CN107209105B - 粗糙面的摩擦阻力预测方法及表面性能评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供能方便地无个体差别且迅速地获得评价结果的对粗糙表面的摩擦阻力增加量进行预测的方法。本发明的粗糙面摩擦阻力预测方法的特征在于，针对与流速不同的流体接触的粗糙度波长不同的粗糙面，来评价从粘性底层厚度露出的每单位面积的总露出粗糙度投影面积A(以下，称为“露出粗糙度投影面积A”)，根据以下的式(1)来计算摩擦阻力增加率FIR(％)，或者根据以下的式(2)来计算摩擦阻力增加量Δτ：FIR(％)＝C′×A (1)

(式(1)中，系数C是取决于露出粗糙度投影面积A的常数，是预先针对粗糙度不同的多个粗糙面来改变流速V以进行摩擦阻力试验、从而测量摩擦阻力增加率FIR(％)而求得的。再者，摩擦阻力增加率FIR(％)是将粗糙面的摩擦阻力τ_r与光滑面的摩擦阻力τ₀的差τ_r－τ₀除以τ₀得到的百分比。式(2)中，系数C_r是取决于流体密度ρ、露出粗糙度投影面积A、流速V的常数，是预先针对粗糙度不同的多个粗糙面来改变流速V以进行摩擦阻力试验、从而测量摩擦阻力增加量Δτ、再根据式(2)的关系而求得的。再者，摩擦阻力增加量Δτ是粗糙面的摩擦阻力τ_r与光滑面的摩擦阻力τ₀的差τ_r－τ₀。)。

Description

粗糙面的摩擦阻力预测方法及表面性能评价装置

技术领域

本发明涉及能简便地无个体差别且迅速地获得评价结果的对与流体接触的粗糙面的摩擦阻力增加量进行预测的方法、以及使用了该预测方法的摩擦阻力增加量评价装置。

背景技术

在船舶的性能改善和配管、流路设计等中，粗糙面所引起的摩擦阻力增加量是个重要的问题。粗糙面的表面粗糙度被认为是摩擦阻力增加量的主因，自很久以前就在致力于根据表面粗糙度来预测摩擦阻力增加量。一般用于对管道内表面的表面粗糙度的影响进行评价的方法，有非专利文献1所示那样使用穆迪图和Colebrook公式的方法。这些方法能够适用于流速、粘性不同的流体，是对粘着了沙粒的粗糙面进行评价的方法，由于粗糙度波长取决于沙粒直径，所以能适用的粗糙度波长的范围有限。另外，使用穆迪图、Colebrook的任一种方法都仅考虑了与相对于管径的粗糙度高度的关系，未考虑粗糙度波长等的形状参数。另外，关于船体的粗糙度，使用了专利文献1、非专利文献2所示的方法。这些文献中，着眼于粗糙度波长，根据粗糙度高度的平方与粗糙度波长的关系来计算摩擦阻力增加率。然而这些文献中，虽然探讨了在一定流速时的关系，但对于流速不同的情况未进行探讨。实际上流速(船的速度和管内流的速度)变化时，粗糙度所引起的阻力增加量是不同的，因此需要计算在各个流速下的阻力增加量。然而，未公开能够根据表面粗糙度来高准确度地预测与流速不同的流体接触的粗糙度波长不同的粗糙面的摩擦阻力增加量的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开WO2013153877号公报

非专利文献

非专利文献1：社团法人日本机械学会，“JIME教材系列流体力学”，(2007)，p99

非专利文献2：三重野纮央紘、增田宏、“关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体阻力减小”，日本海洋工程学会期刊，第48卷，第3号(2013)，p300-307

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明提出针对流速不同的流体来预测粗糙面的摩擦阻力的方法、以及使用了该方法的表面性能评价装置。

解决技术问题的技术方案

在这样的背景下，本发明人以流速不同的流体为对象，锐意探讨了波长不同的粗糙面的摩擦阻力增加量的方法及装置。其结果，发现通过以下的结构能够预测波长不同的粗糙面所引起的摩擦阻力增加量，从而完成本发明。

[1]

一种粗糙面摩擦阻力预测方法，其特征在于，针对与流速不同的流体接触的粗糙度波长不同的粗糙面，评价从粘性底层厚度露出的每单位面积的总露出粗糙度投影面积A(以下，称为“露出粗糙度投影面积A”)，根据以下的式(1)来计算摩擦阻力增加率FIR(％)，或者根据以下的式(2)来计算摩擦阻力增加量Δτ。

