解從偉，遲衛(wèi)，金良安，安中昌

（1．海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì)，遼寧大連 116018；2.海軍大連艦艇學(xué)院航?；?，遼寧大連 116018）

環(huán)境水溫對(duì)艦船甲板升溫效果影響的實(shí)驗(yàn)研究

解從偉1，遲衛(wèi)2，金良安2，安中昌1

（1．海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì)，遼寧大連 116018；2.海軍大連艦艇學(xué)院航?；?，遼寧大連 116018）

艦船甲板平臺(tái)區(qū)域的氣流牽引式循環(huán)升溫新技術(shù)是為解決其防凍和除冰等相關(guān)問(wèn)題研究的。該文利用專(zhuān)用的原理性驗(yàn)證模擬實(shí)驗(yàn)裝置，初步研究環(huán)境水溫對(duì)甲板區(qū)域升溫效果的影響，對(duì)環(huán)境水溫為8.1～8.3℃、5.0～5.2℃和1.1～1.3℃進(jìn)行升溫效果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：在甲板表面初始溫度相同的情況下，環(huán)境水溫會(huì)明顯影響甲板平臺(tái)區(qū)域的升溫效果；環(huán)境水溫越高，即水面與甲板表面的初始溫差越大，甲板平臺(tái)區(qū)域的升溫幅度就越大，其升溫效果也就越好。

艦船甲板；升溫技術(shù)；環(huán)境水溫；實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

艦船甲板平臺(tái)區(qū)域的防凍和除冰，在當(dāng)今仍然是亟待解決的一個(gè)技術(shù)難題?，F(xiàn)有常用的一些除冰方法不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力而且危險(xiǎn)，有時(shí)還要用棒槌、大錘和消防斧等人工方法[1-5]來(lái)除冰，顯然難以滿(mǎn)足高科技條件下對(duì)作戰(zhàn)的要求。雖然有些現(xiàn)代化艦船裝有用于除冰的電加熱或蒸汽加熱設(shè)備，可這些設(shè)備往往需要連續(xù)消耗大量的電能；而且，排水孔和疏水管道都極易結(jié)冰，融化后的冰水囤積在甲板上也很有可能重新結(jié)冰[4-8]，難以達(dá)到徹底除冰的效果。為此，本文提出了基于艦船周?chē)鷼饬鳡恳窖h(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)受環(huán)境水溫、氣體牽引設(shè)備的取氣口、吹氣口以及牽引氣體流量、風(fēng)速等多種因素影響，本文將專(zhuān)門(mén)就環(huán)境水溫對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果存在的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，利用專(zhuān)門(mén)研制的原理性驗(yàn)證模擬實(shí)驗(yàn)裝置，分析環(huán)境水溫對(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(zhuān)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，使兩者在艦體周?chē)纬晌h(huán)流，從而使溫度較低氣體不再積聚于艦船甲板平臺(tái)區(qū)域，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，進(jìn)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因艦船甲板的存在而被阻隔的海面氣體對(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)域升溫原理示意圖

如圖1所示，其實(shí)現(xiàn)方法是：?jiǎn)?dòng)氣體牽引設(shè)備，將氣體經(jīng)吹氣口送到甲板平臺(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，使其降落至海面，從而在船體周?chē)纬尚碌臍饬魑⒀h(huán)，即艦船微環(huán)境氣流牽引式循環(huán)。由于溫度較低氣體回落到海面，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。

本文旨在考察環(huán)境水溫不同時(shí)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)不同的環(huán)境水溫進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，即可考察環(huán)境水溫對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的具體影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

為研究環(huán)境水溫對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響，設(shè)計(jì)制作了一套封閉式的原理性驗(yàn)證模擬實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示。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。實(shí)驗(yàn)區(qū)域部分主要包括水池（1.2m×1m×1.5m）、模擬的甲板、氣體牽引設(shè)備、擋板、3支溫度傳感器、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。

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)記錄和分析溫度傳感器顯示的讀數(shù)來(lái)研究環(huán)境水溫對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響。

圖2 氣流牽引式循環(huán)升溫的實(shí)驗(yàn)原理示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在3種不同環(huán)境水溫下進(jìn)行，啟動(dòng)氣體牽引設(shè)備后記錄不同時(shí)刻下模擬甲板表面溫度的數(shù)據(jù)，進(jìn)而考察分析其升溫情況。實(shí)驗(yàn)中，模擬甲板的長(zhǎng)24 cm，寬20 cm，水深約為36 cm，模擬甲板與水面的高度約為34 cm，牽引氣體的流量約為1.5 L/min。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支溫度傳感器分別布置在指定位置（如圖3所示），其中，①距離擋板5 cm；②距離擋板18cm；③位于水中，④位于密閉環(huán)境中。

