劉 輝，李其修，吳向君，李志輝

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430033)

0 引言

潛艇在水下以較高航速航行時(shí)，若發(fā)生尾卡大下潛舵角、艙室通海管路破損進(jìn)水及耐壓艙室破損進(jìn)水等重大險(xiǎn)情事故時(shí)，在現(xiàn)有應(yīng)急挽回操縱技術(shù)條件下，只能利用高壓氣吹除主壓載水艙獲取正浮力和校正力矩實(shí)施應(yīng)急起浮使?jié)撏Э焖偕细≈了妫?－2］。潛艇獲取正浮力的大小取決于壓載水艙的吹除排水量，而吹除排水量取決于單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入壓載水艙的高壓氣量。因此潛艇高壓氣吹除系統(tǒng)模型建立的準(zhǔn)確與否嚴(yán)重影響潛艇事故時(shí)挽回判定成功與否，而高壓氣吹除系統(tǒng)模型構(gòu)建的關(guān)鍵是確定高壓氣系統(tǒng)吹除流量模型，有必要開展?jié)撏Ц邏簹獯党到y(tǒng)的理論研究、仿真研究和物理模型實(shí)驗(yàn)研究，通過不同研究手段獲取高壓氣吹除系統(tǒng)的高壓氣流量模型。論文在建立高壓氣吹除系統(tǒng)高壓氣流量數(shù)理模型的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)高壓氣吹除系統(tǒng)管路流動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行多種工況管路流動(dòng)實(shí)驗(yàn)分析高壓氣系統(tǒng)高壓氣吹除流量的影響因素，并驗(yàn)證所建數(shù)理模型的準(zhǔn)確性。

1 高壓氣吹除系統(tǒng)高壓氣流量數(shù)理模型

潛艇高壓氣應(yīng)急吹除壓載水艙系統(tǒng)的工作過程中，高壓氣通過管道從高壓氣瓶快速流入潛艇主壓載水艙，此高壓氣釋放過程可比作拉瓦爾噴管的氣體流動(dòng)過程，因此可將高壓氣從高壓氣瓶流經(jīng)高壓管道流向壓載水艙的流動(dòng)模擬為拉瓦爾 (Laval)噴管［3－4］，經(jīng)過分析推導(dǎo)可得:

試驗(yàn)研究表明，高壓氣在吹除過程中溫度基本保持不變，可將此流動(dòng)視為絕熱流動(dòng)，根據(jù)絕熱過程表達(dá)式，高壓氣吹除系統(tǒng)中的氣體壓力和溫度變化如下式:

式中:P1和T1分別為氣瓶噴嘴截面處壓力和溫度;PF和TF分別為氣瓶中氣體的壓力和溫度，Pb為吹除壓載水艙的壓力;PF0，mF0和TF0分別為氣瓶中氣體初始?jí)毫Α①|(zhì)量和溫度;為高壓氣流量;At為噴嘴的噴口面積;Ct為吹除流量系數(shù)(0≤Ct≤1);k為等熵常數(shù)，取k=1.4;R為氣體常數(shù)287.1 J/(kg·K)。

2 高壓氣吹除系統(tǒng)高壓氣流量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所用氣瓶的容積為12 L，為保證高壓氣瓶氣體的釋放速率，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的高壓氣瓶壓力范圍為2～10 MPa［5］。高壓氣瓶噴嘴口直徑為Φ3 mm，高壓氣瓶和吹除壓載水艙之間聯(lián)接高壓管道的內(nèi)徑為Φ3 mm，高壓氣瓶上可安裝壓力表，用來測量高壓氣瓶中氣體的壓力。氣瓶出口處安裝氣體流量計(jì)和壓力傳感器，氣體流量計(jì)用來測量高壓氣瓶釋放氣體的實(shí)時(shí)流量，壓力傳感器用來測量高壓氣瓶釋放氣體過程中的壓力氣瓶出口管道中的壓力，具體設(shè)計(jì)圖和裝置圖如圖1和圖2所示［6－7］。

圖1 高壓氣吹除系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.1 The design chart of blowing system

圖2 高壓氣流量模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 The experimental setup of flow model validation

