章葉川，冷文軍，余 濤,2，趙俊濤，施紅旗，王世忠

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100083)

0 引 言

船舶上大量使用和貯存著用于動力、發(fā)電和工作的燃油和維護(hù)機(jī)械運轉(zhuǎn)的滑油，其揮發(fā)出的油氣，以及機(jī)械運動產(chǎn)生的油霧會在隨空氣流動的過程中，與壁面碰撞而沉積形成油膜，沉積后的油膜又會在艙室環(huán)境中進(jìn)一步揮發(fā)出大量的油氣，高濃度的油氣會在狹小的機(jī)艙環(huán)境中難以消散，不斷積聚，對設(shè)備運行和人體健康產(chǎn)生極大危害[1]，甚至在高溫環(huán)境下會引起機(jī)艙爆燃[2]，因此有必要對機(jī)艙壁面油膜的揮發(fā)速率進(jìn)行研究，進(jìn)而能準(zhǔn)確預(yù)測機(jī)艙壁面油膜揮發(fā)速率的變化趨勢，從而為凈化設(shè)備的配置和運行優(yōu)化提供輸入，改善機(jī)艙空氣品質(zhì)，降低各類爆燃事故的發(fā)生危險。

液體蒸發(fā)的動力源自液體表面蒸汽壓與周圍空氣中的蒸汽分壓之差[3]。Boyadjiev等[4]根據(jù)擴(kuò)散理論、邊界層理論等，建立了描述揮發(fā)過程的偏微分方程，建立了單組分液體的揮發(fā)預(yù)測模型。潘旭海等[5]對單組份液體蒸發(fā)動力學(xué)特征進(jìn)行了理論分析，并設(shè)計了風(fēng)洞實驗，得到了相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)。栗元龍等[6-7]對船舶機(jī)艙燃料泄漏到熱表面后的著火過程進(jìn)行了研究，建立泄漏燃料在熱表面的蒸發(fā)模型，描述了熱壁上方油氣運動過程。

由于船舶機(jī)艙壁面的油膜是油氣沉積所致，其存在形式主要是分布式小粒徑液滴和連續(xù)的薄層液膜，油料內(nèi)部基本可忽略溫度梯度，由于這些特點，可以對原有的液體在熱表面的蒸發(fā)模型進(jìn)行簡化，并結(jié)合機(jī)艙壁面有空氣對流傳質(zhì)的特點，建立適用于船舶機(jī)艙壁面的油膜揮發(fā)模型。本文主要通過理論分析建立單組分油料在機(jī)艙壁面的揮發(fā)速率模型，計算并研究環(huán)境因素對揮發(fā)速率的影響規(guī)律。

1 模型建立

1.1 研究對象

船舶機(jī)艙內(nèi)的油料在揮發(fā)過程中，大量的油氣和油霧會隨著空氣流動，與機(jī)艙壁面撞擊后會形成分布式小粒徑液滴和連續(xù)的薄層液膜，由于分布式小粒徑液滴分布致密，因此本文將沉積至壁面的油料均視為連續(xù)的薄層液膜，如圖1所示。油膜在機(jī)艙20 ℃～60 ℃的環(huán)境溫度中受熱后揮發(fā)出油氣，擴(kuò)散至液體表面，與周圍空氣中的油氣分壓產(chǎn)生壓差，從而導(dǎo)致油氣不斷地向空氣中擴(kuò)散，而機(jī)艙內(nèi)的空氣流速為0.2～1 m/s，在通風(fēng)口出的風(fēng)速達(dá)到5 m/s，機(jī)艙壁面油膜在流動的空氣中會發(fā)生對流傳質(zhì)。

圖1 機(jī)艙壁面油膜Fig.1 Oil film on the engine compartment wall

1.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)機(jī)艙油膜的實際揮發(fā)情況和環(huán)境特點，為簡化分析過程，可做以下假設(shè)：

1）揮發(fā)過程為穩(wěn)態(tài)過程，機(jī)艙內(nèi)環(huán)境背景濃度保持不變；

2）揮發(fā)氣體視為理想氣體；

3）油膜在水平方向上的長度為0.5 m，風(fēng)速始終保持水平方向；

4）空氣與壁面/液體溫度一致（無溫差傳熱）；

5）油膜為單一化合物，按照油料中最輕組分正十二烷物性參數(shù)進(jìn)行計算。

根據(jù)傳質(zhì)學(xué)原理[8]和質(zhì)量守恒定律，油膜與空氣之間進(jìn)行的對流傳質(zhì)速率如下：

式中：NA為油膜表面處的擴(kuò)散通量（kmol/（m2·s）；hm為對流傳質(zhì)系數(shù)；CAS為蒸汽飽和濃度，kg/m3；CA∞為背景濃度，kg/m3。

由相似原理[9]，可確定對流傳質(zhì)系數(shù)的計算公式：

其中：ReL為雷諾數(shù)；Sc為施密特數(shù)。

式中：L為平板長度，m；ρ為空氣密度，kg/m3；μ為空氣動力粘數(shù)，m2/s；

空氣擴(kuò)散系數(shù)DAB可采用Fuller經(jīng)驗公式[10]計算：

其中：T為溫度，K；P為大氣壓力，atm；M1，M2為油和空氣的分子量；Vc1，Vc2油氣和空氣的擴(kuò)散體積，可通過查表獲得。

飽和蒸汽濃度CAS用下列公式計算：

飽和蒸汽壓PAS（Pa）可根據(jù)雷德爾式[11-12]計算：

2 計算結(jié)果及分析

2.1 溫度對油膜揮發(fā)速率的影響

由數(shù)學(xué)模型分析可知，機(jī)艙環(huán)境溫度會對艙室油氣的飽和濃度、空氣擴(kuò)散系數(shù)和空氣物理特性產(chǎn)生影響，這里假設(shè)機(jī)艙大氣環(huán)境壓力為101 325 Pa，艙室表面表面風(fēng)速為0.5 m/s，利用上述公式計算了機(jī)艙壁面油膜在艙室環(huán)境里的揮發(fā)速率，計算結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 油膜揮發(fā)速率隨溫度的變化規(guī)律Fig.2 The variation of oil film evaporation rate with temperature