（2）將氣體牽引設(shè)備的取氣口S布置于離模擬甲板表面0.5 cm處，吹氣口P離模擬甲板端點(diǎn)（N）12 cm，位置示意圖如圖3所示。

（3）打開(kāi)溫度傳感器電源，當(dāng)溫度傳感器位置③處的讀數(shù)穩(wěn)定在8.1～8.3℃后，記錄此時(shí)3支溫度顯示器的讀數(shù)。

圖3 溫度傳感器、取氣口、吹氣口位置分布圖

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

（5）約20min后，啟動(dòng)氣體牽引設(shè)備，每隔2min記錄各溫度顯示器的讀數(shù)，直到模擬甲板表面溫度不再明顯變化。

環(huán)境水溫為5.0～5.2℃和1.1～1.3℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)步驟與上述步驟一致。

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)步驟，測(cè)得環(huán)境水溫為8.1～8.3℃、5.0～5.2℃和1.1～1.3℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表1、表2和表3所示，其中T1、T2分別為圖3中模擬甲板表面?zhèn)鞲衅鳍佟ⅱ谔幍臏囟?，初始溫差是指環(huán)境水溫減去初始時(shí)刻甲板表面溫度所得的差。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡可能精確，將模擬甲板表面①、②處的兩個(gè)溫度取平均值作為甲板表面平均溫度，即（T1+T2）/2。

2.2 分析與討論

2.2.1 甲板表面不同時(shí)刻的升溫情況

為了更直觀地描述環(huán)境水溫對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響，將甲板表面T時(shí)刻的平均溫度減去初始時(shí)刻的平均溫度所得的差定義為甲板表面升溫幅度。由此，結(jié)合表1～表3數(shù)據(jù)得出了不同初始溫差時(shí)甲板表面不同時(shí)刻的升溫幅度曲線，如圖4所示。

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。而且，從時(shí)間上看，大約10min后甲板表面升溫幅度不再明顯，也就是說(shuō)前10min是升溫的主效時(shí)段，之后時(shí)間對(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)。

表1 環(huán)境水溫為8.1～8.3℃（初始溫差約為9.8℃）時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 環(huán)境水溫為5.0～5.2℃（初始溫差約為6.6℃）時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 甲板表面的升溫效率與不同初始溫差間的關(guān)系曲線

當(dāng)初始溫差沒(méi)有足夠大時(shí)，由于甲板表面的升溫總幅度很小，其升溫效果不明顯，所以使用氣流牽引式循環(huán)技術(shù)對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域進(jìn)行升溫意義不大；而當(dāng)存在足夠大的初始溫差時(shí)，使用該技術(shù)進(jìn)行升溫則有明顯的效果。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)初始溫差的大小來(lái)決定是否啟動(dòng)運(yùn)行氣體牽引設(shè)備。2.2.2升溫效率與初始溫差間的關(guān)系分析

為了進(jìn)一步描述水溫對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響，特引入升溫效率的概念，即在同一水溫條件下，甲板表面的升溫總幅度與初始溫差之比，顯然從另一角度它可以更好地反映甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的差異。由此，綜合表1～表3的數(shù)據(jù)得出了升溫效率與不同初始溫差間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

由圖5可知，初始溫差越大，甲板表面的升溫效率就越高，其升溫效果也就越明顯；隨著初始溫差的增大，甲板表面的升溫效率也不斷升高，但升溫效率隨初始溫差的變化存在快速增長(zhǎng)區(qū)，即初始溫差在一段區(qū)間內(nèi)甲板表面的升溫效率快速增長(zhǎng)；初始時(shí)其表面升溫效率的升高幅度大，達(dá)到一定程度后趨于平穩(wěn)。而且，從圖中還可看出，氣流牽引式循環(huán)升溫技術(shù)存在升溫效率的理想值，該理想值約為50%，即達(dá)到該理想值時(shí)甲板表面的升溫總幅度約為初始溫差的一半。

2.2.3 環(huán)境水溫對(duì)升溫效果影響的原因

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析表明，在甲板表面初始溫度相同的情況下，環(huán)境水溫越高，甲板平臺(tái)區(qū)域的升溫效果就越明顯。其原因解析如下。