[数学式1]

FIR(％)＝C×A (1)

[数学式2]

(式(1)中，系数C是取决于露出粗糙度投影面积A的常数，是预先针对粗糙度不同的多个粗糙面来改变流速V以进行摩擦阻力试验，从而测量摩擦阻力增加率FIR(％)而求得的。再者，摩擦阻力增加率FIR(％)是将粗糙面的摩擦阻力τ_r与光滑面的摩擦阻力τ₀的差τ_r－τ₀除以τ₀得到的百分比。

式(2)中，系数C_r是取决于流体密度ρ、露出粗糙度投影面积A、流速V的常数，是预先针对粗糙度不同的多个粗糙面来改变流速V以进行摩擦阻力试验，从而测量摩擦阻力增加量Δτ，再根据式(2)的关系而求得的。再者，摩擦阻力增加量Δτ是粗糙面的摩擦阻力τ_r与光滑面的摩擦阻力τ₀的差τ_r－τ₀。)

[2]

如上述[1]所述的粗糙面摩擦阻力预测方法，其特征在于，使用按照以下方式得到的露出粗糙度投影面积A的值：按照ISO 4287：1997(JIS B0601:2001)的规定测量粗糙度曲线要素的平均长度RSm来作为粗糙度波长λ，测量Rc(粗糙度曲线要素的平均高度)来作为粗糙度高度R，再用式(3)而计算出。

[数学式3]

(式(3)中，δs是粘性底层的厚度，是通过光滑面的摩擦阻力试验而求得的，在通过式(5)根据光滑面的摩擦阻力τ₀来计算摩擦速度u^*，再通过式(4)用无量纲距离y⁺(2＜y⁺＜8)和对象流体的动粘度系数ν来计算出的δs的值中，选择使式(1)或(2)中FIR(％)或Δτ与露出粗糙度投影面积A的相关系数较高的值。)

[数学式4]

[数学式5]

[3]

如上述[2]所述的粗糙面摩擦阻力预测方法，其特征在于，使用按照以下方式得到的露出粗糙度投影面积A：测量Rz、Rzjis、Rq或Ra来作为粗糙度高度R＇，并求取各参数与所述Rc的倾斜度a，再令Rc＝a×R＇(R＇为Rz、Rzjis、Rq或Ra)进行变换而计算出。

[4]

如上述[1]所述的粗糙面摩擦阻力预测方法，其特征在于，使用按照以下方式得到的露出粗糙度投影面积A的值：按照ISO 4287：1997(JIS B0601:2001)的规定测量粗糙度曲线要素的平均长度RSm来作为粗糙度波长λ，测量Ra(算术平均粗糙度)来作为粗糙度高度R，再用式(6)而计算出。

[数学式6]

(式(6)中，用于计算露出粗糙度投影面积A的粘性底层的厚度δs是通过光滑面的摩擦阻力试验而求得的，通过所述式(5)根据光滑面的摩擦阻力τ₀来计算摩擦速度u*，再通过所述式(4)用无量纲距离y⁺(2＜y⁺＜8)和对象流体的动粘度系数ν来计算出的δs的值中，选择使式(1)中FIR(％)与露出粗糙度投影面积A的相关系数较高的值或(2)中Δτ与露出粗糙度投影面积A的相关系数较高的值。)

[5]

如上述[4]所述的粗糙面摩擦阻力预测方法，其特征在于，使用按照以下方式得到的露出粗糙度投影面积A：测量Rz、Rzjis、Rq或Rc来作为粗糙度高度R〞，并求取各参数与Ra的倾斜度a，再令Ra＝a×R〞(R〞为Rz、Rzjis、Rq或Rc)进行变换而计算出。

[6]

一种表面性能评价装置，是通过上述[1]～[5]的任一项所述的预测方法来评价表面性能的装置，其特征在于，包括：

测量部，其对粗糙度高度R及粗糙度曲线要素的平均长度RSm进行测量；以及

计算单元，其计算露出粗糙度投影面积A，以及通过所述式(1)来计算摩擦阻力增加率FIR(％)或者通过所述式(2)来计算摩擦阻力增加量Δτ。

[7]

