陳紅超，宋靠華，包劍，羅雯軍

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海201108

0 引 言

目前，核生化（Nuclear，Biological and Chemical，NBC）武器的發(fā)展愈演愈烈，已有30多個(gè)國(guó)家宣稱擁有化學(xué)武器［1］。未來(lái)，NBC武器有可能在戰(zhàn)爭(zhēng)和恐怖襲擊中投入使用，并導(dǎo)致難以預(yù)估的嚴(yán)重后果。例如，一枚攜帶肉毒桿菌的飛毛腿導(dǎo)彈彈頭的污染面積可達(dá) 2.288×109m2［2］。而核動(dòng)力艦船和潛艇則可能存在核泄漏隱患，英國(guó)國(guó)防部于2009年承認(rèn)，在過(guò)去的12年內(nèi)，英國(guó)核潛艇共計(jì)發(fā)生了9次核泄漏事故［3］。

正因?yàn)槿绱?，各?guó)海軍均非常重視水面艦船的NBC綜合防護(hù)能力，其中美國(guó)海軍明確要求新研水面艦船應(yīng)具備完善的NBC綜合防護(hù)能力，甚至要求海岸警衛(wèi)隊(duì)新研的127 m級(jí)海警船應(yīng)具備在NBC污染環(huán)境下至少運(yùn)行36 h的防護(hù)能力［4］。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，現(xiàn)代艦船執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間一般超過(guò)出航時(shí)間的80%。如果艦船不具備NBC防護(hù)能力，則將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速喪失戰(zhàn)斗力［4］。針對(duì)NBC污染環(huán)境，水面艦船必須設(shè)置集防系統(tǒng)，用以保障水面艦船集防區(qū)的環(huán)境安全。該集防區(qū)應(yīng)具有密閉和正壓的特點(diǎn)，集防區(qū)設(shè)定的正壓值即為集防系統(tǒng)超壓值。超壓值過(guò)高，則艦船的空調(diào)系統(tǒng)配置需隨之提高，同時(shí)也將影響艦員的舒適性；超壓值過(guò)低，則將不能有效抵御外來(lái)NBC污染物的入侵。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)集防系統(tǒng)開(kāi)展了廣泛的研究工作。楊光等［5］通過(guò)對(duì)波浪動(dòng)壓值、重力、慣性力、靜水壓等因素導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)形變進(jìn)行仿真，分析了艦體集防區(qū)對(duì)外通道的結(jié)構(gòu)變形和氣密門(mén)密封圈的接觸壓力分布情況，但并未得出具體的集防系統(tǒng)超壓值，也未從空氣動(dòng)力學(xué)的角度分析集防系統(tǒng)超壓值的設(shè)定原則。林芃等［6］指出我國(guó)艦船在有限防護(hù)區(qū)域的超壓可達(dá)250～400 Pa，波動(dòng)范圍為控制指標(biāo)的±20%，但并未進(jìn)行詳細(xì)的分析論證。在歐美相關(guān)的海軍設(shè)計(jì)規(guī)范中，集防系統(tǒng)超壓值一般設(shè)定為 300～500 Pa［7-9］，而國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展這方面的分析論證工作。因此，本文擬結(jié)合我國(guó)水面艦船的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，通過(guò)理論和仿真的方法對(duì)全艦集防系統(tǒng)超壓值進(jìn)行分析論證，提出具體的超壓設(shè)定值，用以為集防系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 全艦集防系統(tǒng)超壓值的理論分析

水面艦船集防系統(tǒng)的作用是避免空氣中的NBC污染物進(jìn)入集防區(qū)，理論上只要艦船外壁保證絕對(duì)氣密，污染物就無(wú)法入侵艦船內(nèi)部。然而，在實(shí)際應(yīng)用中不可能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的氣密，因?yàn)榕灤獗诳倳?huì)存在一些微小的泄漏點(diǎn)。當(dāng)艦船在惡劣海況下航行時(shí)，流動(dòng)的空氣將在艦體表面形成正壓，這樣NBC污染物有可能通過(guò)艦船外壁泄漏點(diǎn)進(jìn)入艦船內(nèi)部，從而造成污染。因此，在集防區(qū)內(nèi)設(shè)置超壓環(huán)境（必須大于艦體外部表面的空氣風(fēng)壓值）才能有效阻止?jié)撛诘臐B透威脅。

水面艦船外壁的表面風(fēng)壓是由外界空氣相對(duì)于艦船外表面的相對(duì)流速所致，其中海面風(fēng)向與艦船航行方向相反時(shí)的相對(duì)流速最大。根據(jù)相關(guān)資料可知，當(dāng)海上相對(duì)風(fēng)速超過(guò)6.7 m/s時(shí)，污染物將被迅速?zèng)_淡從而威脅性明顯降低［10-11］。目前，國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為在4級(jí)海況（平均風(fēng)速為8.00～17.1 m/s）以下才能形成有效的NBC污染區(qū)，而處于污染區(qū)內(nèi)的艦船可迎風(fēng)前進(jìn)以迅速駛離。

