解從偉，金良安，遲 衛(wèi)，韓云東，安中昌

(1.海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧 大連 116018;2.海軍大連艦艇學(xué)院裝備自動(dòng)化系，遼寧 大連 116018)

0 引言

在海平面上方，通常存在著有規(guī)則的氣體上升、下降又上升這樣循環(huán)的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)海面上存在艦船時(shí)，艦船甲板以外的海面仍然進(jìn)行著上述的氣流循環(huán)運(yùn)動(dòng);對(duì)于艦船甲板上方的氣體，其大部分氣流下沉?xí)r因有艦船甲板的阻隔而無(wú)法再到達(dá)海面，于是不斷地在甲板表面積聚，進(jìn)而也就無(wú)法與海水發(fā)生后續(xù)的海氣耦合作用，進(jìn)行熱量交換［1－3］。

在寒冷海區(qū)，隨著冷氣流這樣的不斷積聚，艦船甲板表面溫度就會(huì)隨之不斷降低，當(dāng)降至冰點(diǎn)以下時(shí)，艦船甲板就可能十分容易結(jié)冰，從而帶來(lái)諸多不便和危險(xiǎn)［4－7］。為改善這一現(xiàn)狀，課題組特提出了基于艦船周圍氣流牽引式循環(huán)的甲板平臺(tái)區(qū)域升溫技術(shù)研究。

鑒于氣流牽引式循環(huán)升溫技術(shù)受氣體牽引設(shè)備的牽引氣體流量、吹氣位置和取氣位置等多種因素影響，同時(shí)考慮有關(guān)吹氣位置和取氣位置對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響規(guī)律等內(nèi)容在后續(xù)進(jìn)行深入研究，本文將專門就牽引氣體流量對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果存在的影響進(jìn)行研究，利用專門研制的原理性驗(yàn)證模擬實(shí)驗(yàn)裝置，在水面與甲板表面的初始溫差相同情況下，對(duì)牽引氣體流量為0.5，1.5和3 L/min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對(duì)，分析牽引氣體流量對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響情況。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)氣流循環(huán)理論，特提出艦船甲板氣流牽引式循環(huán)升溫的思想——利用專用氣體牽引設(shè)備，對(duì)積聚于艦船甲板平臺(tái)區(qū)域內(nèi)的溫度較低氣體和近海面表層的溫度較高氣體進(jìn)行人工牽引，使二者在艦體周圍形成微環(huán)流，進(jìn)而使溫度較低氣體不再在艦船甲板平臺(tái)區(qū)域積聚，能夠自動(dòng)回落到海面;與此同時(shí)，作上升運(yùn)動(dòng)的近海面表層的溫度較高氣體，將被牽引回填到甲板平臺(tái)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)該區(qū)域升溫的目的。

該技術(shù)思想的核心內(nèi)容，是通過(guò)人工牽引的方法使得被艦船甲板阻隔的海面氣體對(duì)流運(yùn)動(dòng)得以恢復(fù)，其原理示意如圖1所示。

圖1 艦船甲板平臺(tái)區(qū)域升溫防凍原理示意圖Fig.1 Temperature rising principles of ship deck

參見(jiàn)圖1，其實(shí)現(xiàn)方法是:啟動(dòng)氣體牽引設(shè)備(1)，將取氣口(1a)從甲板平臺(tái)區(qū)域或海面到甲板平臺(tái)區(qū)域間取到的氣體，經(jīng)出氣口(1b)送到甲板平臺(tái)區(qū)域，以擾動(dòng)該區(qū)域原有的氣體平衡，驅(qū)散在該區(qū)域積聚的溫度較低氣體(4a)，使其降落至海面，從而在船體周圍形成新的氣流微循環(huán)，即艦船微環(huán)境氣流牽引式循環(huán)。由于溫度較低氣體(4a)回落到海面，使甲板平臺(tái)區(qū)域表面壓強(qiáng)降低，因此，作上升運(yùn)動(dòng)的溫度較高氣體(4b)被牽引回填到該區(qū)域，使該區(qū)域的溫度明顯上升，從而達(dá)到對(duì)該區(qū)域進(jìn)行升溫、防凍和除冰等目的。