如上述[6]所述的表面性能评价装置，其特征在于，所述测量部具备通过旋转编码器或线性编码器来读取移动距离，通过使用了二维射束的激光位移计来读取位移，从而对三维形状的粗糙度高度R及粗糙度曲线要素的平均长度RSm进行测量的结构。

[8]

如上述[6]或[7]所述的表面性能评价装置，其特征在于，测量Rz、Rzjis、Rq、Rc或Ra来作为粗糙度高度R。

发明效果

根据本发明，能够通过仅评价粗糙度的非常简便的方法来直接计算流速不同的流体中粗糙度所引起的摩擦阻力增加量。通过使用此方法，从而能决定与目标流速的流体接触的表面处理等级和表面处理方法。

附图说明

图1示出摩擦阻力增加率FIR(％)与露出粗糙度投影面积A＝0.5×(Rc－δs)²/(Rc×RSm)的关系图。

图2示出摩擦阻力增加率FIR(％)与露出粗糙度投影面积A＝(Ra－δs)/RSm的关系图。

图3示出表示流速的变化所引起的δs和粗糙度投影面积的变化的示意图。

图4示出用Rc来计算从粘性底层δs露出的露出投影面积a的示意图。

图5示出Rc与粗糙度参数Rz、Ra、Rq、RZJIS的关系图。

图6示出Ra与粗糙度参数Rz、Rc、Rq、RZJIS的关系图。

图7示出A＝0.5×(Rc－δs)²/(Rc×RSm)中Δτ(N/m²)与0.5×ρ×A×V²的关系图。

图8示出A＝(Ra－δs)/RSm中Δτ(N/m²)与0.5×ρ×A×V²的关系图。

图9示出使用了二维光束的表面粗糙度测量的示意图。

具体实施方式

以下，对本发明进行具体说明。

本发明是通过评价从粘性底层厚度露出的每单位面积的总露出粗糙度投影面积A、并计算摩擦阻力增加率FIR(％)或摩擦阻力增加量Δτ、从而对粗糙面所引起的摩擦阻力增加量进行预测的方法。

本发明的概念

如图3所示，在粗糙度波长不同的粗糙面上，若流速变化，则作为不受粗糙度影响的厚度的δs会变化，且露出粗糙度投影面积会变化。若变为高速，则粘性底层变薄，露出粗糙度投影面积A变大，因此认为摩擦阻力增加率FIR(％)变大。同一流速的情况下，若粗糙度变大，则露出粗糙度投影面积A变大，若粗糙度波长变短，则由于粗糙度数量增大，所以露出粗糙度投影面积A变大，在此情况下也认为摩擦阻力增加率FIR(％)增加。考虑若该粗糙度的高度、波长、粘性底层的厚度与阻力增加量的关系明确则能够容易地预测粗糙面所引起的摩擦阻力增加量，从而完成本发明。

根据粗糙度参数来计算每单位面积的总露出粗糙度投影面积A

按照JIS B 0601:2001(ISO 4287：1997)的规定测量Rc(粗糙度曲线要素的平均高度)、Ra(算术平均粗糙度)的任一个来作为粗糙度高度R，再通过下述式(1)、(2)来计算从粘性底层露出的每单位面积的总露出粗糙度投影面积A(以下，称为“露出粗糙度投影面积A”)。

[数学式7]

[数学式8]

Rc是粗糙度曲线要素的平均高度，Ra是算术平均粗糙度，这些是按照JIS B 0601:2001(ISO 4287:1997)的规定而测量出的。由于粗糙度曲线要素的平均高度Rc是剖面曲线中表示的粗糙度高度的平均，所以能够使用粗糙度高度Rc和RSm以及粘性底层高度δs、通过以下所示步骤来计算露出粗糙度投影面积A。

如图4所示，在假定从粘性底层露出的单一的露出粗糙度投影面积a为圆锥的投影面积的情况下，为高h、底边l的三角形的面积，因此如式(3)那样用0.5×h×l来计算。l使用图4中的x，RSm－2x、h用Rc－δs来计算，因此，若要用Rc及RSm来表示式(3)，则通过(3)～(9)的步骤，最终表示为(9)的形式。通过将从粘性底层露出的单一的露出粗糙度投影面积a乘以通过式(10)计算出的每单位面积的粗糙度个数N，从而以(11)的形式来计算露出粗糙度投影面积A。