水面艦船受到NBC戰(zhàn)劑威脅的表面空氣壓力為

式中：p為風(fēng)壓，Pa；K為空氣動(dòng)力學(xué)系數(shù)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣密度，kg/m3；v為相對(duì)風(fēng)速，m/s。

K的數(shù)值取決于風(fēng)向和航向的夾角，艦船迎風(fēng)時(shí)為正值，背風(fēng)時(shí)為負(fù)值［12］。當(dāng)艦船以最高航速30 kn迎風(fēng)前進(jìn)時(shí)，最高相對(duì)風(fēng)速vmax=25.72 m/s。設(shè)K=1，ρ=1.2 kg/m3，則P=397 Pa?？紤]到集防區(qū)內(nèi)外溫差的影響，一般取10 Pa的壓力差補(bǔ)償值，則表面空氣壓力最大值Pmax=407 Pa。

2 全艦集防系統(tǒng)超壓值的仿真分析

在海上航行過(guò)程中，水面艦船各處的風(fēng)壓將有所差別，迎風(fēng)區(qū)域的風(fēng)壓較大，背風(fēng)局部區(qū)域則可能出現(xiàn)負(fù)壓。如果全艦都按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置超壓值，必然會(huì)導(dǎo)致空氣處理設(shè)備的負(fù)荷過(guò)重。因此，有必要針對(duì)全艦各個(gè)區(qū)域風(fēng)壓進(jìn)行仿真分析，并考慮局部區(qū)域氣流的疊加作用。

2.1 集防區(qū)的物理模型

以國(guó)外某護(hù)衛(wèi)艦為研究對(duì)象，開(kāi)展全艦集防系統(tǒng)的壓力仿真分析。該艦長(zhǎng)124 m，寬14 m，如圖1所示。

建立該型護(hù)衛(wèi)艦的1：1仿真模型，并進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：

1）由于小型的露天武器設(shè)備對(duì)風(fēng)壓影響較小，故僅保留大型的露天武器設(shè)備。

2）由于三維模型的中縱剖面和俯視面足以反映全艦的壓力分布情況，故將艦體簡(jiǎn)化為二維模型。

3）由于艦體基本屬于封閉結(jié)構(gòu)，艦內(nèi)空氣的溫度和密度變化不大，故忽略熱壓作用的影響。

4）假設(shè)艦體靜止，將艦船航速等效為空氣流動(dòng)的相對(duì)風(fēng)速。

采用Gambit軟件建立的仿真模型如圖2和圖3所示。

2.2 集防區(qū)的數(shù)學(xué)模型

仿真模型的連續(xù)性方程為

式中：x和y為二維坐標(biāo)系下的方向坐標(biāo)，m；t為時(shí)間，s；u和v分別為x方向和y方向上的相對(duì)風(fēng)速，m/s。

動(dòng)量守恒方程為：

式中：U為速度矢量；μ為粘性系數(shù)，Pa·s。

湍流模型選用低雷諾數(shù)的k-ε模型，該模型對(duì)于近壁面壓力梯度的適應(yīng)性較為良好，且其在湍流區(qū)的預(yù)報(bào)精度與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型非常接近。仿真計(jì)算的邊界條件為：入口邊界Velocity-inlet，出口邊界Pressure-out，艦體面為Wall壁面。

選擇氣流出口末端的0 Pa表壓為參考點(diǎn)，分析不同相對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向?qū)ε烍w表面壓力場(chǎng)的影響，具體工況的邊界條件如表1所示。

表1 不同工況下邊界條件Table 1 Boundary conditions for different working conditions

3 全艦集防區(qū)超壓值仿真結(jié)果分析

4種工況下全艦表面壓力場(chǎng)分布的仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示，其中工況1和工況2的全艦表面壓力為-1 200～650 Pa，工況3和工況4的則為-400～300 Pa。由圖4可知，相對(duì)風(fēng)速對(duì)艦體壓力分布的影響很大，同時(shí)迎風(fēng)航行時(shí)（風(fēng)向?yàn)?°）全艦壓力分布的區(qū)間較大。因此，設(shè)置全艦集防系統(tǒng)超壓值時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮迎風(fēng)航行且相對(duì)風(fēng)速最大時(shí)的全艦壓力分布情況。

由圖4（a）可知：

1）駕駛室和桅桿前部處于正壓區(qū)，壓力值為250～650 Pa；桅桿后部為負(fù)壓區(qū)，壓力值為-300～-700 Pa。

2）艉部直升機(jī)平臺(tái)附近的壓力最低，約為-700～-1 200 Pa。

3）艦艏至桅桿處均處于正壓區(qū)，壓力從低到高（艏柱處除外）。其中桅桿前壁的壓力最高，之后迅速減小。桅桿頂部處于過(guò)渡區(qū)，之后變成負(fù)壓，并一直延伸到艦艉?？梢?jiàn)，全艦的壓力分布極不均勻，從艦艏到艦艉呈下拋物線趨勢(shì)。

