所引起的摩擦阻力增加量。通過使用此方法，從而能決定與目標(biāo)流速的流體接觸的表面處理等級(jí)和表面處理方法。

附圖說明

圖1示出摩擦阻力增加率fir(％)與露出粗糙度投影面積a＝0.5×(rc－δs)²/(rc×rsm)的關(guān)系圖。

圖2示出摩擦阻力增加率fir(％)與露出粗糙度投影面積a＝(ra－δs)/rsm的關(guān)系圖。

圖3示出表示粗糙度波長不同的粗糙面上流速的變化所引起的δs的變化的示意圖。

圖4示出用rc來計(jì)算從粘性底層δs露出的露出投影面積a的示意圖。

圖5示出rc與粗糙度參數(shù)rz、ra、rq、rzjis的關(guān)系圖。

圖6示出ra與粗糙度參數(shù)rz、rc、rq、rzjis的關(guān)系圖。

圖7示出a＝0.5×(rc－δs)²/(rc×rsm)中δτ(n/m²)與0.5×ρ×a×v²的關(guān)系圖。

圖8示出a＝(ra－δs)/rsm中δτ(n/m²)與0.5×ρ×a×v²的關(guān)系圖。

圖9示出使用了二維光束的表面粗糙度測(cè)量的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說明。

本發(fā)明是通過評(píng)價(jià)從粘性底層厚度露出的每單位面積的總露出粗糙度投影面積a、并計(jì)算摩擦阻力增加率fir(％)或摩擦阻力增加量δτ、從而對(duì)粗糙面所引起的摩擦阻力增加量進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。

本發(fā)明的概念

如圖3所示，在粗糙度波長不同的粗糙面上，若流速變化，則作為不受粗糙度影響的厚度的δs會(huì)變化，且露出粗糙度投影面積會(huì)變化。若變?yōu)楦咚?，則粘性底層變薄，露出粗糙度投影面積a變大，因此認(rèn)為摩擦阻力增加率fir(％)變大。同一流速的情況下，若粗糙度變大，則露出粗糙度投影面積a變大，若粗糙度波長變短，則由于粗糙度數(shù)量增大，所以露出粗糙度投影面積a變大，在此情況下也認(rèn)為摩擦阻力增加率fir(％)增加?？紤]若該粗糙度的高度、波長、粘性底層的厚度與阻力增加量的關(guān)系明確則能夠容易地預(yù)測(cè)粗糙面所引起的摩擦阻力增加量，從而完成本發(fā)明。

根據(jù)粗糙度參數(shù)來計(jì)算每單位面積的總露出粗糙度投影面積a

按照jisb0601:2001(iso4287：1997)的規(guī)定測(cè)量rc(粗糙度曲線要素的平均高度)、ra(算術(shù)平均粗糙度)的任一個(gè)來作為粗糙度高度r，再通過下述式(1)、(2)來計(jì)算從粘性底層露出的每單位面積的總露出粗糙度投影面積a(以下，稱為“露出粗糙度投影面積a”)。

[數(shù)學(xué)式7]

[數(shù)學(xué)式8]

rc是粗糙度曲線要素的平均高度，ra是算術(shù)平均粗糙度，這些是按照jisb0601:2001(iso4287:1997)的規(guī)定而測(cè)量出的。由于粗糙度曲線要素的平均高度rc是剖面曲線中表示的粗糙度高度的平均，所以能夠使用粗糙度高度rc和rsm以及粘性底層高度δs、通過以下所示步驟來計(jì)算露出粗糙度投影面積a。

如圖4所示，在假定從粘性底層露出的單一的露出粗糙度投影面積a為圓錐的投影面積的情況下，為高h(yuǎn)、底邊l的三角形的面積，因此如式(3)那樣用0.5×h×l來計(jì)算。l使用圖4中的x，rsm－2x、h用rc－δs來計(jì)算，因此，若要用rc及rsm來表示式(3)，則通過(3)～(9)的步驟，最終表示為(9)的形式。通過將從粘性底層露出的單一的露出粗糙度投影面積a乘以通過式(10)計(jì)算出的每單位面積的粗糙度個(gè)數(shù)n，從而以(11)的形式來計(jì)算露出粗糙度投影面積a。