[数学式9]

a＝0.5×h×l (3)

[数学式10]

h＝Rc-δs (4)

[数学式11]

l＝RSm-2x (5)

[数学式12]

[数学式13]

[数学式14]

[数学式15]

[数学式16]

[数学式17]

另外，Ra是算术平均粗糙度，是将粗糙度曲线f(x)从中心线对折、在将通过粗糙度曲线和中心线获得的面积除以长度而得到的值，如式(12)那样来计算，因此能够视作每单位长度的投影面积。从而，如式(13)所示那样再减去δs，就成为从粘性底层露出的露出粗糙度投影面积a。

使该单位长度的投影面积的每单位面积的个数N与所述式(10)相同地设为式(14)所示的1/RSm，则通过式(15)来计算露出粗糙度投影面积A。

[数学式18]

[数学式19]

a＝Ra-δs (13)

[数学式20]

[数学式21]

粗糙度的测量

使用接触式、非接触式、手动、自动等表面粗糙度测量装置来评价上述的粗糙度的测量。通常在通用或简便性等方面，优选为触针式和激光位移式的装置。尤其是，若激光位移计使用线激光(超高速轮廓测量仪LJ-V7000系列)等，则能够迅速地进行三维测量。可以对所得数据进行保存或者在位移计内部进行模拟/数字处理。

参数解析的时候，优选直接使用剖面曲线，但当存在10000μm以上的波长的波动的影响时，能够按照JIS B O 601:2001(ISO 4287:1997)的规定，增添截止值(波长)λc为10000μ以上的高通滤波器，来求取粗糙度曲线。

本发明中，正确评价此粗糙度所需要的评价长度及截止值λc为10000μm以上，另外，测量间隔为500μm以下。再者，若使测量间隔为500μm，则能测量的最低波长为2000μm，但低波长粗糙度的测量误差变大，因此实用时为250μm左右。若使测量间隔变小，则结果上耗费测量时间，而且与摩擦阻力增加量无关的较低粗糙高度的波长的影响也开始出现，所以实际使用时为50μm以上较为合适。若对波长较短的粗糙度通过测量间隔较长(较低分辨率)的测量装置来实施测量，则产生峰值损失，可能将粗糙度高度估计得低于实际的粗糙度，将波长估计得较长，因此优选根据目标粗糙度波长来改变测量间隔(分辨率)。

摩擦阻力增加率FIR(％)的计算

就对水流摩擦阻力进行计测的试验方法而言，用拖船试验、圆管试验、双层圆筒试验、空蚀水槽的任一方法来进行摩擦阻力试验。使用了双层圆筒装置的情况下，使外筒以500rpm～1000rpm的转速进行旋转时对于每50rpm根据作用于光滑面的内筒的力矩来预先求取每单位面积的光滑面摩擦阻力τ₀(N/m²)，顺便求取使粗糙度圆筒以同条件进行旋转时各个速度下的粗糙面的摩擦阻力τ_r(N/m²)，再通过下述式(16)来计算摩擦阻力增加率FIR(％)。

[数学式22]

各速度下的粘性底层δs的厚度，是通过光滑面的摩擦阻力试验而求得的，在通过式(17)根据各速度下的光滑面摩擦阻力τ₀来计算摩擦速度u^*、再通过式(18)用无量纲距离y⁺(2＜y⁺＜8)和对象流体的动粘度系数ν来计算出的δs的值中，选择使后述的式(19)或(24)中FIR(％)或Δτ与露出粗糙度投影面积A的相关系数较高的值。)

[数学式23]

[数学式24]

在此，u*是摩擦速度，y⁺是无量纲距离(y⁺＝2～8)，ν是动粘度系数，ρ是流体密度。

系数C的求取方法

[数学式25]

FIR(％)＝C×A (19)

式(19)中的倾斜度C根据粗糙度高度R的种类以及摩擦阻力试验方法而变化。预先制作粗糙度不同的粗糙度表面，通过改变了流速的摩擦阻力试验来评价摩擦阻力，从而根据露出粗糙度投影面积A与实测FIR(％)的关系来求取式(19)中的常数C。

例如，在以评价长度30mm测量Rc、RSm、使用双层圆筒装置进行了摩擦阻力试验的情况下，用露出粗糙度投影面积A进行计算时的系数C为1274，在以评价长度30mm测量Ra、RSm、使用双层圆筒装置进行了摩擦阻力试验的情况下，系数C为1800。

