強聲法清除附著藤壺的力學(xué)仿真

易定和，歐陽清，周澤均

(海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引言

藤壺又稱為“馬牙”或“蚵沏仔”，屬節(jié)肢動物門甲殼綱圍胸目動物，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的硬物上，例如船體、浮標、橋墩、碼頭、網(wǎng)箱及網(wǎng)具等［1］。

明確藤壺附著情況及機理，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械設(shè)備對附著藤壺的船體表面進行擦除?；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。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 ［3］指出，對涂層引入親水的聚乙二醇 (PEGs)或者同時引入－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無法大規(guī)模使用。

本文對強聲清除附著藤壺進行力學(xué)仿真研究，探討強聲清污的理論基礎(chǔ)，明確基于強聲作用使附著藤壺得到清除的2種方式。仿真結(jié)果表明，不論是基于強聲產(chǎn)生共振力還是產(chǎn)生“綜合力”都對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，分泌聚合物并實現(xiàn)永久定居，此時暫時粘接轉(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，使附著進一步牢固。

2 強聲三大基本效應(yīng)

2.1 空化效應(yīng)

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

2.2 聲輻射力效應(yīng)

在高強聲條件下，聲波的非線性效應(yīng)顯著，會在聲壓中引起一個“直流”項，這一項時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。長時間的輻射力對物體有“持續(xù)作用力”效果。

2.3 聲流效應(yīng)

氣體或液體媒質(zhì)中有強聲波傳播時，往往會引起一種非周期的運動，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發(fā)生運動或形變。聲流對破壞附面層，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 強聲清污仿真分析

對藤壺的清除機理可以理解為對藤壺分泌膠體產(chǎn)生何種作用使其“失效”。當強聲作用在附著藤壺及其膠體表面時，分析強聲三大基本效應(yīng)可知，其對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械波，其導(dǎo)致的空化、聲流效應(yīng)都會有一定的周期 (頻率)，對附著藤壺施加一定頻率的力會使其產(chǎn)生振動等效果。此外，上述三大效應(yīng)對流體中物體都會產(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，對附著藤壺2種可能清除機理作相應(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，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，當外界作用力頻率與事物固有頻率接近或相同時，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。然后對邊界條件進行相應(yīng)約束。在本仿真實驗中，將膠體下邊界設(shè)定為固定約束以模擬膠體實際粘接狀態(tài)，利用三角形網(wǎng)格單元進行網(wǎng)格劃分，劃分后共得到402個單元。代入求解器進行求解運算，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，其變形以偏移變形為主，區(qū)別是膠體偏移方向不相同，基于聲場作用使膠體在該頻率下振動，通過對膠體長時間施加“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，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，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單個附著藤壺進行清除力學(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。對于下部矩形區(qū)域，模擬對象為船體，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;對于藤壺體區(qū)域，其外殼具有結(jié)構(gòu)強度大，比較堅硬等特點，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。考慮藤壺附著時受力情況進行如下屬性設(shè)置:設(shè)定船體處于靜止狀態(tài)，整體設(shè)置為固定約束;對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中黑點所示)。上部矩形邊界聲場條件設(shè)置需要保證邊界條件與實際情況的一致性即不限定聲波傳播范圍。因此，設(shè)定該矩形周邊聲場邊界條件為可允許聲波正常傳播。

劃分網(wǎng)格，進行計算求解。對該模型的網(wǎng)格劃分需要考慮2個重要因素。根據(jù)文獻 ［10］，在進行聲學(xué)方面的仿真實驗時，為了提高計算精度，需要保證每個波長內(nèi)有6個網(wǎng)格單元的分析要求。此外，為準確描述膠體的物理性質(zhì)，使用十分詳細的實體建模方法對膠體進行建模，在膠層自由邊緣必須至少劃分4個單元以保證能準確表現(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，對膠體等按文獻要求設(shè)定網(wǎng)格尺寸大小，用三角形單元進行網(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個單元。最后代入求解器進行相關(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:點聲源產(chǎn)生強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，強聲波對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)力進一步集中等現(xiàn)象，當聲功率為10 W時，膠體最大應(yīng)力達到10.1 MN/m2;聲功率為2.5 W時，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，分泌膠體形變越來越顯著 (在仿真分析中不會出現(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)力為研究對象，觀察其應(yīng)力變化趨勢，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。但從膠體失效趨勢判斷，可以認為強聲“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 ［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，通過實驗得到這種人工模擬膠粘接Fe基質(zhì)時的拉伸強度為1.52 MPa，剪切強度為1.92 MPa。上述強度與此時強聲作用下膠體 (即將脫離時)所受應(yīng)力強度基本相當，這也反映強聲對附著藤壺有清除效果。

4 結(jié)語

借鑒強聲在除塵、去垢等方面的應(yīng)用，將強聲引入船舶清污領(lǐng)域并進行仿真研究。強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聲產(chǎn)生的共振力或“綜合力”都對附著藤壺有清除效果。下一步準備設(shè)計簡易實驗裝置，通過真實實驗驗證強聲的清污效果。

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