[數(shù)學(xué)式9]

a＝0.5×h×l(3)

[數(shù)學(xué)式10]

h＝rc-δs(4)

[數(shù)學(xué)式11]

1＝rsm-2x(5)

[數(shù)學(xué)式12]

[數(shù)學(xué)式13]

[數(shù)學(xué)式14]

[數(shù)學(xué)式15]

[數(shù)學(xué)式16]

[數(shù)學(xué)式17]

另外，ra是算術(shù)平均粗糙度，是將粗糙度曲線f(x)從中心線對(duì)折、在將通過粗糙度曲線和中心線獲得的面積除以長度而得到的值，如式(12)那樣來計(jì)算，因此能夠視作每單位長度的投影面積。從而，如式(13)所示那樣再減去δs，就成為從粘性底層露出的露出粗糙度投影面積a。

使該單位長度的投影面積的每單位面積的個(gè)數(shù)n與所述式(10)相同地設(shè)為式(14)所示的1/rsm，則通過式(15)來計(jì)算露出粗糙度投影面積a。

[數(shù)學(xué)式18]

[數(shù)學(xué)式19]

a＝ra-δs(13)

[數(shù)學(xué)式20]

[數(shù)學(xué)式21]

粗糙度的測(cè)量

使用接觸式、非接觸式、手動(dòng)、自動(dòng)等表面粗糙度測(cè)量裝置來評(píng)價(jià)上述的粗糙度的測(cè)量。通常在通用或簡便性等方面，優(yōu)選為觸針式和激光位移式的裝置。尤其是，若激光位移計(jì)使用線激光(超高速輪廓測(cè)量儀lj-v7000系列)等，則能夠迅速地進(jìn)行三維測(cè)量?？梢詫?duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行保存或者在位移計(jì)內(nèi)部進(jìn)行模擬/數(shù)字處理。

參數(shù)解析的時(shí)候，優(yōu)選直接使用剖面曲線，但當(dāng)存在10000μm以上的波長的波動(dòng)的影響時(shí)，能夠按照jisbo601:2001(iso4287:1997)的規(guī)定，增添截止值(波長)λc為10000μ以上的高通濾波器，來求取粗糙度曲線。

本發(fā)明中，正確評(píng)價(jià)此粗糙度所需要的評(píng)價(jià)長度及截止值λc為10000μm以上，另外，測(cè)量間隔為500μm以下。再者，若使測(cè)量間隔為500μm，則能測(cè)量的最低波長為2000μm，但低波長粗糙度的測(cè)量誤差變大，因此實(shí)用時(shí)為250μm左右。若使測(cè)量間隔變小，則結(jié)果上耗費(fèi)測(cè)量時(shí)間，而且與摩擦阻力增加量無關(guān)的較低粗糙高度的波長的影響也開始出現(xiàn)，所以實(shí)際使用時(shí)為50μm以上較為合適。若對(duì)波長較短的粗糙度通過測(cè)量間隔較長(較低分辨率)的測(cè)量裝置來實(shí)施測(cè)量，則產(chǎn)生峰值損失，可能將粗糙度高度估計(jì)得低于實(shí)際的粗糙度，將波長估計(jì)得較長，因此優(yōu)選根據(jù)目標(biāo)粗糙度波長來改變測(cè)量間隔(分辨率)。

摩擦阻力增加率fir(％)的計(jì)算

就對(duì)水流摩擦阻力進(jìn)行計(jì)測(cè)的試驗(yàn)方法而言，用拖船試驗(yàn)、圓管試驗(yàn)、雙層圓筒試驗(yàn)、空蝕水槽的任一方法來進(jìn)行摩擦阻力試驗(yàn)。使用了雙層圓筒裝置的情況下，使外筒以500rpm～1000rpm的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)于每50rpm根據(jù)作用于光滑面的內(nèi)筒的力矩來預(yù)先求取每單位面積的光滑面摩擦阻力τ0(n/m²)，順便求取使粗糙度圓筒以同條件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)各個(gè)速度下的粗糙面的摩擦阻力τr(n/m²)，再通過下述式(16)來計(jì)算摩擦阻力增加率fir(％)。