使用如上所述预先求取的常数C，对于粗糙度表面，来测量Rc或Ra以及粗糙度曲线要素的平均长度RSm，使用目标流速的光滑面中的粘性底层厚度δs来计算露出粗糙度投影面积A，通过式(19)来预测摩擦阻力增加率FIR(％)，从而能够评价粗糙面的摩擦性能。

粗糙度阻力系数的计算

一般而言，流体的阻力(F)与投影面积S和流体密度ρ以及流体速度V成比例，能够如基于粗糙度的式(20)那样计算阻力系数C_D。于是，通过式(21)来计算粗糙度所引起的摩擦阻力增加量Δτ，将Δτ作为所述阻力F，使用流速V、流体密度ρ以及露出粗糙度投影面积A通过式(22)来计算粗糙度的摩擦阻力系数C_r。假定双层圆筒试验的情况下在外筒与内筒的中央、流速变为一半，通过式(23)来简易估算流速，但可根据摩擦阻力试验的方法来适当选择计算流速的方法。

[数学式26]

[数学式27]

Δτ＝τ_r-τ₀ (21)

[数学式28]

[数学式29]

D：外筒径R(m)：转速(rpm) (23)

使用粗糙度阻力系数C_r来估计粗糙度所引起的摩擦阻力增加量Δτ(N/m²)

能使用预先计算出的粗糙度阻力系数C_r、露出粗糙度投影面积A、流体密度、流速V、用式(24)来计算粗糙度所引起的摩擦阻力增加量Δτ(N/m²)，还能够评价粗糙面的摩擦性能。

[数学式30]

本发明所涉及的表面性能评价装置是使用了上述预测方法的装置，包括：测量部，其对粗糙度高度R及粗糙度曲线要素的平均长度RSm进行测量；以及摩擦阻力计算部，其用式(2)、(3)来计算露出粗糙度投影面积A，用式(19)来计算摩擦阻力增加率FIR(％)，用式(24)来计算粗糙度所引起的摩擦阻力增加量Δτ(N/m²)。通过使用此表面评价装置，从而能够容易地预测粗糙度表面的摩擦阻力增加率，能够评价表面性能。

[实施例]

以下，基于实施例对本发明进一步具体说明，但本发明不限于这些实施例。

[实施例1]

用双重圆筒试验、作为露出粗糙度投影面积A利用0.5×(Rc－δs)²/(Rc×RSm)

使用双重圆筒状装置，根据要素的平均高度Rc以及粗糙度曲线要素的平均长度RSm和粘性底层厚度δs来计算露出粗糙度投影面积A，评价了摩擦阻力增加率FIR(％)的关系。

对于形成了涂膜的内筒的表面粗糙度，为了获得足够的精度而通过激光位移计从距试验体下部5mm开始到上部为止以每5mm为间隔计测了58行。每250μm取得一点的位移数据，在1000mm间取得了4000点的数据。由此，测量间隔成为了250μm。通过将一行的测量数据以30mm的评价长度分割为33个之后、减去基于均方的近似曲线，计算出剖面曲线。准备了A～O共15个试验内筒。

实际评价时，为了去除长波长的波动的影响，优选增添截止波长λs的低通滤波器来求取粗糙度曲线，在精密加工的圆筒中，长波长的波动的影响没有被确认，所以直接使用剖面曲线进行了评价。

利用剖面曲线计算出Rz(最大高度粗糙度)、RZJIS(十点平均粗糙度)、Rc(粗糙度曲线要素的平均高度)、Ra(算术平均粗糙度)、Rq(均方根粗糙度)、以及RSm。

表1中示出了使用双层圆筒装置进行测量的圆筒A～O的Rz、RZJIS、Rc、Ra、Rq、Rsk、Rku以及RSm的测量结果。只有表1中的圆筒A波长极端地短，上述的测量间隔的为250μm的方法中粗糙度较小、波长较长，因此使用测量间隔为50μm的激光位移计对30mm×30mm的一处再次测量。

