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利用柔性透明有机膜的振动降低隧道排水中

沉积污染物的粘附力

Zhenhua Xin*, Jun Ho Moon**, and Young Uk Kim***

摘要

隧道排水系统需要定期维护，以减少方解石沉积物的量，它最终会阻碍流出物，并导致管道衬里恶化。现有的维护方法能耗高，常因管道堵塞或固化污染物而造成管道损坏。在这项研究中，我们研究了膜式换能器振动对提高隧道排水系统清洗效率的有效性。我们的研究结果表明，换能器产生的振动影响排水管中粘附污染物的剪切阻力。通过减少沉淀污染物的抗剪切性，排水管道维护可以变得更节能。本研究的目的是为排水系统的压电换能器现场应用的实现提供数据。

关键词：压电换能器、隧道排水、有机膜、尺度剪切阻力、沉积污染物

1.前言

所有隧道排水系统都表现出由沉降污染物引起的结垢现象。由于流出物中含有碳酸钙沉淀，沉积方解石可以随着时间的推移严重阻碍隧道排水，并导致孔隙水压力的增加导致管道开裂和衬里劣化（DIETZEL等，2008；Jung等人，2013）。Maheshwari和GunjaGi（2008）发现相邻土壤和排水材料之间的孔隙和渗透性的差异与堵塞密切相关。然而这个问题的可能解决方案没有被讨论。目前，维护隧道排水管最常用的方法包括高压喷射、射流清洗、真空车和管道摄像机。然而，这些方法在封闭管道清洗或固化污染沉积物的清除过程中具有负面影响，如高能耗（高压注入）和管道损坏（GAMISCH和GrimSeID，2005）。

替代方法已被研究，如Gabrielli等人提出的（2001），包括在隧道排水的尺度污染物中，使用磁性装置将碳酸钙从方解石重新构造成文石，结果是，在不附着于排水管内壁的情况下，水垢变为漂浮状态。但这种效果与流出物的流速密切相关，因此排水和应用受到很大限制。一些研究表明，来自声波的振动能量对于去除水垢是极好的。超声波被用来去除来自圆柱形容器和管道的外来物质（xu等，2009；Li等人，2009）。Hatano和KAAI（1996）利用超声波的斜入射来提高双结构槽的清洗效率。根据这些结果，用超声波清洗隧道排水管的方法被设想出来。然而，这种应用也有固有的缺点，特别是需要的换能器通常是很大的并且需要在特定的频率范围内调谐。此外，为这种方法安排适当的几何结构是非常困难的。此前，克拉克等人（1993）论证了使用一种新型柔性压电换能器的可能性，该换能器由柔性透明有机膜组成。当放大的信号被传送到胶片时，它产生振动。该膜已被广泛用作传感器和致动器。Xin等（2017）论证了膜式传感器在去除排水中污染物的可能应用。然而，尚未建立良好的方法和可靠的数据来评估通过该换能器膜的振动在除垢效率方面的效果，因此没有开发现场应用。

在这项研究中，我们研究了振动的有效性，通过灵活的换能器膜来提高隧道排水系统的清洁效率。通过柔性膜将来自信号发生器的电能转换成机械能，以降低排水管中粘附污染物的抗剪切性。排水中固化污染沉积物的粘附程度是维护过程中的主要因素。因此，阻垢电阻的降低直接关系到成本和效率。我们使用从施工现场获得的排水管进行了一系列的实验室测试，以检查该膜的潜在现场应用，并获得关于该应用的有用数据。

2.实验与结果

在这些实验中使用的设备包括三个主要组成部分：由聚偏氟乙烯[PVDF]制成的柔性、透明的有机膜（HAN等人，2003；LE等2009）、一个带有封闭信号发生器的放大器和一个测量抗剪强度的测量装置，如下图所示。

图1：测量装置

该测量装置是用来量化人工诱导的沉积污染物的抗剪切力的变化，这是由于感应的能量波引起的。用于操纵设备的主要步骤相当简单。该装置是专门设计用于剪切在矩形模具中固化的老化污染物，其恒定应变率为1毫米/分钟。因此，载荷单元具有最大的抗剪强度。