[數(shù)學(xué)式22]

各速度下的粘性底層δs的厚度，是通過光滑面的摩擦阻力試驗(yàn)而求得的，在通過式(17)根據(jù)各速度下的光滑面摩擦阻力τ0來計(jì)算摩擦速度u^*、再通過式(18)用無量綱距離y⁺(2＜y⁺＜8)和對(duì)象流體的動(dòng)粘度系數(shù)ν來計(jì)算出的δs的值中，選擇使后述的式(19)或(24)中fir(％)或δτ與露出粗糙度投影面積a的相關(guān)系數(shù)較高的值。)

[數(shù)學(xué)式23]

[數(shù)學(xué)式24]

在此，u*是摩擦速度，y⁺是無量綱距離(y⁺＝2～8)，ν是動(dòng)粘度系數(shù)，ρ是流體密度。

系數(shù)c的求取方法

[數(shù)學(xué)式25]

fir(％)＝c×a(19)

式(19)中的傾斜度c根據(jù)粗糙度高度r的種類以及摩擦阻力試驗(yàn)方法而變化。預(yù)先制作粗糙度不同的粗糙度表面，通過改變了流速的摩擦阻力試驗(yàn)來評(píng)價(jià)摩擦阻力，從而根據(jù)露出粗糙度投影面積a與實(shí)測(cè)fir(％)的關(guān)系來求取式(19)中的常數(shù)c。

例如，在以評(píng)價(jià)長度30mm測(cè)量rc、rsm、使用雙層圓筒裝置進(jìn)行了摩擦阻力試驗(yàn)的情況下，用露出粗糙度投影面積a進(jìn)行計(jì)算時(shí)的系數(shù)c為1274，在以評(píng)價(jià)長度30mm測(cè)量ra、rsm、使用雙層圓筒裝置進(jìn)行了摩擦阻力試驗(yàn)的情況下，系數(shù)c為1800。

使用如上所述預(yù)先求取的常數(shù)c，對(duì)于粗糙度表面，來測(cè)量rc或ra以及粗糙度曲線要素的平均長度rsm，使用目標(biāo)流速的光滑面中的粘性底層厚度δs來計(jì)算露出粗糙度投影面積a，通過式(19)來預(yù)測(cè)摩擦阻力增加率fir(％)，從而能夠評(píng)價(jià)粗糙面的摩擦性能。

粗糙度阻力系數(shù)的計(jì)算

一般而言，流體的阻力(f)與投影面積s和流體密度ρ以及流體速度v成比例，能夠如基于粗糙度的式(20)那樣計(jì)算阻力系數(shù)cd。于是，通過式(21)來計(jì)算粗糙度所引起的摩擦阻力增加量δτ，將δτ作為所述阻力f，使用流速v、流體密度ρ以及露出粗糙度投影面積a通過式(22)來計(jì)算粗糙度的摩擦阻力系數(shù)cr。假定雙層圓筒試驗(yàn)的情況下在外筒與內(nèi)筒的中央、流速變?yōu)橐话?，通過式(23)來簡易估算流速，但可根據(jù)摩擦阻力試驗(yàn)的方法來適當(dāng)選擇計(jì)算流速的方法。

[數(shù)學(xué)式26]

[數(shù)學(xué)式27]

δτ＝τr-τ0(21)

[數(shù)學(xué)式28]

[數(shù)學(xué)式29]

d:外筒徑r(m)：轉(zhuǎn)速(rpm)(23)

使用粗糙度阻力系數(shù)cr來估計(jì)粗糙度所引起的摩擦阻力增加量δτ(n/m²)

能使用預(yù)先計(jì)算出的粗糙度阻力系數(shù)cr、露出粗糙度投影面積a、流體密度、流速v、用式(24)來計(jì)算粗糙度所引起的摩擦阻力增加量δτ(n/m²)，還能夠評(píng)價(jià)粗糙面的摩擦性能。

