易定和，歐陽清，周澤均

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引言

藤壺又稱為“馬牙”或“蚵沏仔”，屬節(jié)肢動(dòng)物門甲殼綱圍胸目動(dòng)物，是我國周邊海域一種主要的污損生物。藤壺大多生活在潮間帶，附著棲息于海水中固定或浮動(dòng)的硬物上，例如船體、浮標(biāo)、橋墩、碼頭、網(wǎng)箱及網(wǎng)具等［1］。

明確藤壺附著情況及機(jī)理，已找到一些清除藤壺的方法，包括:物理清污法、化學(xué)防污法和生物防污法。物理清污法主要指使用人工手段或機(jī)械設(shè)備對(duì)附著藤壺的船體表面進(jìn)行擦除?；瘜W(xué)防污法大多基于涂料本身形態(tài)或其釋放物質(zhì)抑制藤壺生長(zhǎng)。Schumacher等［2］發(fā)現(xiàn)增大涂層微結(jié)構(gòu)的高寬比能顯著降低藤壺幼蟲和綠藻孢子的附著量。文獻(xiàn) ［3］指出，對(duì)涂層引入親水的聚乙二醇 (PEGs)或者同時(shí)引入－CH2CH2O－片段與疏水片段能阻止污損生物附著。生物防污法是一種安全環(huán)保的防污方法，但當(dāng)前直接提取海洋生物自身防污物質(zhì)的效率低下以及制取仿生材料的昂貴成本都使該方法暫時(shí)無法大規(guī)模使用。

本文對(duì)強(qiáng)聲清除附著藤壺進(jìn)行力學(xué)仿真研究，探討強(qiáng)聲清污的理論基礎(chǔ)，明確基于強(qiáng)聲作用使附著藤壺得到清除的2種方式。仿真結(jié)果表明，不論是基于強(qiáng)聲產(chǎn)生共振力還是產(chǎn)生“綜合力”都對(duì)附著藤壺有清除效果。

1 藤壺附著基本情況

藤壺粘接主要經(jīng)歷介蟲形幼蟲暫時(shí)粘附、介蟲形幼蟲永久性粘接、幼體藤壺粘接和成體藤壺粘接4個(gè)過程。具體附著過程為:生活在海洋中的成體藤壺在浮游生物上分離出幼蟲形態(tài)的無節(jié)幼體，該幼體通過吸取浮游生物體養(yǎng)分最終蛻變成介蟲形幼蟲，幼體初期通過觸角附著接觸表面，該附著稱之為暫時(shí)粘接;隨后介蟲形幼蟲發(fā)現(xiàn)合適的表面，分泌聚合物并實(shí)現(xiàn)永久定居，此時(shí)暫時(shí)粘接轉(zhuǎn)變成永久粘接，而介蟲形幼蟲最終變?yōu)闅钣左w，幼體藤壺繼續(xù)在基體表面分泌出幼體膠。幼體變?yōu)槌审w后，成體膠也分泌到基材上，使附著進(jìn)一步牢固。

2 強(qiáng)聲三大基本效應(yīng)

2.1 空化效應(yīng)

空化是流體流動(dòng)過程中局部壓力低于飽和蒸汽壓力時(shí)出現(xiàn)的空泡生成、長(zhǎng)大、潰滅現(xiàn)象，其實(shí)質(zhì)是在流體動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)聯(lián)合作用下，液體介質(zhì)局部液－氣相變［4］。強(qiáng)聲在液體內(nèi)傳播，導(dǎo)致液體局部形成負(fù)壓區(qū)，產(chǎn)生空穴或氣泡并最終導(dǎo)致其潰滅?？张轁鐣?huì)產(chǎn)生微射流和沖擊波，強(qiáng)大的沖擊波對(duì)流體本身及內(nèi)部物質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)大的機(jī)械攪拌作用。

2.2 聲輻射力效應(yīng)

在高強(qiáng)聲條件下，聲波的非線性效應(yīng)顯著，會(huì)在聲壓中引起一個(gè)“直流”項(xiàng)，這一項(xiàng)時(shí)間的平均值具有固定的方向和大小，從而產(chǎn)生聲輻射壓力。聲波產(chǎn)生的聲輻射壓力是驚人的，它可以把常見固體懸浮于空中。長(zhǎng)時(shí)間的輻射力對(duì)物體有“持續(xù)作用力”效果。

