装备快速封存技术中的传感器配置研究

郑晓曦，张雨，张磊，罗剑

（装甲兵工程学院，北京 100072）

装备在长期封存过程中，由于受到周围介质（如大气、海水或微生物）的作用，会产生腐蚀和霉变，因而在监测封存环境状态的过程中，最重要的物理量是封存装备空间的温度和湿度[1]。封存空间和外界环境没有绝对隔离，在稳态情况下密封体与外界环境也存在透湿现象，甚至会出现结露问题，在动态除湿过程中温湿度场的分布更加复杂[2]。首先，由于封存装备空间较大，自身存在较大的温湿度梯度，特别是在进行动态除湿的过程中温湿度场的情况复杂，这就意味着不能随意选择传感器布点位置。其次，由于装备长期封存有特殊要求，所以封存过程中对封装环境状态监测技术也有特殊要求。

因而，传感器最优配置（数目与布点位置）的合理与否将直接影响封装装备的状态监测以及动态除湿的效果。

1 配置原则

1.1 放置位置的原则

1）确保监测数据的可信度。在对封存装备进行动态除湿过程中，封存装备内部存在较大的湿度梯度场，封装装备内部空间温度、湿度分布不均匀，动态除湿的过程中内部温度、湿度的分布情况更为复杂。因此，在选取传感器布点位置时，要充分考虑该点温湿度数据的代表性，使测量数据能很好地反应封装环境的真实状态，以便能够准确地测量和精确地控制。

2）所选的监测位置要便于安装传感器。装甲装备内部空间结构复杂，要考虑到选点位置是否便于安装温湿度传感器。

3）所选传感器监测点使整个封装空间没有监测盲区。传感器的有效感应范围有限，封装装甲装备内部空间较大，要充分考虑到监测盲区。

1.2 配置传感器质量的原则

1）能够实现系统自我纠错功能。传感器一旦布置在封存装备内部进行使用，就不能再进行更换，这也是装甲装备快速封存技术的一项特殊要求。在封装装备状态监测过程中，传感器使用的环境比较恶劣，因而传感器自身的使用可靠性不容忽视。为使监测系统能够有效、可靠地工作，整个监测系统应具有自我纠错功能。

2）确保状态监测的精度。通过各监测点的数据比对，可提供精确的温湿度数据，对模型的精度可达到最大，而对其他误差估计可达到最小。

1.3 配置传感器数目的原则

尽量降低成本与能耗，主要是指节约系统费用和降低能耗，包括在没有监测盲区的前提下尽量减少传感器的用量和降低运行过程中的电量消耗。因为封装环境中监测设备在很长时间内不能进行电池更换，所以要尽可能降低系统的电量消耗，这就要求对于传感器的数目要有所限制。

2 放置位置的确定

CFD 技术在计算室内流场、温度场等方面被证明是一种有效的技术[3]。首先，利用CFD技术对某型封装装备动态除湿过程中的内部空间温湿度场进行仿真分析，得到整个过程中封存空间的温度、湿度分布情况，经过数据分析得到封存空间内部温度值和湿度值的危险位置，并结合上文中提到的位置确定原则，确定传感器的布置位置。

2.1 封存装备温湿度场仿真物理模型

依据某型实际装备内部构造尺寸建立了三维模型，并结合CFD技术进行仿真条件限定，对所建立的三维模型进行了相应的简化。将简化后的模型导入面向CFD 的专业前处理器软件（GAMBIT）中，利用GAMBIT 对封装装备仿真的物理模型进行相应的设定以及网格划分[4]，计算模型网格划分后如图1所示。

图1 装备内部空间计算模型Fig.1 Equipment interior space calculation model

2.2 CFD仿真数学模型

CFD 技术通过求解普遍遵守的质量守恒、动量守恒、能量守恒方程,获得计算区域的各种参数。仿真过程中选用标准的k-ε湍流模型。考虑到水分子在扩散过程中伴随着热量的交换，为了减少温湿度和气流计算结果的误差影响，依据CFD 技术的基础知识和数值传热学理论[4—5]，得出关于封存装备空间流体各变量，有以下微分控制方程组。