[數(shù)學(xué)式30]

本發(fā)明所涉及的表面性能評(píng)價(jià)裝置是使用了上述預(yù)測(cè)方法的裝置，包括：測(cè)量部，其對(duì)粗糙度高度r及粗糙度曲線要素的平均長度rsm進(jìn)行測(cè)量；以及摩擦阻力計(jì)算部，其用式(2)、(3)來計(jì)算露出粗糙度投影面積a，用式(19)來計(jì)算摩擦阻力增加率fir(％)，用式(24)來計(jì)算粗糙度所引起的摩擦阻力增加量δτ(n/m²)。通過使用此表面評(píng)價(jià)裝置，從而能夠容易地預(yù)測(cè)粗糙度表面的摩擦阻力增加率，能夠評(píng)價(jià)表面性能。

[實(shí)施例]

以下，基于實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步具體說明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。

[實(shí)施例1]

用雙重圓筒試驗(yàn)、作為露出粗糙度投影面積a利用0.5×(rc－δs)²/(rc×rsm)

使用雙重圓筒狀裝置，根據(jù)要素的平均高度rc以及粗糙度曲線要素的平均長度rsm和粘性底層厚度δs來計(jì)算露出粗糙度投影面積a，評(píng)價(jià)了摩擦阻力增加率fir(％)的關(guān)系。

對(duì)于形成了涂膜的內(nèi)筒的表面粗糙度，為了獲得足夠的精度而通過激光位移計(jì)從距試驗(yàn)體下部5mm開始到上部為止以每5mm為間隔計(jì)測(cè)了58行。每250μm取得一點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，在1000mm間取得了4000點(diǎn)的數(shù)據(jù)。由此，測(cè)量間隔成為了250μm。通過將一行的測(cè)量數(shù)據(jù)以30mm的評(píng)價(jià)長度分割為33個(gè)之后、減去基于均方的近似曲線，計(jì)算出剖面曲線。準(zhǔn)備了a～o共15個(gè)試驗(yàn)內(nèi)筒。

實(shí)際評(píng)價(jià)時(shí)，為了去除長波長的波動(dòng)的影響，優(yōu)選增添截止波長λs的低通濾波器來求取粗糙度曲線，在精密加工的圓筒中，長波長的波動(dòng)的影響沒有被確認(rèn)，所以直接使用剖面曲線進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

利用剖面曲線計(jì)算出rz(最大高度粗糙度)、rzjis(十點(diǎn)平均粗糙度)、rc(粗糙度曲線要素的平均高度)、ra(算術(shù)平均粗糙度)、rq(均方根粗糙度)、以及rsm。

表1中示出了使用雙層圓筒裝置進(jìn)行測(cè)量的圓筒a～o的rz、rzjis、rc、ra、rq、rsk、rku以及rsm的測(cè)量結(jié)果。只有表1中的圓筒a波長極端地短，上述的測(cè)量間隔的為250μm的方法中粗糙度較小、波長較長，因此使用測(cè)量間隔為50μm的激光位移計(jì)對(duì)30mm×30mm的一處再次測(cè)量。

雙層圓筒裝置，向不銹鋼槽(外筒，直徑φ320mm)內(nèi)填滿海水(23℃、密度ρ＝1023.95(kg/m³)、動(dòng)粘度9.9812×10^-7(m²/s))，在其中設(shè)置了通過噴涂來噴涂涂料而形成了粗糙面的聚氯乙烯樹脂制的試驗(yàn)圓筒(φ310mm×h300mm)。使外筒以500rpm～1000rpm進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，依次測(cè)量作用于形成了涂膜的粗糙度內(nèi)筒的力矩。由于油漆圓筒的膜厚的變化導(dǎo)致光滑面的摩擦阻力τ0(n/m²)、粘性底層厚度變化，所以將作用于(φ311mm×h300mm)的光滑面圓筒的力矩作為500μm厚的圓筒，將作用于(φ309mm×h300mm)的光滑面圓筒的力矩作為-500μm厚的圓筒，實(shí)施校正了各膜厚下光滑面摩擦阻力τ0與粘性底層厚度。在表2中示出各圓筒的膜厚校正后的光滑面摩擦阻力τ0，在表3中示出各圓筒的粗糙面摩擦阻力τr。