2.3 聲流效應(yīng)

氣體或液體媒質(zhì)中有強(qiáng)聲波傳播時(shí)，往往會(huì)引起一種非周期的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為聲流［5］。聲流可以產(chǎn)生巨大的剪切力，液體中的物體受聲流作用會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)或形變。聲流對(duì)破壞附面層，加速傳質(zhì)傳熱，以及清除表面污垢、雜物都是非常有效的［6］。

3 強(qiáng)聲清污仿真分析

對(duì)藤壺的清除機(jī)理可以理解為對(duì)藤壺分泌膠體產(chǎn)生何種作用使其“失效”。當(dāng)強(qiáng)聲作用在附著藤壺及其膠體表面時(shí)，分析強(qiáng)聲三大基本效應(yīng)可知，其對(duì)藤壺分泌膠體可能產(chǎn)生共振力效果和綜合力效果。聲波本身是一種周期性機(jī)械波，其導(dǎo)致的空化、聲流效應(yīng)都會(huì)有一定的周期 (頻率)，對(duì)附著藤壺施加一定頻率的力會(huì)使其產(chǎn)生振動(dòng)等效果。此外，上述三大效應(yīng)對(duì)流體中物體都會(huì)產(chǎn)生“力”效果，該效果不能用某單一變量衡量，暫稱其為“綜合力”效果。下面，對(duì)附著藤壺2種可能清除機(jī)理作相應(yīng)研究。

3.1 基于共振力清污仿真分析

考慮藤壺膠體因共振而失效時(shí)，可以從膠體固有模態(tài)著手。固有模態(tài)是事物一種本真自然屬性，當(dāng)外界作用力頻率與事物固有頻率接近或相同時(shí)，事物由于共振具有可能的最大失效破壞。一般說來，每種事物都有若干固有頻率，對(duì)應(yīng)于每種模態(tài)，事物的失效形式是不盡相同的。分析藤壺分泌膠體各階模態(tài)振型，可以明確藤壺分泌膠體的失效機(jī)理。

根據(jù)藤壺分泌膠體基本屬性，建立膠體分析模型，設(shè)定膠體材料參數(shù)。仿真時(shí)假定膠體不存在氣孔等空隙，結(jié)構(gòu)連接完好且結(jié)合面不存在缺陷。設(shè)置其材料模型為軟件內(nèi)置的viscoelastic material model，查閱相關(guān)資料［7－8］，設(shè)定其主要參數(shù)為密度1190 kg/m3，楊氏模量3E9 Pa，泊松比0.1。然后對(duì)邊界條件進(jìn)行相應(yīng)約束。在本仿真實(shí)驗(yàn)中，將膠體下邊界設(shè)定為固定約束以模擬膠體實(shí)際粘接狀態(tài)，利用三角形網(wǎng)格單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后共得到402個(gè)單元。代入求解器進(jìn)行求解運(yùn)算，得到“模擬膠體”的前4階固有模態(tài)振型如圖1～圖4所示。

圖1 一階模態(tài) (831 Hz)下膠體變形圖Fig.1 A modal of colloid deformation diagram

圖2 二階模態(tài) (833 Hz)下膠體變形圖Fig.2 Two modals of colloid deformation diagram

圖3 三階模態(tài) (899 Hz)下膠體變形圖Fig.3 Three modals of colloid deformation diagram

圖4 四階模態(tài) (931 Hz)下膠體變形圖Fig.4 Four modals of colloid deformation diagram

從圖1～圖4得知，藤壺分泌膠體的前4階固有頻率接近850 Hz。4階模態(tài)振型是不盡相同的。在前2階模態(tài)中，膠體所受應(yīng)力基本相當(dāng)，其變形以偏移變形為主，區(qū)別是膠體偏移方向不相同，基于聲場(chǎng)作用使膠體在該頻率下振動(dòng)，通過對(duì)膠體長(zhǎng)時(shí)間施加“相同方向作用力”可使膠體的附著特性受到破壞，有利于附著藤壺的清除;在第三階模態(tài)，膠體的變形基本可以忽略，此時(shí)，共振的唯一效果是導(dǎo)致膠體內(nèi)部不同部位出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中，對(duì)藤壺的清除效果有限;在第四階模態(tài)，該膠體上半部分各處受到近似對(duì)稱的應(yīng)力集中并發(fā)生不一致的擠壓變形，該種變形使得藤壺與膠體的連接處出現(xiàn)破壞松動(dòng)，該種頻率外力作用下可能出現(xiàn)的結(jié)果是藤壺被清除，其分泌膠體仍然附著在船體表面。

