CN108627618A - 一种湍流状态下平板表面防污性的动态测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种湍流状态下平板表面防污性的动态测试系统，主要包括水箱、蠕动泵、透光的实验水槽和处理器，所述水箱内置微生物培养液，所述水箱的底部与蠕动泵的入口连通，蠕动泵的出口与实验水槽的入口连通，样板置于实验水槽内，实验水槽的出口经管道D与水箱连通；在管道D上分别配置有含氧量测量装置、pH测量装置，在水箱内设置有温度计，所述含氧量测量装置、pH测量装置和温度计均分别与处理器相连。本发明还提供了一种湍流状态下平板表面防污性的动态测试方法。本发明的有益效果为：通过对水循环系统的精确设计，获得与船舶处于系泊状态时更为接近的水流的流速和流态，实验结果更准确，可信度更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试装置，具体涉及一种用于评价湍流状态下平板表面防污性的动态测试系统及方法。
背景技术
船舶在水路运输和海洋开发中起着重要作用。随着石油资源的枯竭和环保要求的不断提高，节能减排和高效营运已成为行业共识，绿色船舶已成为未来船舶发展的方向。然而，任何一艘新的或经过清洁处理的船舶浸入到水中，表面就会发生生物污损现象。生物污损的问题成为制约船舶行业发展的一个重要障碍。船体污损过程中，对船体重量和表面粗糙度影响最大的是大型海藻、藤壶和贝壳等生物的附着，但这些大型污损生物附着的前提是船体表面生物膜的形成，而微生物的附着对于生物膜的形成具有显著的意义。因此，在进行实验室防污性评价时，通常采用微生物进行防污性能评价。
防污性能评价的方法可分为实验室评价、浅海挂板实验和实船实验3种。而浅海挂板实验和实船试验都面临成本高、实验周期长的缺陷，不能满足实验室进行准确快速防污性评价的需求。生物污损主要发生在船舶系泊期间，在船舶正常航行期间由于水流的冲刷使得污损生物不易附着。由于洋流和潮汐，船舶在系泊期间水流相对于船舶也是运动的，且水流状态是湍流。全球洋流流速为0.9～2.8km/h，即0.25～0.78m/s。船舶处于系泊状态时一般位于港口或锚泊区域，在此以洋山港为例。洋山港涨潮时大潮平均流速为1.03m/s，落潮时大潮平均流速为1.10m/s，中潮和小潮平均流速均低于此，且此流速为水面表层流速，流速在垂线上从表层到底层逐渐减降低。因此，动态实验装置水流速度需满足船舶处于系泊状态时因潮汐、洋流的因素水流相对于船舶的流动速度。而当前的实验室评价通常采用静态微生物附着实验，这种实验方法并不能模拟船舶系泊时的动态环境，特别是对于不含具有生物杀伤性防污剂的防污表面，这种静态微生物附着实验不能准确的反映材料的防污性能。因此，设计一种能够模拟船舶处于系泊状态的动态湍流微生物污损实验系统是非常必要的。
目前有多种实验室防污性动态实验装置，由于实验目的不同，设计方案各有千秋，例如Ilva Trentin和Ryuji Kojima的快速实验装置适用于防污涂料的加速老化实验，Michael P Schultz的湍流实验装置和中国船舶重工集团公司第七二五研究所蔺存国等人提出的一种流道式海洋生物附着力测试装置(专利公开号：CN102023130B)适用于污损生物附着力实验，浙江省海洋开发研究院孙保库等人提出的模拟动态海水对防污涂层性能影响的装置(专利公开号：CN202351229U)适用于防污涂层机械性能的测试，青岛理工大学邓乐乐等人提出的海洋装备表层涂料防锈防污能力动态模拟实验装置(专利公开号：CN206974844U)主要在于模拟船舶复杂的运动状况，且需要浸没于海水池或者海洋之中，GB/T 7789-2007和Kelli A.Zargiel的动态实验装置需要浸没于海洋中，且模拟的是船舶航行中的状态。船舶处于系泊状态时的动态污损实验系统还是空白。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术不足，提供一种试验水流流速均匀、测试准确的湍流状态下平板表面防污性的动态测试系统及方法。