通過式(16)來計(jì)算各粗糙面所形成的內(nèi)筒的500～1000(rpm)下的摩擦阻力增加率fir(％)，在表4中將其示出。本實(shí)施例中，作為無量綱距離(y⁺＝4.0)，將粘性底層的厚度δs用式(17)、(18)進(jìn)行計(jì)算，在表5中將其示出。使用表3的粘性底層的厚度δs以及表1的各圓筒的要素的平均高度rc，用式(1)來計(jì)算露出粗糙度投影面積a，在表6中將其示出。以表6的露出粗糙度投影面積a為橫軸、表2的fir(％)為縱軸而示出的圖表為圖1，c＝1274。

以下示出利用了本實(shí)施例的阻力預(yù)測(cè)例。

在對(duì)象流體的粘性底層厚度δs為10μm(無量綱距離y⁺＝4.0)、rc為40μm、波長為3000μm的情況下，通過式(2)計(jì)算出的露出粗糙度投影面積a為0.0075(m²)，根據(jù)c＝1274來通過式(19)計(jì)算出的fir(％)為9.6％。

[實(shí)施例2]

摩擦阻力試驗(yàn)利用(ra-δs)/rsm作為露出粗糙度投影面積a

摩擦阻力測(cè)量方法及粗糙度測(cè)量方法使用[實(shí)施例1]中所述的方法。本實(shí)施例中，作為無量綱距離(y⁺＝2.5)，將粘性底層的厚度δs用式(17)、(18)進(jìn)行計(jì)算，在表7中將其示出。使用表7的粘性底層的厚度δs以及表1的各圓筒的要素的平均高度ra，用式(2)來計(jì)算露出粗糙度投影面積a，在表8中將其示出。

以表6的露出粗糙度投影面積a為橫軸、表2的fir(％)為縱軸而示出的圖表為圖2，c＝1800。

示出利用了本實(shí)施例的阻力預(yù)測(cè)例。

在對(duì)象流體的粘性底層厚度δs為6.5μm無量綱距離(y⁺＝2.5)、ra為20μm、波長為3000μm的情況下，通過式(2)計(jì)算出的露出粗糙度投影面積a為0.0045(m²)，根據(jù)c＝1800通過式(19)計(jì)算出的fir(％)為8.1％。

[實(shí)施例3]

關(guān)于表1所示的各圓筒的粗糙度參數(shù)，在圖5中示出了rz、ra、rq、rzjis與rc的相關(guān)，在圖6中示出了rz、rc、rq、rzjis與ra的相關(guān)。由于都示出了相互間較高的相關(guān)性，所以使用哪個(gè)粗糙度高度r來進(jìn)行評(píng)價(jià)都可。由此，在使用rz、rzjis、rq來作為粗糙度高度r的情況下，能夠利用各個(gè)參數(shù)與rc的傾斜度a或與ra的傾斜度a＇，將r變換為

rc＝a×r或者ra＝a＇×r

來用于式(1)、式(2)的投影面積的計(jì)算。

[實(shí)施例4]

使用流速v、流體密度ρ、[實(shí)施例1]中算出的表6的露出粗糙度投影面積a，來計(jì)算0.5×流體密度ρ×露出粗糙度投影面積a×流速v的平方，在表10中將其示出。再者，在此使用的流速v使用假定雙層圓筒試驗(yàn)的情況下在外筒與內(nèi)筒的中央、流速變?yōu)橐话?、從而通過式(23)來簡易估算出的值，在表10的上部將其示出。以表10的0.5×流體密度ρ×露出粗糙度投影面積a×流速v的平方為橫軸、以表9的δτ為縱軸而示出的圖表為圖7，根據(jù)圖7，cr＝0.0556。