3.2 基于“綜合作用力”清污仿真分析

采用三維建模方法對(duì)單個(gè)附著藤壺進(jìn)行清除力學(xué)仿真研究，建立模型如圖5所示。模型主要幾何參數(shù)為:下部矩形模擬船體鋼板部分厚度，幾何尺寸為20 mm×15 mm×3 mm;上部矩形模擬對(duì)象為靜態(tài)流體，幾何尺寸為15 mm×10 mm×7 mm;橢圓體表征單個(gè)成體藤壺，其三軸幾何尺寸分別為2 mm，2 mm，2.5 mm，藤壺膠體用三維液體橋［9］形式表征，其主要尺寸為底部半徑1.8 mm，高度1.8 mm，拉伸半角35°。

材料參數(shù)設(shè)定。對(duì)于下部矩形區(qū)域，模擬對(duì)象為船體，使用結(jié)構(gòu)鋼材料，主要參數(shù)為密度7850 kg/m3，楊氏模量3E9 Pa，泊松比0.33;對(duì)于藤壺分泌膠體區(qū)域，如3.1設(shè)置其主要參數(shù)為密度1190 kg/m3，楊氏模量3E9 Pa，泊松比0.1;對(duì)于藤壺體區(qū)域，其外殼具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，比較堅(jiān)硬等特點(diǎn)，自定義材料參數(shù)，設(shè)定主要參數(shù)為密度5000 kg/m3，楊氏模量100E9 Pa，泊松比0.3。

區(qū)域及邊界條件設(shè)置。考慮藤壺附著時(shí)受力情況進(jìn)行如下屬性設(shè)置:設(shè)定船體處于靜止?fàn)顟B(tài)，整體設(shè)置為固定約束;對(duì)于膠體與船體的接觸邊界面，為便于觀察仿真效果，設(shè)置其為固定約束。不考慮強(qiáng)聲波在介質(zhì)中的傳播，設(shè)定聲源置于附著藤壺附近 (其幾何位置如圖5中黑點(diǎn)所示)。上部矩形邊界聲場(chǎng)條件設(shè)置需要保證邊界條件與實(shí)際情況的一致性即不限定聲波傳播范圍。因此，設(shè)定該矩形周邊聲場(chǎng)邊界條件為可允許聲波正常傳播。

劃分網(wǎng)格，進(jìn)行計(jì)算求解。對(duì)該模型的網(wǎng)格劃分需要考慮2個(gè)重要因素。根據(jù)文獻(xiàn) ［10］，在進(jìn)行聲學(xué)方面的仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了提高計(jì)算精度，需要保證每個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)有6個(gè)網(wǎng)格單元的分析要求。此外，為準(zhǔn)確描述膠體的物理性質(zhì)，使用十分詳細(xì)的實(shí)體建模方法對(duì)膠體進(jìn)行建模，在膠層自由邊緣必須至少劃分4個(gè)單元以保證能準(zhǔn)確表現(xiàn)出膠層的變形效果，膠層表面內(nèi)也應(yīng)劃分盡可能多的網(wǎng)格單元，這樣劃分能正確描繪邊緣變形的衰減［11］。因此，對(duì)膠體等按文獻(xiàn)要求設(shè)定網(wǎng)格尺寸大小，用三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到如圖6所示的三維模型網(wǎng)格劃分示意圖，該網(wǎng)格模型共有21774個(gè)單元。最后代入求解器進(jìn)行相關(guān)求解后得到應(yīng)力應(yīng)變示意圖。

圖5 附著藤壺三維模型Fig.5 Barnacle adhesion model

圖6 三維模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.6 3D mesh division

圖7 點(diǎn)聲源 (2.5 W)作用下藤壺及其膠體應(yīng)力應(yīng)變圖Fig.7 Under the action of point source(2.5 W)the barnacle stress strain diagram