本文旨在考察牽引氣體流量不同對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響規(guī)律，為此，可根據(jù)上述氣流牽引式循環(huán)的升溫思想，針對(duì)不同的牽引氣體流量進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，即可考察牽引氣體流量對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的具體影響情況。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)上述的升溫原理，特設(shè)計(jì)制作了1套封閉式的原理性驗(yàn)證模擬實(shí)驗(yàn)裝置(如圖2所示)，本次實(shí)驗(yàn)主要就牽引氣體流量對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響進(jìn)行研究。該實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)區(qū)域和溫度指示區(qū)域兩大部分組成，各部分細(xì)述如下。

1)實(shí)驗(yàn)區(qū)域部分主要包括水池 (長(zhǎng)1.2 m、寬1 m、高1.5 m)和模擬的甲板、氣體牽引設(shè)備以及擋板、3個(gè)溫度傳感器、控溫冰塊等。該部分可模擬寒冷海區(qū)艦船甲板平臺(tái)區(qū)域溫度的變化;實(shí)驗(yàn)中水池用以模擬艦船所在的海上環(huán)境;氣體牽引設(shè)備的主要功能是驅(qū)散模擬甲板表面的低溫氣體，使其從模擬甲板表面回落到水面;擋板的作用是調(diào)節(jié)模擬甲板表面的面積，以在深入研究時(shí)考察甲板面積大小對(duì)升溫效果的影響;溫度傳感器用來(lái)測(cè)量模擬甲板表面的溫度和水溫;控溫冰塊的作用是使模擬甲板表面上方形成低溫環(huán)境，以模擬艦船甲板平臺(tái)區(qū)域上方的氣體環(huán)境。

2)溫度指示區(qū)域主要由溫度顯示器和溫度顯示器固定裝置等組成。該區(qū)域主要是顯示模擬甲板表面的溫度和水溫，以通過(guò)記錄和分析溫度顯示器的讀數(shù)來(lái)研究牽引氣體流量對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響情況。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

圖2 甲板平臺(tái)區(qū)域升溫的實(shí)驗(yàn)原理示意圖Fig.2 The schematic diagram of experimental device

實(shí)驗(yàn)在3種不同牽引氣體流量的情況下進(jìn)行，啟動(dòng)氣體牽引設(shè)備后，記錄不同時(shí)刻下甲板表面溫度的數(shù)據(jù)，進(jìn)而考察分析其升溫情況。實(shí)驗(yàn)中，模擬甲板長(zhǎng)為24 cm、寬為20 cm，水深約為40 cm，模擬甲板與水面間的距離約為30 cm，模擬甲板的表面初始溫度穩(wěn)定在1.5～1.6℃，水溫穩(wěn)定在7.5～7.6℃。實(shí)驗(yàn)的具體步驟如下:

1)把氣體牽引設(shè)備固定在模擬甲板表面，并把3支溫度傳感器布置在指定位置 (如圖3所示)，其中，①距離擋板8 cm;②距離擋板18 cm;③位于水中。

2)將氣體牽引設(shè)備的取氣口S布置于離模擬甲板表面2 cm處，吹氣口P離模擬甲板端點(diǎn)(L)13 cm處，其位置示意如圖3所示。

3)打開(kāi)電源，等溫度顯示器的讀數(shù)穩(wěn)定之后，記錄此時(shí)顯示器的讀數(shù)。

圖3 溫度傳感器、取氣口及吹氣口位置分布圖Fig.3 Positions of temperature sensors，air intake and air vent