本发明采用的技术方案为：一种湍流状态下平板表面防污性的动态测试系统，主要包括水箱、蠕动泵、透光的实验水槽和处理器，所述水箱内置微生物培养液，所述水箱的底部与蠕动泵的入口连通，蠕动泵的出口与实验水槽的入口连通，样板置于实验水槽内，实验水槽的出口经管道D与水箱连通；在管道D上分别配置有含氧量测量装置和pH测量装置，在水箱内设置有温度计，所述含氧量测量装置、pH测量装置和温度计均分别与处理器相连。
按上述方案，在实验水槽内部沿轴线方向设有测试区域，测试区域包括L1段和L2段，L1段为湍流充分发展段，L2段为湍流段；所述样板放置在L2段，样板的受测面与流道面齐平。
按上述方案，所述测试区域的四周通过硅胶垫片密封。
按上述方案，所述水箱内安装有搅拌器。
按上述方案，所述水箱经管道A供应微生物所需的营养物质。
按上述方案，所述水箱经管道B供应空气，管道B的入口处安装过滤器，管道B的出口伸入水箱内底部。
按上述方案，所述实验水槽由底板、上盖板和垫圈围合而成，垫圈的外围通过硅胶垫片密封。
本发明还提供了一种湍流状态下平板表面防污性的动态测试方法，主要包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述的动态测试系统；
步骤二、对实验水槽和各管道清洁消毒处理后安装样板，并连接各管道；
步骤三、将微生物培养液注入水箱；
步骤四、打开蠕动泵，驱动微生物培养液按设定的流速循环流动，定期观察微生物培养液中微生物的生长情况，并调控培养液的pH值、含氧量以及温度的变化；
步骤五、达到实验时间后取出样板，采用戊二醛溶液对微生物固定，再用无菌水冲洗后，使用显微镜观察微生物在试样表面的贴附情况；
步骤六、统计待样板上的微生物附着量，并分析样板上的微生物附着情况。
按上述方案，样板上微生物附着量的具体统计方法为：在样板表面上分别采集a、b、c三个不同点位的片场图像进行统计，计算样板表面微生物的附着量，再取平均值；样板表面的微生物附着量以微生物面积覆盖率来表示，微生物面积覆盖率根据下式计算：
微生物面积覆盖率％＝微生物附着面积/视场总面积×100％；
微生物抑制率根据下式计算：微生物抑制率％＝(Ac-As)/Ac×100％，
式中：Ac-空白对照样上微生物的面积覆盖率，As-样品上微生物的面积覆盖率。
本发明的有益效果为：1、本发明通过对水循环系统的精确设计，获得与船舶处于系泊状态时更为接近的水流的流速和流态，实验结果更准确，可信度更高；将水循环系统与生物培养装置统一结合，保证微生物的生长环境，实现在实验室模拟船舶处于系泊状态时的生物污损条件，进行长周期的微生物污损实验，有效提高防污实验的准确性，降低实验成本；2、本发明所述动态测试系统体积较小，能够放置于光照培养箱中，微生物具有良好的生物生长环境；3、本发明设计原理可靠，结构简单，易于搭建，操作容易，测试准确。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2为本实施例中实验水槽主视图。
图3为本实施例中实验水槽的左视图。
图4为本实施例中实验水槽的俯视图。
其中：1、水箱；1.1、出气口；2、蠕动泵；3、实验水槽；3.1、底板；3.2、上盖板；3.3、垫圈；3.4、硅胶垫片；3.5、L1段；3.6、L2段；4、处理器；5、管道A；6、管道B；7、管道C；8、管道D；9、含氧量测量装置；10、pH测量装置；11、温度计；12、搅拌器；13、过滤器。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种湍流状态下平板表面防污性的动态测试系统，主要包括水箱1、蠕动泵2、透明的实验水槽3和处理器4，所述水箱1内置用于培养微生物的培养液，水箱1经管道A5供应微生物所需的营养物质，经管道B6供应空气，管道B6的入口处安装过滤器13，管道B6的出口伸入水箱1内底部，自水箱1内营养液中溢出的空气自出气口1.1排出；所述水箱1的底部经管道C7与蠕动泵2的入口连通，蠕动泵2的出口与实验水槽3的入口连通，实验水槽3的出口经管道D8与水箱1连通，水箱1、蠕动泵2和实验水槽3三者形成水循环回路；在管道D8上分别配置有含氧量测量装置9和pH测量装置10，在水箱内设置有温度计11，所述含氧量测量装置9、pH测量装置10、温度计均分别与处理器4相连。优选地，所述水箱1内安装有搅拌器12。优选地，整个所述测试系统可放置于光照培养箱内，光照培养箱可以保持恒定的温度和周期的光照条件，保证微生物的生长环境。