圖8 點(diǎn)聲源 (5 W)作用下藤壺及其膠體應(yīng)力應(yīng)變圖Fig.8 Under the action of point source(5 W)the barnacle stress strain diagram

圖9 點(diǎn)聲源 (7.5 W)作用下藤壺及其膠體應(yīng)力應(yīng)變圖Fig.9 Under the action of point source(7.5 W)the barnacle stress strain diagram

圖10 點(diǎn)聲源 (10 W)作用下藤壺及其膠體應(yīng)力應(yīng)變圖Fig.10 Under the action of point source(10 W)the barnacle stress strain diagram

在不同功率聲源 (頻率為100 Hz)條件下，藤壺及其分泌膠體受到強(qiáng)聲“綜合力”產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，如圖7～圖10所示，4種情況的聲功率分別為2.5 W，5 W，7.5 W，10 W。由圖可知:點(diǎn)聲源產(chǎn)生強(qiáng)聲波使附著藤壺受到力作用，導(dǎo)致膠體出現(xiàn)形變。隨著聲源功率的改變，強(qiáng)聲波對(duì)附著藤壺的作用效果是有區(qū)別的，主要體現(xiàn)在2方面:一是膠體局部所受應(yīng)力不同，隨聲源功率的增大，藤壺與分泌膠體的連接處出現(xiàn)應(yīng)力增大、應(yīng)力進(jìn)一步集中等現(xiàn)象，當(dāng)聲功率為10 W時(shí)，膠體最大應(yīng)力達(dá)到10.1 MN/m2;聲功率為2.5 W時(shí)，膠體最大應(yīng)力為5.1 MN/m2，二者的區(qū)別十分明顯;另一個(gè)區(qū)別在于膠體形變程度，隨著聲功率的增大，分泌膠體形變?cè)絹碓斤@著 (在仿真分析中不會(huì)出現(xiàn)膠體斷裂的現(xiàn)象)，反映藤壺被清除的可能性隨聲功率的增大而增加。

以膠體中心線處 (如圖5)所受應(yīng)力為研究對(duì)象，觀察其應(yīng)力變化趨勢(shì)，得到如圖11所示的數(shù)值變化圖。從圖中可以看到:膠體所受應(yīng)力呈近似“V”型分布，在外力 (強(qiáng)聲波)作用方向受到大的拉應(yīng)力，在擠壓方向受到大的擠壓應(yīng)力，在中心區(qū)域所受應(yīng)力相對(duì)小;該處膠體所受應(yīng)力隨聲源功率的增加而增大，且變化趨勢(shì)基本保持一致。

圖11 膠體中心線處應(yīng)力變化圖Fig.11 Colloidal center line of stress change chart

由于將膠體與船體接觸面設(shè)置為固定約束致使其在聲波作用時(shí)給出的仿真結(jié)果表現(xiàn)為所受應(yīng)力為0和沒有應(yīng)變，藤壺整體也沒出現(xiàn)清除脫離。但從膠體失效趨勢(shì)判斷，可以認(rèn)為強(qiáng)聲“綜合力”作用在膠體表面使膠體失效部位及方式已有所體現(xiàn)。此外，根據(jù)有關(guān)海洋生物膠粘劑的綜述文獻(xiàn) ［12］，科學(xué)家合成得到與藤壺分泌膠體性質(zhì)相近的人工模擬膠，通過實(shí)驗(yàn)得到這種人工模擬膠粘接Fe基質(zhì)時(shí)的拉伸強(qiáng)度為1.52 MPa，剪切強(qiáng)度為1.92 MPa。上述強(qiáng)度與此時(shí)強(qiáng)聲作用下膠體 (即將脫離時(shí))所受應(yīng)力強(qiáng)度基本相當(dāng)，這也反映強(qiáng)聲對(duì)附著藤壺有清除效果。

4 結(jié)語

借鑒強(qiáng)聲在除塵、去垢等方面的應(yīng)用，將強(qiáng)聲引入船舶清污領(lǐng)域并進(jìn)行仿真研究。強(qiáng)聲具有的三大基本效應(yīng)是其能夠清污的理論基礎(chǔ)，通過仿真分析可以看到基于強(qiáng)聲產(chǎn)生的共振力或“綜合力”都對(duì)附著藤壺有清除效果。下一步準(zhǔn)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置，通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證強(qiáng)聲的清污效果。

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