双层圆筒装置，向不锈钢槽(外筒，直径φ320mm)内填满海水(23℃、密度ρ＝1023.95(kg/m³)、动粘度9.9812×10^-7(m²/s))，在其中设置了通过喷涂来喷涂涂料而形成了粗糙面的聚氯乙烯树脂制的试验圆筒(φ310mm×H300mm)。使外筒以500rpm～1000rpm进行旋转，依次测量作用于形成了涂膜的粗糙度内筒的力矩。由于油漆圆筒的膜厚的变化导致光滑面的摩擦阻力τ₀(N/m²)、粘性底层厚度变化，所以将作用于(φ311mm×H300mm)的光滑面圆筒的力矩作为500μm厚的圆筒，将作用于(φ309mm×H300mm)的光滑面圆筒的力矩作为-500μm厚的圆筒，实施校正了各膜厚下光滑面摩擦阻力τ₀与粘性底层厚度。在表2中示出各圆筒的膜厚校正后的光滑面摩擦阻力τ₀，在表3中示出各圆筒的粗糙面摩擦阻力τ_r。

通过式(16)来计算各粗糙面所形成的内筒的500～1000(rpm)下的摩擦阻力增加率FIR(％)，在表4中将其示出。本实施例中，作为无量纲距离(y⁺＝4.0)，将粘性底层的厚度δs用式(17)、(18)进行计算，在表5中将其示出。使用表5的粘性底层的厚度δs以及表1的各圆筒的要素的平均高度Rc，用式(1)来计算露出粗糙度投影面积A，在表6中将其示出。以表6的露出粗糙度投影面积A为横轴、表4的FIR(％)为纵轴而示出的图表为图1，C＝1274。

以下示出利用了本实施例的阻力预测例。

在对象流体的粘性底层厚度δs为10μm(无量纲距离y⁺＝4.0)、Rc为40μm、波长为3000μm的情况下，通过式(1)计算出的露出粗糙度投影面积A为0.0075(m²)，根据C＝1274来通过式(19)计算出的FIR(％)为9.6％。

[实施例2]

摩擦阻力试验利用(Ra-δs)/RSm作为露出粗糙度投影面积A

摩擦阻力测量方法及粗糙度测量方法使用[实施例1]中所述的方法。本实施例中，作为无量纲距离(y⁺＝2.5)，将粘性底层的厚度δs用式(17)、(18)进行计算，在表7中将其示出。使用表7的粘性底层的厚度δs以及表1的各圆筒的要素的平均高度Ra，用式(2)来计算露出粗糙度投影面积A，在表8中将其示出。

以表8的露出粗糙度投影面积A为横轴、表4的FIR(％)为纵轴而示出的图表为图2，C＝1800。

示出利用了本实施例的阻力预测例。

在对象流体的粘性底层厚度δs为6.5μm无量纲距离(y⁺＝2.5)、Ra为20μm、波长为3000μm的情况下，通过式(2)计算出的露出粗糙度投影面积A为0.0045(m²)，根据C＝1800通过式(19)计算出的FIR(％)为8.1％。

[实施例3]

关于表1所示的各圆筒的粗糙度参数，在图5中示出了Rz、Ra、Rq、RZJIS与Rc的相关，在图6中示出了Rz、Rc、Rq、RZJIS与Ra的相关。由于都示出了相互间较高的相关性，所以使用哪个粗糙度高度R来进行评价都可。由此，在使用Rz、Rzjis、Rq来作为粗糙度高度R的情况下，能够利用各个参数与Rc的倾斜度a或与Ra的倾斜度a＇，将R变换为

Rc＝a×R或者Ra＝a＇×R

来用于式(1)、式(2)的投影面积的计算。

[实施例4]

使用流速V、流体密度ρ、[实施例1]中算出的表6的露出粗糙度投影面积A，来计算0.5×流体密度ρ×露出粗糙度投影面积A×流速V的平方，在表10中将其示出。再者，在此使用的流速V使用假定双层圆筒试验的情况下在外筒与内筒的中央、流速变为一半、从而通过式(23)来简易估算出的值，在表10的上部将其示出。以表10的0.5×流体密度ρ×露出粗糙度投影面积A×流速V的平方为横轴、以表9的Δτ为纵轴而示出的图表为图7，根据图7，C_r＝0.0556。