由圖2可知，在20 ℃～60 ℃的機(jī)艙環(huán)境溫度范圍內(nèi)，隨溫度的增加，壁面油膜揮發(fā)速率呈指數(shù)增長趨勢，這是因為隨著溫度的增加，飽和蒸汽濃度呈指數(shù)增長，對流傳質(zhì)系數(shù)也基本呈正比例增長，溫度從20 ℃上升至60 ℃時，油膜揮發(fā)速率增加了23倍，可見溫度的變化是導(dǎo)致油膜揮發(fā)速率快速增加的主要原因。

2.2 環(huán)境壓力對油膜揮發(fā)速率的影響

機(jī)艙環(huán)境大氣壓力會使飽和蒸汽濃度和對流傳質(zhì)系數(shù)產(chǎn)生影響，這里假設(shè)環(huán)境溫度一定，設(shè)為25 ℃，壁面油膜的表面風(fēng)速為0.5 m/s，計算在室內(nèi)風(fēng)速方向上0.5 m長度的壁面油膜的揮發(fā)速率，計算結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖3 飽和蒸汽濃度對溫度變化規(guī)律Fig.3 Saturated vapor concentration versus temperature

圖4 對流傳質(zhì)系數(shù)隨溫度變化規(guī)律Fig.4 Variation law of convective mass transfer coefficient with temperature

圖5 油膜揮發(fā)速率隨壓力變化規(guī)律Fig.5 Law of evaporation rate of oil film with pressure

圖6 對流系數(shù)對隨壓力變化規(guī)律Fig.6 The law of convective coefficient versus pressure

圖7 飽和蒸汽濃度隨壓力變化規(guī)律Fig.7 Variation of saturated vapor concentration with pressure

由圖可知，壁面油膜揮發(fā)速率隨環(huán)境壓力的增大而減小，這是因為其對流傳質(zhì)系數(shù)和飽和蒸汽壓都隨著壓力的增加呈現(xiàn)指數(shù)級的遞減，當(dāng)機(jī)艙大氣環(huán)境壓力降低20%時，其壁面油膜揮發(fā)速率會增加1倍以上，當(dāng)機(jī)艙大氣環(huán)境壓力上升20%時，其壁面油膜揮發(fā)速率會降低30%。

2.3 油膜表面風(fēng)速對揮發(fā)速率的影響

機(jī)艙內(nèi)的空氣流速會隨著艙室內(nèi)的風(fēng)機(jī)、以及相關(guān)的空氣凈化設(shè)備的運行狀況改變而發(fā)生變化，而空氣流速風(fēng)速會對壁面附近氣流的雷諾數(shù)產(chǎn)生影響，進(jìn)而會對油氣-空氣對流傳質(zhì)系數(shù)產(chǎn)生影響，這里此時假設(shè)機(jī)艙環(huán)境壓力不變，保持101 325 Pa，溫度為25 ℃，壁面表面風(fēng)速在0.2～5 m/s內(nèi)變化，計算結(jié)果如圖8～圖9所示。

圖8 油膜揮發(fā)速率隨風(fēng)速變化規(guī)律Fig.8 Change of evaporation rate of oil film with wind speed

圖9 對流傳質(zhì)系數(shù)隨風(fēng)速變化規(guī)律Fig.9 Variation law of convective mass transfer coefficient with wind speed

由圖可知，油膜揮發(fā)速率隨風(fēng)速的增加，呈對數(shù)級增長，其原因是因為表面風(fēng)速的增加，對流傳質(zhì)系數(shù)會隨著風(fēng)速的增加呈指數(shù)增加對數(shù)級增長趨勢，進(jìn)而導(dǎo)致油膜的揮發(fā)速率呈對數(shù)級增長。機(jī)艙空氣流速從0.2 m/s增加到5 m/s時，其油膜揮發(fā)速率會增加5倍，可見機(jī)艙內(nèi)的空氣流速對油氣的揮發(fā)產(chǎn)生影響很小。

3 結(jié) 語

本文對船舶機(jī)艙壁面沉積油膜的揮發(fā)速率進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)合船舶機(jī)艙的環(huán)境特點和油膜揮發(fā)方式，應(yīng)用傳質(zhì)原理，建立了油膜在機(jī)艙壁面的揮發(fā)速率數(shù)值模型，并通過對機(jī)艙典型環(huán)境的計算分析證明，油膜揮發(fā)速率隨油膜機(jī)艙環(huán)境溫度的增加呈指數(shù)級增長、隨環(huán)境壓力的減小呈指數(shù)級增長，隨空氣流速的增加呈對數(shù)級增長。其中，在機(jī)艙環(huán)境范圍內(nèi)的環(huán)境溫度對揮發(fā)速率的影響最大。該研究成果可為船舶機(jī)艙內(nèi)的各類油氣凈化配置和優(yōu)化運行提供輸入，從而改善機(jī)艙空氣品質(zhì)，降低各類爆燃事故的發(fā)生危險，為船員營造更舒適和安全的工作空間。后續(xù)將進(jìn)行針對性的實驗，對本文發(fā)展的船舶機(jī)艙壁面油膜揮發(fā)數(shù)值模型進(jìn)行驗證和修正。