人工制备的沉积物是碳酸钙的混合物：波特兰水泥，其比例为70:30。混合物在室温20℃等温/等人工条件下固化24小时。初始沉淀物的含水量为95%，放大器可吸收 48 V直流电产生 400 V直流电。从封闭的信号发生器（极限强度110 DDS（Direct Digital Synthesis，直接数字频率合成）发生器）获得输入，然后将高电压输出信号馈送到柔性透明膜中以产生振动。通常，压电换能器显示一定范围的调谐频率来控制其行为和效率（恩辛格和邦德，2012）。因此，必须确定传感器的调谐频率范围以确定哪种膜类型在本研究中是最合适的。调谐频率范围影响薄膜换能器产生的声压，因此可以通过声压变化来测量频率。使用数字声级计（BE363，COMS有限公司）获得薄膜换能器的声压，并测量各种频率和胶片尺寸。图2总结了这些试验的结果。在膜上的12个位置测量声压，并将12个读数的平均值用作每个频率的声级。根据图2，频率相对于膜尺寸没有显著的峰值范围。

图2：柔性透明膜的声级

通过振动降低抗剪强度是一个直接的过程。固化后的人工固化沉积物，进行了应变控制剪切工艺，包括了有振动能和没有振动能。测试条件包括振动的频率、持续时间和信号扫描。图3示出了由于振动能量降低了薄膜换能器的沉积物的剪切阻力。减速比表示由于振动引起的电阻差异，说明由于振动引起的电阻明显减小。可以推断，膜和沉积物之间的振动活性降低了摩擦阻力。然而，摩擦阻力衰减程度随频率而变化。在1～5 kHz范围内，振动能对剪切阻力的影响是明显可见的。即使在透明柔性变送器中没有显著的峰值调谐频率，图3示出了在1～3 kHz附近的最大减小，这可以归因于沉积污染物的固有频率。

图3：振动引起的沉积物抗剪强度降低

在本研究中使用的信号发生器具有扫描函数，产生不连贯的和逐渐增加的波信号。利用扫描函数，函数发生器可以通过在给定的频率范围内以恒定的时间速率重复频率来产生变化的高频电压。下图显示了扫描函数对剪切阻力的影响。测试是在1.5、2, 3和4 kHz的频率下进行的，这个范围是从图3任意选择的。图4中的结果表明，扫描功能比正常信号生成效率低。然而，扫描函数的减少率仍然保持在10%左右。

图4：扫掠函数对剪切阻力的影响

为了研究这些结果对于现场应用的潜力，有必要通过一套应用方法来检查电力消耗。灵活的传感器不需要大量的能量来振动，但全天运作可能会缩短换能器和放大器的寿命。图5总结了振动持续时间对在3 kHz的频率下具有不同膜尺寸的抗剪强度的影响。

图5：振动持续时间对抗剪承载力的影响

减少百分位数随振动持续时间增加至约20分钟，此后保持恒定速率。特别地，过量的能量供应不会导致更有效的应用。这意味着超过20分钟的振动不是高能效的，因此不是必需的。

3.结论

在这项研究中，进行了实验研究，通过一个灵活的、透明的有机薄膜换能器的波振动降低沉积污染物的抗剪强度。衰减比随频率、膜尺寸和波应用的持续时间而变化。人工固化污染物的剪切阻力的降低发生在1至5 kHz的频率之间。这种减少是由于薄膜换能器和沉积污染物之间由于振动能的断裂而引起的。然而，当薄膜进行全天运作时，振动应用的最大有效性是不可能达到的。根据本研究的结果，超过20分钟的应用并没有增加固化沉积物的抗剪强度的降低率。这项调查的结果支持了可能的现场应用透明的柔性薄膜转换器，以提高隧道排水维护减少沉积污染物的抗剪强度。

致谢

这项研究得到了韩国政府土地和基础设施和交通部资助的基础设施和交通技术促进研究项目的资助（项目编号：17SIP-B06261-05（开发海底隧道技术））。科学研究计划通过韩国国家研究基金会（NRF）由科学部、ICT和未来规划资助（No.2016R1A2B4013188）。

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