示出利用了本实施例的阻力预测例。

在密度ρ＝1023.95(kg/m³)的对象流体的流速为8.4(m/sec)的情况下，粘性底层厚度δs为10μm(无量纲距离y⁺＝4.0)、Rc为40μm、波长为3000μm时，通过式(1)计算出的露出粗糙度投影面积A为0.0075(m²)，根据C_r＝0.0556来通过式(24)计算出的摩擦阻力增加量Δτ为15(N/m²)。

[实施例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τ_r，通过式(21)来计算粗糙面与光滑面的摩擦阻力增加量Δτ(N/m²)，在表9中将其示出。使用流速V、流体密度ρ、[实施例2]中算出的表8的露出粗糙度投影面积A，来计算0.5×流体密度ρ×露出粗糙度投影面积A×流速V的平方，在表11中将其示出。再者，在此使用的流速V使用假定双层圆筒试验的情况下在外筒与内筒的中央、流速V变为一半、从而通过式(23)来简易估算出的值，在表11的上部将其示出。以表11的0.5×流体密度ρ×露出粗糙度投影面积A×流速V的平方为横轴、以表9的Δτ为纵轴而示出的图表为图8，根据图8，C_r＝0.0782。

示出利用了本实施例的阻力预测例。

在密度ρ＝1023.95(kg/m³)的对象流体的流速为8.4(m/sec)的情况下，对象流体的粘性底层厚度δs为6.5μm(无量纲距离y⁺＝2.5)、Ra为20μm、波长为3000μm时，通过式(2)计算出的每单位面积的露出粗糙度投影面积A为0.0045(m²)，根据C_r＝0.0782来通过式(24)计算出的摩擦阻力增加量Δτ为12.7(N/m²)。

[实施例6]

图9是将基恩士公司生产的LJ‐V7080作为使用了二维射束线激光的位移计的测量部、将基恩士公司的光标VP‐90作为移动距离的读取部的表面粗糙度测量器的例子。能够根据安装在车轮上的标尺来使用光标、以测量间隔50μm左右来记录位移，从而能输出三维形状。根据此结构，能实现可迅速地实施表面粗糙度测量的三维测量器。另外，根据本结构，由于能将针对流动方向的粗糙度投影面积和数量一次测量，所以能够极迅速地求取露出粗糙度投影面积A，因此能够获取用于预测阻力的数据。

【表1】

表1粗糙度参数测量结果

仅圆筒A以测量间隔50μm进行测量 B～0以测量间隔250μm实施粗糙度测量

【表2】

表2各圆筒的光滑面摩擦阻力τ₀(实施膜厚校正)

【表3】

表3各圆筒的粗糙面摩擦阻力τ_r

【表4】

表4各油漆圆筒的摩擦阻力增加率FIR(％)

【表5】

表5各圆筒的粘性底层厚度δs(y⁺＝4)

【表6】

表6圆筒的露出粗糙度投影面积A＝0.5×(Rc-δs)²/(Rc×RSm)

【表7】

表7各圆筒的粘性底层厚度δs(实施例2)

【表8】

表8各圆筒的露出粗糙度投影面积A＝(Ra-δs)/RSm(实施例2)

【表9】

表9摩擦阻力增加量Aτ(N/m²)

【表10】

表10计算0.5×流体密度ρ×露出粗糙度投影面积A×流速V的平方(实施例4)

【表11】

表11计算0.5×流体密度ρ×露出粗糙度投影面积A×流速V的平方(实施例5)

Claims (8)

1.一种粗糙面摩擦阻力预测方法，其特征在于，

针对与流速不同的流体接触的粗糙度波长不同的粗糙面，评价露出粗糙度投影面积A，该露出粗糙度投影面积A是从粘性底层厚度露出的每单位面积的总露出粗糙度投影面积，根据以下的式(1)来计算摩擦阻力增加率FIR(％)，或者根据以下的式(2)来计算摩擦阻力增加量Δτ：

[数学式1]

FIR(％)＝C×A

(1)

[数学式2]

式(1)中，系数C是取决于露出粗糙度投影面积A的常数，是预先针对粗糙度不同的多个粗糙面来改变流速V以进行摩擦阻力试验，从而测量摩擦阻力增加率FIR(％)而求得的，再者，摩擦阻力增加率FIR(％)是将粗糙面的摩擦阻力τ_r与光滑面的摩擦阻力τ₀的差τ_r-τ₀除以τ₀得到的百分比；