圖5所示為全艦流線分布圖（工況1）。由圖可見(jiàn)氣流在艦體艏部受到阻擋后，將向艦體上部移動(dòng)直至桅桿頂部，由此形成較大的湍流，并卷吸桅桿后部的氣體流向艦體艉部。因此，艦艏至桅桿處均處于正壓區(qū)，且壓力從低到高。同時(shí)，桅桿后部沒(méi)有來(lái)自進(jìn)口的氣流，故桅桿后部至直升機(jī)平臺(tái)均處于回流區(qū)，且負(fù)壓較大。

由圖4可知，全艦桅桿和駕駛室的壓力最大，全艦集防系統(tǒng)最大超壓值的設(shè)定應(yīng)重點(diǎn)參考桅桿和駕駛室處的壓力分布（圖6和圖7）。

由圖6可知，桅桿處壓力分布極不均勻，桅桿前后分別為正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，頂部也為負(fù)壓區(qū)。桅桿前部的最大正壓力為650 Pa。在桅桿頂部存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)，即靠近桅桿前壁頂部的壓力為0 Pa，并隨即轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)壓。在桅桿后壁從上到下的區(qū)域，其負(fù)壓呈現(xiàn)先變大后變小的趨勢(shì)，其中桅桿頂部壓力約為-400 Pa，中部壓力約為-900 Pa，下部壓力約為-500 Pa。

由圖7可知，駕駛室前方的壓力比其頂部略低，前方壓力約為420 Pa，頂部約為490 Pa。這是因?yàn)槲U面的氣流向下壓縮和駕駛室前方的氣流向上壓縮導(dǎo)致駕駛室頂部壓力比桅桿前壁高。

圖8所示為駕駛室俯視面的壓力分布圖。其迎風(fēng)面的最大壓力為423 Pa，與圖7的420 Pa靜壓相當(dāng)，驗(yàn)證了采用二維模型代替三維模型的可行性。同時(shí)，該仿真結(jié)果與式（1）計(jì)算所得的407 Pa接近，偏差為3.97%，驗(yàn)證了仿真方法的準(zhǔn)確性。其中，駕駛室側(cè)面處于微負(fù)壓區(qū)，壓力為-200～450 Pa，而其側(cè)面拐角處負(fù)壓力則約為-1 000 Pa，這是由于拐角處風(fēng)速過(guò)高所致。

為進(jìn)一步分析駕駛室和桅桿的平均壓力場(chǎng)，選取如圖9所示的14個(gè)典型面，其平均壓力分布如圖10所示。由圖10可知，桅桿和駕駛室迎風(fēng)面的平均壓力均在650 Pa以內(nèi)，其中桅桿頂部區(qū)域的壓力達(dá)到643 Pa，桅桿前部其他區(qū)域的壓力為500～590 Pa；桅桿后部區(qū)域的壓力為-856～-427 Pa；駕駛室前部和頂部的壓力分別為428和505 Pa。因此，整個(gè)艦體在桅桿迎風(fēng)面的壓力最高，其值為520～650 Pa；駕駛室區(qū)域的壓力次之，其值為428～505 Pa。該仿真結(jié)果與歐美海軍的相關(guān)規(guī)范相當(dāng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

針對(duì)全艦集防系統(tǒng)超壓值，在理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)國(guó)外某護(hù)衛(wèi)艦開(kāi)展了超壓值仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）當(dāng)艦船在4級(jí)海況（風(fēng)速為8.0～17.1 m/s）以30 kn最大航速迎風(fēng)前進(jìn)時(shí)，全艦集防系統(tǒng)的超壓理論值為407 Pa。

2）全艦壓力分布受風(fēng)向和相對(duì)風(fēng)速的影響，在迎風(fēng)航行（風(fēng)向?yàn)?°）且相對(duì)風(fēng)速最大時(shí)，全艦壓力分布的區(qū)間最大。從艦艏到艦艉的壓力變化規(guī)律是：首先由低到高，在桅桿處壓力升至最高，之后迅速減小，在桅桿后壁至艦艉為負(fù)壓。

因此，設(shè)定全艦集防系統(tǒng)超壓值時(shí)應(yīng)重點(diǎn)參考桅桿和駕駛室處的壓力分布。當(dāng)艦船在4級(jí)海況以30 kn最大航速迎風(fēng)前進(jìn)時(shí)，全艦超壓值的分段設(shè)置方法如下：

1）建議艦艏至駕駛室區(qū)域的超壓值約為450～500 Pa。

2）桅桿一般處于無(wú)人區(qū)域，可不設(shè)置超壓，采取密閉結(jié)構(gòu)即可。

3）桅桿后壁至艦艉的超壓值可以適當(dāng)降低，由于在最大橫向風(fēng)速（17.1 m/s）下的理論壓力為175 Pa，故建議超壓值為200～300 Pa。

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