根據(jù)氣流牽引式循環(huán)技術(shù)的升溫原理，環(huán)境水溫是其能夠使甲板平臺(tái)區(qū)域升溫的動(dòng)力源泉所在；當(dāng)甲板表面初始溫度相同時(shí)，環(huán)境水溫越高，即初始溫差越大，相應(yīng)的氣體對(duì)流運(yùn)動(dòng)必然越強(qiáng)烈[9-10]。

在海面上，通常存在著有規(guī)律的氣體上升、下降又上升的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)海面上有艦船時(shí)，艦船甲板周邊以外的海面仍然進(jìn)行著上述的氣體對(duì)流運(yùn)動(dòng)；對(duì)于艦船甲板上方的氣體，其大部分冷氣流下沉?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；隨著冷氣流這樣的不斷積聚，艦船甲板表面溫度必然會(huì)隨之不斷降低，當(dāng)降至冰點(diǎn)以下時(shí)，艦船甲板就容易結(jié)冰，而通過(guò)人工牽引的方法使艦船甲板平臺(tái)區(qū)域的對(duì)流運(yùn)動(dòng)被恢復(fù)后，如果該氣體對(duì)流運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈，那么填充到甲板平臺(tái)區(qū)域的溫度較高的氣體就越多，從而使甲板表面的升溫幅度就越大，其升溫效果也就越好。因此，初始溫差越大，甲板平臺(tái)區(qū)域的升溫效果就越好。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)環(huán)境水溫為8.1～8.3℃、5.0～5.2℃和1.1～1.3℃進(jìn)行升溫效果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明環(huán)境水溫會(huì)明顯影響甲板表面升溫的效果，環(huán)境水溫越高，甲板平臺(tái)區(qū)域的升溫幅度就越大，其升溫效果也就越好。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實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

[1]王虎虎，洪明，陳鳳，等.基于自適應(yīng)進(jìn)化策略的船舶甲板結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化[J].造船，2011（2）：130-138.

[2]王桂香.船用電熱絲電加溫玻璃及導(dǎo)電膜電加溫玻璃淺析[J].中外船舶科技，2009（4）：20-21.

[3]趙慶愛(ài).冬季渤海遼東灣水域防冰損安全對(duì)策[J].航海技術(shù)，2011（1）：14-16.

[4]周強(qiáng)，陽(yáng)初春，黃衛(wèi)平，等.EESS應(yīng)用于艦面艙口蓋除冰的可行性分析[J].海軍航空工程學(xué)院，2006，21（6）：657-661.

[5]施興華，王善，張婧，等.海洋環(huán)境中船舶傾覆的研究綜述[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2007（5）：23-28.

[6]Mulherin N D，Miller A C.An experiment in preventing zebra mussel settlement using electro-expulsive separation technology[M].U.S.Army Corps of Engineers，2003：10-38.

[7]吳添春.冰區(qū)可航水域的安全航行[J].航海技術(shù)，2006（6）：17-19.

[8]陳魯愚，陳順懷，嚴(yán)新平.大型遠(yuǎn)洋風(fēng)帆助航船舶節(jié)能效率分析[J].船海工程，2010（6）：211-123.

[9]劉大剛，張永寧.航海氣象學(xué)與海洋學(xué)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2010：10-38.

[10]吳金龍，張弘.航海氣象學(xué)與海洋基礎(chǔ)[M].北京：對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)出版社，2011（8）：8-39.

Experimental study on deck-tem perature-rising technology in different water tem peratures

XIE Cong-wei1，CHIWei2，JIN Liang-an2，AN Zhong-chang1
（1.Department of Graduate Management，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China；
2.Department of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）

Deck-temperature-rising technology is the new technology that solves the temperature rising and deicing problems of ships deck.In this paper，the special experimental device was designed，and the influence laws of this new technology in different water temperatures were studied.Comparative experiments were done with the water temperatures at 8.1-8.3℃，5.0-5.2℃and 1.1-1.3℃.The experimental results show that under the same initial temperature of deck surface，the water temperature has significant impact on this new technology.The higher the temperature is，the greater warming-up amplitude and the better warming-up effect can be achieved.

ship deck；temperature rising technology；water temperature；experimental study

U672；U663.6；X834；P716+.12

A

1674-5124（2013）03-0010-04

2012-07-25；

：2012-09-21

“十一五”國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目（51314030108）

解從偉（1982-），男，浙江臺(tái)州市人，博士研究生，研究方向?yàn)榇鞍踩Ｕ吓c防護(hù)。