本发明中，如图2～4所示，所述实验水槽3采用有机玻璃制作，有良好的透光性；所述实验水槽由底板3.1、上盖板3.2和垫圈3.3(可为不锈钢垫圈)围合而成(底板3.1和上盖板3.2通过罗螺栓连接)，垫圈3.3的外围通过硅胶垫片3.4密封；在实验水槽3内部沿轴线方向设有测试区域，测试区域包括L1段3.5和L2段3.6，L1段3.5为湍流充分发展段，L1段3.5的长度≥6×h，h为实验水槽3流道设计高度(即垫圈3.3的设计厚度，实验水槽3的有效高度)；L2段3.6为经过充分发展的湍流段，样板放置在L2段3.6，样板的受测面与流道面齐平，保证经蠕动泵2供应的微生物培养液流经L2段3.6时是经过充分发展的湍流状态，与船舶处于系泊状态时因潮汐和洋流导致的船舶周围的水流流态相似，硅胶垫片3.4起密封作用。本实施例中，垫圈3.3采用316L不锈钢制作，保证较高的加工精度，使实验水槽3的特征尺寸不会因加工误差而引起较大变动。
本实施例中，蠕动泵2体积小，流量可精确控制，提供循环动力，且相对于齿轮泵、螺杆泵等其他泵种可以使微生物培养液在循环过程中不受污染；蠕动泵2选型时其流量需满足使实验水槽3中培养液的流速略微高于船舶在系泊状态时洋流和潮汐的水流流速。实验水槽3流道为矩形管道，其设计需要满足其特征尺寸其中h为流道高度，w为流道宽度。在蠕动泵2流量范围为8～20L/min时，实验水槽3的理论平均流速为0.56～1.39m/s，这个速度范围将因洋流、潮汐引起海洋水流流动的流速范围基本覆盖，在此理论流速范围内，水流的雷诺数Re范围为3052～7631，本实施例中的实验水槽3为矩形管道，其临界雷诺数Rec＝2300，故实验水槽3中的微生物培养液的流动状态为湍流状态。
本实施例中的微生物主要包括细菌、硅藻、真菌以及原生生物，其中细菌和硅藻是主要污损微生物；在成熟的生物膜中，细菌和硅藻占全部污损微生物的99％，通常选择细菌和硅藻进行实验室防污性实验。向微生物培养液中补充营养物质或更换培养液，整个系统就可以长时间运行，进行长时间的防污性测试。
实验开始前，将微生物培养液加入水箱1，再通过蠕动泵2向整个系统供应，样板放置于测试区域，并调整使样板的受测面与试验水槽3的流道面齐平，保证经蠕动泵供应的微生物培养液流经测试区域时是经过充分发展的湍流状态，与船舶处于系泊状态时因潮汐和洋流导致的船舶周围的水流流态相似。
本发明还提供了一种湍流状态下平板表面防污性的动态测试方法,主要包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述动态测试系统；
步骤二、对实验水槽3和各管道清洁消毒处理后安装样板，并连接各管道，具体为：选择紫外线照射或者酒精擦拭实验水槽3和各管道，再将样板放置于测试区域的L2段3.6并调整至合适高度；接着安装垫圈3.3、硅胶垫片3.4和上盖板3.2；安装时保证实验水槽3的密封性，用软管将实验水槽3接入循环系统；
步骤三、将微生物培养液注入水箱1；
步骤四、打开蠕动泵2，驱动微生物培养液按设定的流速循环流动，定期观察微生物培养液中微生物的生长情况，通过处理器4调控培养液的pH值、含氧量以及温度的变化；如果实验周期较长，需要中途添加营养物质或者更换培养液；经过实验时间的运行后将测样板取出；实验时间可灵活控制，可以1周、2周、3周、4周等；
步骤五、达到实验时间后取出样板，用2.5％戊二醛溶液浸没样板后置于4℃的冰箱中保存2h以上，以固定微生物，便于观察；取出试样，用无菌水冲洗两次后，使用显微镜观察微生物在试样表面的贴附情况；