4)不啟動(dòng)氣體牽引設(shè)備，每隔2 min記錄顯示器的讀數(shù)。

5)約25 min后，啟動(dòng)氣體牽引設(shè)備，每隔2 min記錄顯示器的讀數(shù)，直至模擬甲板表面溫度不再明顯變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)得牽引氣體流量為0.5，1.5和3 L/min時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表1～表3所示，其中T1和T2分別為圖3中模擬甲板表面?zhèn)鞲衅鳍俸廷谔幍臏囟龋跏紲夭钍侵杆疁販p去初始時(shí)刻甲板表面溫度所得的差。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡可能精確，特將模擬甲板表面①和②處的2個(gè)溫度取平均值作為甲板表面平均溫度，即(T1+T2)/2。

表1 牽引氣體流量為0.5 L/min時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of 0.5 L/min

表2 牽引氣體流量為1.5 L/min時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of 1.5 L/min

表3 牽引氣體流量為3 L/min時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental data of 3 L/min

續(xù)表

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了更直觀地描述牽引氣體流量對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響，特將甲板表面T時(shí)刻的溫度減去初始時(shí)刻的溫度所得的差定義為甲板表面的升溫幅度。由此，結(jié)合表1～表3數(shù)據(jù)得出了不同牽引氣體流量時(shí)甲板表面不同時(shí)刻的升溫幅度，如表4所示，進(jìn)而有如圖4所示的升溫幅度曲線。其中，升溫幅度1、升溫幅度2和升溫幅度3表示牽引氣體流量為0.5，1.5和3 L/min時(shí)甲板表面的升溫幅度。

表4 甲板表面不同時(shí)刻的升溫幅度數(shù)據(jù)表Tab.4 Experimental data of warming-up amplitude

由表4可知，牽引氣體流量為0.5，1.5和3 L/min時(shí)，甲板表面升溫的總幅度為0.5℃、1.2℃和1.7℃左右?？梢?jiàn)，牽引氣體流量會(huì)明顯影響甲板平臺(tái)區(qū)域的升溫效果;牽引氣體流量越多，甲板表面的升溫效果就越明顯。由圖4可知，隨著時(shí)間的變化，甲板表面溫度不斷升高;初始時(shí)其表面溫度升高快，達(dá)到一定程度后不再升高。大約12 min后甲板表面升溫幅度不再明顯，也就是說(shuō)大約前12 min是升溫的主效時(shí)段，之后的時(shí)段對(duì)甲板表面升溫的貢獻(xiàn)不再明顯。因此，在實(shí)際工作中，可按其主效時(shí)段來(lái)啟動(dòng)運(yùn)行氣體牽引設(shè)備，當(dāng)甲板表面達(dá)到一定溫度后即可間歇性停機(jī)，這樣既能使甲板表面溫度升高又能大大降低能量損耗。

圖4 甲板表面不同時(shí)刻的升溫幅度曲線Fig.4 The curves of warming-up amplitude

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用專門設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)牽引氣體流量為0.5，1.5和3 L/min進(jìn)行升溫效果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過(guò)綜合分析甲板表面的升溫幅度，初步研究了在水面與甲板表面的初始溫差相同情況下?tīng)恳龤怏w流量對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響。發(fā)現(xiàn)牽引氣體流量會(huì)明顯影響甲板平臺(tái)區(qū)域的升溫效果，牽引氣體流量越多，甲板平臺(tái)區(qū)域的升溫幅度就越大，升溫效果也就越好，如牽引氣體流量為3 L/min時(shí)甲板表面升溫幅度約為1.7℃，而牽引氣體流量為0.5 L/min時(shí)其升溫的總幅度僅為0.5℃左右。本結(jié)論可為氣流牽引式循環(huán)升溫技術(shù)的深入研究提供必要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。但有關(guān)氣體牽引設(shè)備的吹氣位置和取氣位置等影響甲板表面溫度的具體規(guī)律等內(nèi)容，有待于后續(xù)進(jìn)一步深入研究。

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