取气位置对舰船甲板升温效果影响的实验研究

2013-06-12解从伟金良安安中昌

船海工程 2013年1期

解从伟，迟卫，金良安，安中昌

(海军大连舰艇学院航海系，辽宁大连116018)

对于舰船甲板上方的气体，其大部分气流下沉时因有舰船甲板的阻隔而无法再到达海面，于是不断地在甲板表面积聚，进而也就无法与海水发生后续的海气耦合作用，进行热量交换［1-2］。在寒冷海区，随着冷气流的不断积聚，舰船甲板表面温度会随之不断降低，当降至冰点以下时，舰船甲板就十分容易结冰，从而带来诸多不便和危险［3］。然而当前舰船甲板的除冰技术相对落后，为此，本文提出了基于舰船周围气流牵引式循环的甲板升温技术。

鉴于气流牵引式循环升温技术受气体牵引设备的取气位置、吹气位置等多种因素影响，前期实验结果表明取气位置相对吹气位置，其对甲板平台区域升温效果的影响更为明显，因此，本文将就取气位置对甲板平台区域升温效果存在的影响进行实验研究，分析取气位置对甲板平台区域升温效果的影响情况。

1 实验设计与实现

1.1 实验原理

舰船甲板气流牵引式循环升温的技术是利用专用气体牵引设备，对积聚于舰船甲板平台区域内的温度较低气体和近海面表层的温度较高气体进行人工牵引，使两者在舰体周围形成微环流，进而使温度较低气体不再在舰船甲板平台区域积聚，能够自动回落到海面;与此同时，作上升运动的近海面表层的温度较高气体，将被牵引回填到甲板平台区域，从而实现该区域升温的目的。

该技术的核心内容，是通过人工牵引的方法使得被舰船甲板阻隔的海面气体对流运动得以恢复，其原理见图1。

图1 舰船甲板平台区域升温防冻原理示意

其实现方法是:启动气体牵引设备1，将取气口1a从甲板平台区域或海面到甲板平台区域间取到的气体，经出气口1b送到甲板平台区域，以扰动该区域原有的气体平衡，驱散在该区域积聚的温度较低气体4a，使其降落至海面，从而在船体周围形成新的气流微循环，即舰船微环境气流牵引式循环。由于温度较低气体4a回落到海面，使甲板平台区域表面压强降低，因此，作上升运动的温度较高气体4b会自动填到该区域，使该区域的温度明显上升，从而达到对该区域进行升温、防冻和除冰等目的。

根据上述气流牵引式循环的升温原理，针对不同的取气位置进行相应实验，即可考察取气位置对甲板平台区域升温效果的具体影响。

1.2 实验装置

根据升温原理，特设计制作了一套封闭式的原理性验证模拟实验装置，见图2，该实验装置由实验区域和温度指示区域两大部分组成。

图2 甲板平台区域升温的实验原理示意

1)实验区域主要包括水池(长1.2 m、宽1.0 m、高1.5 m)和模拟的甲板、气体牵引设备以及挡板、三支温度传感器、控温冰块等。该部分可模拟寒冷海区舰船甲板平台区域温度的变化;实验中水池用以模拟舰船所在的海上环境;气体牵引设备的主要功能是驱散模拟甲板表面的低温气体，使其从模拟甲板表面回落到水面;挡板的作用是调节模拟甲板表面的面积，以在深入研究时考察甲板面积大小对升温效果的影响;温度传感器用来测量模拟甲板表面的温度和水温;控温冰块的作用是使模拟甲板表面上方形成低温环境，以模拟舰船甲板平台区域上方的气体环境。

2)温度指示区域主要由温度显示器和温度显示器固定装置等组成。该区域主要是显示模拟甲板表面的温度和水温，以通过记录和分析温度显示器的读数来研究取气位置对甲板平台区域升温效果的影响情况。

1.3 实验方法

选择三种不同取气位置，启动气体牵引设备后，记录不同时刻下甲板表面温度的数据，进而考察分析其升温情况。实验中，模拟甲板长26 cm、宽为22 cm，水深约为37 cm，模拟甲板与水面间的距离约为33 cm，模拟甲板表面初始温度稳定在0.8～0.9℃，水温稳定在6.3～6.4℃，牵引气体流速约为6 m/s。

实验的具体步骤如下。

1)把气体牵引设备固定在模拟甲板表面，并把三支温度传感器布置在指定位置(见图3)，①距离挡板6 cm;②距离挡板20 cm;③位于水中。

2)将气体牵引设备的吹气口S布置于离模拟甲板端点(L)12 cm处，取气口P1、P2和P3离甲板表面1、8和15 cm处，位置示意见图3。

图3 温度传感器、取气口、吹气口位置分布图

3)打开电源，等温度显示器的读数稳定之后，记录此时显示器的读数;

4)不启动气体牵引设备，每隔2 min记录显示器的读数;

5)约25 min后，启动气体牵引设备，每相隔2 min记录显示器的读数，直至模拟甲板表面温度不再明显变化为止。

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

根据上述实验方法，测得取气位置离甲板表面1、8、15 cm时的实验数据分别见表1～3。其中θ1、θ2分别为图3中模拟甲板表面传感器①、②处的温度，初始温差是指水温减去初始时刻甲板表面温度所得的差。为了使实验结果尽可能精确，特将模拟甲板表面①、②处的两个温度取平均值作为甲板表面平均温度，即(θ1+θ2)/2。

2.2 实验结果分析

为了更直观地描述取气位置对甲板平台区域升温效果的影响，特将甲板表面t时刻的温度减去初始时刻的温度所得的差定义为甲板表面的升温幅度。由此，结合表1～3数据得出不同取气位置时甲板表面不同时刻的升温幅度曲线(见图4)，其中，升温幅度1、升温幅度2和升温幅度3表示取气位置离甲板表面1、8、15 cm时甲板表面的升温幅度。

表1 取气位置离甲板表面1 cm时的实验数据

表2 取气位置离甲板表面8 cm时的实验数据

表3 取气位置离甲板表面15 cm时的实验数据

图4 甲板表面不同时刻的升温幅度曲线

由图4可知，取气位置离甲板表面分别为1、8、15 cm时甲板表面升温的总幅度约为1.1、1.7和2.3℃。可见，取气位置会明显影响甲板平台区域的升温效果，取气位置离甲板表面越远，甲板平台区域的升温效果就越明显;随着时间的变化，甲板表面温度不断升高;初始时其表面温度升高快，达到一定程度后不再升高。而且，从时间上看，大约12 min后甲板表面升温幅度不再明显，也就是说大约前12 min是升温的主效时段，之后的时段对甲板表面升温的贡献不再明显。因此，在实际工作中，可按其主效时段来启动运行气体牵引设备，当甲板表面达到一定温度后即可间歇性停机，这样既能使甲板表面温度的升高又能大大降低能量的损耗。