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為25℃，高壓管道長2 m，直徑3 mm，管壁阻力系數(shù)f=0.15，材質(zhì)與實(shí)艇使用相同［8］。實(shí)驗(yàn)根據(jù)不同初始條件測定了氣瓶出口管道中的壓力和流量，由于高壓氣流量變化很快，將高壓氣瞬時(shí)流量采樣頻率取0.1 s，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取并處理，對(duì)測量結(jié)果依據(jù)高壓力流量數(shù)理模型擬合得到了吹除流量系數(shù)，實(shí)驗(yàn)工況和流量系數(shù)測量結(jié)果如表1所示。工況1～工況5是將氣瓶中的氣體通過高壓管道直接釋放到空氣中，工況6和工況7通過在氣瓶出口安裝阻力裝置形成30 bar的背壓環(huán)境釋放高壓氣。從表1中可看出，流量系數(shù)隨不同初始?jí)毫ψ兓兓?，但基本保持?.7左右。圖3～圖6給出了不同氣瓶壓力時(shí)實(shí)驗(yàn)和數(shù)理模型仿真時(shí)氣瓶出口壓力和流量變化情況，仿真時(shí)的流量系數(shù)取0.7，閥全開時(shí)間取2 s。

表1 不同實(shí)驗(yàn)工況下吹除流量系數(shù)的擬合結(jié)果Tab.1 The regression results of blowing flowing coefficient

圖3 氣瓶壓力為3 MPa時(shí)氣瓶出口壓力和高壓氣流量歷程圖Fig.3 The change of pipeline pressure and flow when the cylinder pressure 3 MPa

圖4 氣瓶壓力為6 MPa時(shí)氣瓶出口壓力和高壓氣流量歷程圖Fig.4 The change of pipeline pressure and flow when the cylinder pressure 6 MPa

圖5 氣瓶壓力為8 MPa時(shí)氣瓶出口壓力和高壓氣流量歷程圖Fig.5 The change of pipeline pressure and flow when the cylinder pressure 8 MPa

圖6 背壓為30 bar時(shí)氣瓶壓力分別為8 MPa和9 MPa時(shí)高壓氣流量歷程圖Fig.6 The pipeline flow under 30 bar's resistance pressure when the cylinder pressure 8 MPa and 9 MPa

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)可知，在氣體釋放初期，高壓氣瓶出口管道壓力迅速下降，高壓氣流量的衰減速度很快，管道出口氣體流動(dòng)速度均能達(dá)到聲速，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與建立的數(shù)量模型的計(jì)算結(jié)果比較接近，高壓氣每秒流量誤差在8%以內(nèi)，滿足工程精度要求，因此依托拉瓦爾噴管理論建立的高壓氣流量數(shù)理模型能較好描述高壓氣流量釋放過程，仿真過程中將高壓氣吹除的流量系數(shù)取0.7是比較合理的。對(duì)比仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，誤差出現(xiàn)原因主要有以下3點(diǎn):

1)高壓氣體流動(dòng)過程中傳熱、管壁吸收等帶來的能量損失考慮不充分;

2)高壓氣瓶容量和氣瓶噴口直徑等特征參數(shù)差異對(duì)高壓氣流動(dòng)的影響;

3)高壓氣流動(dòng)速度過快，受測量裝置的影響采樣頻率過大。

3 結(jié)語

在建立高壓氣吹除系統(tǒng)高壓氣流量數(shù)理模型的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)高壓氣吹除系統(tǒng)小比例實(shí)驗(yàn)裝置模擬高壓氣吹除的流動(dòng)過程，將數(shù)據(jù)測量結(jié)果與模型仿真結(jié)果相比較，并利用數(shù)理模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，結(jié)果表明將吹除流量系數(shù)取0.7較為合適。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析可知，高壓氣流量主要取決于高壓氣的吹除率及其隨時(shí)間的衰減率。高壓氣吹除率是高壓氣每秒進(jìn)入主壓載水艙的質(zhì)量，取決于高壓氣的初始工作壓力，吹除管路的直徑，吹除閥門，吹除管道的特性以及高壓氣吹除的方式等;而高壓氣隨時(shí)間的衰減率取決于潛艇上高壓氣的儲(chǔ)備量，也就是參加吹除的氣瓶數(shù)量，參加吹除的氣瓶數(shù)量越多，吹除率的衰減越慢。因此在潛艇設(shè)計(jì)過程中，可以通過提高高壓氣瓶的工作壓力和吹除氣瓶的數(shù)量，以及在潛艇吹除主壓載水艙系統(tǒng)基礎(chǔ)之上建立一套應(yīng)急吹除系統(tǒng)，提高高壓氣吹除能力。

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