步骤六、统计待样板上的微生物附着量，并分析样板上的微生物附着情况：为了使所获得的数据更加准确，在统计过程中，在样板表面上分别采集a、b、c三个不同点位的片场图像来进行统计，计算样板表面微生物的附着量，再取平均值；样板表面的微生物附着量以微生物面积覆盖率来表示，微生物面积覆盖率根据下式计算：
微生物面积覆盖率％＝微生物附着面积/视场总面积×100％；
微生物抑制率根据下式计算：微生物抑制率％＝(Ac-As)/Ac×100％，
式中：Ac-空白对照样上微生物的面积覆盖率，As-样品上微生物的面积覆盖率。
取一组样板，设定不同的流速，按上述步骤进行实验；另取一组样板，各样板上涂刷防腐涂料，设定相同的流速，按上述步骤进行试验。将试验结果分析处理，通过比较样板表面单位面积上微生物附着量的差异，分析各样板的抗微生物附着性能的优劣，微生物抑制率越高，说明表面处理的防污性越好。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种湍流状态下平板表面防污性的动态测试系统，其特征在于，主要包括水箱、蠕动泵、透光的实验水槽和处理器，所述水箱内置微生物培养液，所述水箱的底部与蠕动泵的入口连通，蠕动泵的出口与实验水槽的入口连通，样板置于实验水槽内，实验水槽的出口经管道D与水箱连通；在管道D上分别配置有含氧量测量装置和pH测量装置，在水箱内设置有温度计，所述含氧量测量装置、pH测量装置、温度计均分别与处理器相连。
2.如权利要求1所述的湍流状态下平板表面防污性的动态测试系统，其特征在于，在实验水槽内部沿轴线方向设有测试区域，测试区域包括L1段和L2段，L1段为湍流充分发展段，L2段为湍流段；所述样板放置在L2段，样板的受测面与流道面齐平。
3.如权利要求1所述的湍流状态下平板表面防污性的动态测试系统，其特征在于，所述测试区域的四周通过硅胶垫片密封。
4.如权利要求1所述的湍流状态下平板表面防污性的动态测试系统，其特征在于，所述水箱内安装有搅拌器。
5.如权利要求1所述的湍流状态下平板表面防污性的动态测试系统，其特征在于，所述水箱经管道A供应微生物所需的营养物质。
6.如权利要求1所述的湍流状态下平板表面防污性的动态测试系统，其特征在于，所述水箱经管道B供应空气，管道B的入口处安装过滤器，管道B的出口伸入水箱内底部。
7.如权利要求3所述的湍流状态下平板表面防污性的动态测试系统，其特征在于，所述实验水槽由底板、上盖板和垫圈围合而成，垫圈的外围通过硅胶垫片密封。
8.一种湍流状态下平板表面防污性的动态测试方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
步骤一、提供权利要求1所述的动态测试系统；
步骤二、对实验水槽和各管道清洁消毒处理后安装样板，并连接各管道；
步骤三、将微生物培养液注入水箱；
步骤四、打开蠕动泵，驱动微生物培养液按设定的流速循环流动，定期观察微生物培养液中微生物的生长情况，并调控培养液的pH值、含氧量以及温度的变化；
步骤五、达到实验时间后取出样板，采用戊二醛溶液对微生物固定，再用无菌水冲洗后，使用显微镜观察微生物在试样表面的贴附情况；
步骤六、统计待样板上的微生物附着量，并分析样板上的微生物附着情况。
9.如权利要求8所述的湍流状态下平板表面防污性的动态测试方法，其特征在于，样板上微生物附着量的具体统计方法为：在样板表面上分别采集a、b、c三个不同点位的片场图像进行统计，计算样板表面微生物的附着量，再取平均值；样板表面的微生物附着量以微生物面积覆盖率来表示，微生物面积覆盖率根据下式计算：
微生物面积覆盖率％＝微生物附着面积/视场总面积×100％；
微生物抑制率根据下式计算：微生物抑制率％＝(Ac-As)/Ac×100％，
式中：Ac-空白对照样上微生物的面积覆盖率，As-样品上微生物的面积覆盖率。
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