式(2)中，系数C_r是取决于流体密度ρ、露出粗糙度投影面积A、流速V的常数，是预先针对粗糙度不同的多个粗糙面来改变流速V以进行摩擦阻力试验，从而测量摩擦阻力增加量Δτ，再根据式(2)的关系而求得的，再者，摩擦阻力增加量Δτ是粗糙面的摩擦阻力τ_r与光滑面的摩擦阻力τ₀的差τ_r-τ₀。

2.如权利要求1所述的粗糙面摩擦阻力预测方法，其特征在于，

使用按照以下方式得到的露出粗糙度投影面积A的值：按照IS0 4287：1997或JIS B0601：2001的规定测量粗糙度曲线要素的平均长度RSm来作为粗糙度波长λ，测量粗糙度曲线要素的平均高度Rc来作为粗糙度高度R，再用式(3)而计算出：

[数学式3]

式(3)中，δs是粘性底层的厚度，是通过光滑面的摩擦阻力试验而求得的，在通过式(5)根据光滑面的摩擦阻力τ₀来计算摩擦速度u^*,再通过式(4)用无量纲距离y⁺和对象流体的动粘度系数ν来计算出的δs的值中，选择使式(1)中FIR(％)与露出粗糙度投影面积A的相关系数较高的值或式(2)中Δτ与露出粗糙度投影面积A的相关系数较高的值，其中2＜y⁺＜8，

[数学式4]

[数学式5]

3.如权利要求2所述的粗糙面摩擦阻力预测方法，其特征在于，

使用按照以下方式得到的露出粗糙度投影面积A：测量最大高度粗糙度Rz、十点平均粗糙度Rzjis、均方根粗糙度Rq或算术平均粗糙度Ra来作为粗糙度高度R＇，并求取各参数与所述粗糙度曲线要素的平均高度Rc的倾斜度a，再令Rc＝a×R＇进行变换而计算出，其中R＇为Rz、Rzjis、Rq或Ra。

4.如权利要求1所述的粗糙面摩擦阻力预测方法，其特征在于，

使用按照以下方式得到的露出粗糙度投影面积A的值：按照ISO 4287：1997或JIS B0601:2001的规定测量粗糙度曲线要素的平均长度RSm来作为粗糙度波长λ，测量算术平均粗糙度Ra来作为粗糙度高度R，再用式(6)而计算出：

[数学式6]

式(6)中，用于计算露出粗糙度投影面积A的粘性底层的厚度δs是通过光滑面的摩擦阻力试验而求得的，在通过式(5)根据光滑面的摩擦阻力τ₀来计算摩擦速度u*，再通过式(4)用无量纲距离y⁺和对象流体的动粘度系数ν来计算出的δs的值中，选择使式(1)中FIR(％)与露出粗糙度投影面积A的相关系数较高的值，其中2＜y⁺＜8，

[数学式4]

[数学式5]

5.如权利要求4所述的粗糙面摩擦阻力预测方法，其特征在于，

使用按照以下方式得到的露出粗糙度投影面积A：测量最大高度粗糙度Rz、十点平均粗糙度Rzjis、均方根粗糙度Rq或粗糙度曲线要素的平均高度Rc来作为粗糙度高度R〞，并求取各参数与Ra的倾斜度a，再令Ra＝a×R〞进行变换而计算出，其中R〞为Rz、Rzjis、Rq或Rc。

6.一种表面性能评价装置，其特征在于，是通过权利要求1至5中的任一项所述的预测方法来评价表面性能的装置，该表面性能评价装置包括：

测量部，其对粗糙度高度R及粗糙度曲线要素的平均长度RSm进行测量；以及

计算单元，其计算露出粗糙度投影面积A，以及通过所述式(1)来计算摩擦阻力增加率FIR(％)或者通过所述式(2)来计算摩擦阻力增加量Δτ。

7.如权利要求6所述的表面性能评价装置，其特征在于，

所述测量部具备以下结构：通过旋转编码器或线性编码器来读取移动距离、通过使用了二维射束的激光位移计来读取位移，从而对三维形状的粗糙度高度R及粗糙度曲线要素的平均长度RSm进行测量。

8.如权利要求6或7所述的表面性能评价装置，其特征在于，

测量最大高度粗糙度Rz、十点平均粗糙度Rzjis、均方根粗糙度Rq、粗糙度曲线要素的平均高度Rc或算术平均粗糙度Ra来作为粗糙度高度R。

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