示出利用了本實(shí)施例的阻力預(yù)測(cè)例。

在密度ρ＝1023.95(kg/m³)的對(duì)象流體的流速為8.4(m/sec)的情況下，粘性底層厚度δs為10μm(無量綱距離y⁺＝4.0)、rc為40μm、波長為3000μm時(shí)，通過式(2)計(jì)算出的露出粗糙度投影面積a為0.0075(m²)，根據(jù)cr＝0.0556來通過式(24)計(jì)算出的摩擦阻力增加量δτ為15(n/m²)。

[實(shí)施例5]

使用表2的光滑面摩擦阻力τ0以及表3的粗糙面摩擦阻力τr，通過式(21)來計(jì)算粗糙面與光滑面的摩擦阻力增加量δτ(n/m²)，在表9中將其示出。使用流速v、流體密度ρ、[實(shí)施例2]中算出的表8的露出粗糙度投影面積a，來計(jì)算0.5×流體密度ρ×露出粗糙度投影面積a×流速v的平方，在表11中將其示出。再者，在此使用的流速v使用假定雙層圓筒試驗(yàn)的情況下在外筒與內(nèi)筒的中央、流速v變?yōu)橐话搿亩ㄟ^式(23)來簡易估算出的值，在表11的上部將其示出。以表11的0.5×流體密度ρ×露出粗糙度投影面積a×流速v的平方為橫軸、以表9的δτ為縱軸而示出的圖表為圖8，根據(jù)圖8，cr＝0.0782。

示出利用了本實(shí)施例的阻力預(yù)測(cè)例。

在密度ρ＝1023.95(kg/m³)的對(duì)象流體的流速為8.4(m/sec)的情況下，對(duì)象流體的粘性底層厚度δs為6.5μm(無量綱距離y⁺＝2.5)、ra為20μm、波長為3000μm時(shí)，通過式(2)計(jì)算出的每單位面積的露出粗糙度投影面積a為0.0045(m²)，根據(jù)cr＝0.0782來通過式(24)計(jì)算出的摩擦阻力增加量δτ為12.7(n/m²)。

[實(shí)施例6]

圖9是將基恩士公司生產(chǎn)的lj‐v7080作為使用了二維射束線激光的位移計(jì)的測(cè)量部、將基恩士公司的光標(biāo)vp‐90作為移動(dòng)距離的讀取部的表面粗糙度測(cè)量器的例子。能夠根據(jù)安裝在車輪上的標(biāo)尺來使用光標(biāo)、以測(cè)量間隔50μm左右來記錄位移，從而能輸出三維形狀。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)可迅速地實(shí)施表面粗糙度測(cè)量的三維測(cè)量器。另外，根據(jù)本結(jié)構(gòu)，由于能將針對(duì)流動(dòng)方向的粗糙度投影面積和數(shù)量一次測(cè)量，所以能夠極迅速地求取露出粗糙度投影面積a，因此能夠獲取用于預(yù)測(cè)阻力的數(shù)據(jù)。

【表1】

表1粗糙度參數(shù)測(cè)量結(jié)果

僅圓筒a以測(cè)量間隔50μm進(jìn)行測(cè)量b～0以測(cè)量間隔250μm實(shí)施粗糙度測(cè)量

【表2】

表2各圓筒的光滑面摩擦阻力τ0(實(shí)施膜厚校正)

【表3】

表3各圓筒的粗糙面摩擦阻力τr

【表4】

表4各油漆圓筒的摩擦阻力增加率fir(％)

【表5】

表5各圓筒的粘性底層厚度δs(y⁺＝4)

【表6】

表6圓筒的露出粗糙度投影面積a＝0.5×(rc-δs)²/(rc×rsm)

【表7】

表7各圓筒的粘性底層厚度δs(實(shí)施例2)

【表8】

表8各圓筒的露出粗糙度投影面積a＝(ra-δs)/rsm(實(shí)施例2)

【表9】

表9摩擦阻力增加量δτ(n/m²)

【表10】

表10計(jì)算0.5×流體密度ρ×露出粗糙度投影面積a×流速v的平方(實(shí)施例4)

【表11】

表11計(jì)算0.5×流體密度ρ×露出粗糙度投影面積a×流速v的平方(實(shí)施例5)