连续性方程：

动量方程：

式中：Ui，Uj为各速度分量；ρ为气体密度；P 为压力；μ为气体的动力黏度。

标准k-ε模型的湍动能k 和耗散率ε方程如下：

式中：μt为湍流黏性系数为由于平均速度梯度引起的湍动能；Gb为由于浮力影响引起的湍动能；YM为可压缩湍流膨胀对总的耗散率的影响；Cμ=0.09；在fluent（商用CFD软件包）中，G1ε，C2ε，C3ε，σk，σε为默认值常数，分别为1.44，1.92，0.09，1.0，1.3。

水汽的质量浓度计算公式：

式中：C为水汽的质量浓度；Γc为水汽的扩散系数，不考虑随气体温度的变化时Γc=3.185×10-5m2/s。

2.3 CFD数值仿真的假设条件

在对封装装备稳态情况下温湿度分布情况进行仿真分析时，设定CFD数值仿真的假设条件。

1）送风为来流速度、温度恒定的稳态紊流干空气，内部气体为不可压缩流体，且满足Boussinesq 假设，认为流体密度的变化仅对浮力产生影响，出风口压强与装备内部相同。

2）计算流体为干空气和水蒸气的理想气体混合物，液态水滴中不包含溶解的空气。空气的存在不影响水蒸气及其凝聚相平衡，平衡湿度和分压力对应饱和温度计算。

3）计算过程中不考虑装备内的辐射传热。

4）流场具有高的紊流雷诺系数，流体的紊流黏性具有各向同性。

5）气流为低速流动，可忽略由流体黏性力做功所引起的耗散热。

6）不考虑漏风的影响，认为内部气密性良好。

2.4 湿度分布的仿真结果

通过对封装装备整个除湿过程的动态仿真，得知在动态除湿过程中温度场梯度不大，但是湿度场梯度较大。当有个别位置的湿度值达到控制值时，经过对此时装备内部空间的湿度值比较得出测点位置分布情况如图2所示A，B处。

图2 装备内部湿度分布及传感器放置位置Fig. 2 Equipment distribution and the internal humidity sensors position

3 试验验证

通过对仿真数据的分析，从图3 中可以看出整个封存空间内部温度场梯度不大，湿度的最高值位置为图2中所示A与B所处的边缘带状区域，并且在该区域内部各点的相对湿度值均为60%，除2处边缘带状区域外的其余部位湿度值都相差不大，相对湿度都集中在50%左右。结合上文中提出的传感器配置原则，初步确定监测传感器的数目为2个，布点位置与仿真结果一致。

通过对封装装备动态除湿过程的仿真，得知最先达到湿度控制范围的为图2中的C处区域（干燥空气进风口）。试验测量时，在C处布置一个温湿度传感器，当C 处的相对湿度值达到最优控制范围50%以内时，采集其余2点温湿度值，见表1。

图3 装备内部温度分布Fig.3 Equipment temperature distribution

表1 仿真值与试验值Table 1 Simulation value with the experimental comparison

经过实验论证，动态除湿过程中的湿度和温度仿真值与测量值基本吻合，但仍然存在一定的误差。存在误差的原因主要是：

1）在建立物理模型时，为了更方便地建立仿真模型而对封装装备内部进行了大量的简化；

2）封装装备与外界环境存在热交换，不是严格的密闭隔热环境。

4 结语

1）提出了装备快速封装技术中传感器配置的原则与具体实施方法。

2）应用CFD 技术对封装装备整个除湿过程进行了动态仿真，得出在动态除湿过程中温湿度场的分布情况：温度场梯度不大，但是湿度场梯度较大，分布情况较为复杂。

3）经过仿真研究和实验论证确定了某型封装装甲装备温湿度传感器配置的数目和位置。

对装备快速封装技术中传感器的配置研究方法可推广到其他装备的封装操作中，为进一步研究封装装备状态监测奠定了基础。

[1]王浚，黄本诚，万才大，等.环境模拟技术[M].北京：国防工业出版社，1996：230—231.

[2]郑铁军，张会奇，孟凡金.湿热环境下装甲装备封存方法应用研究[J].装备环境工程，2010，7（4）：95—96.

[3]YI Jiang, CHEN Qingyan. Study of Natural Ventilation in Buildings by Large Eddy Simulation[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2001，35（89）：1155—1178.

[4]王瑞金.FLUENT技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社，2007.

[5]陶文铨. 数值传热学[M]. 西安：西安交通大学出版社，2001：342—345.