布气位置对舰船甲板升温效果影响的实验研究

安中昌，金良安，解从伟

(海军大连舰艇学院 航海系，辽宁 大连116018)

舰船甲板气流牵引式循环升温法是目前备受关注的舰船甲板升温防冻技术，具有消耗电能少、升温效率高、简便易操作等优越性，可在很大程度上解决现有技术大量消耗人力物力、除冰效率低等问题［1-2］，大幅提升舰船在寒冷海区的航行和工作能力。舰船甲板气流牵引式循环升温效果受多种因素影响，比如取气位置、气体流量等。

为进一步提升该技术在实际应用中的效果，完善舰船甲板气流牵引式循环升温理论及技术，本文拟就布气口水平位置对升温效果存在的影响进行实验研究。对布气口分别位于模拟甲板中心位置、模拟甲板内侧(靠近上层建筑前壁一侧)中心及外侧(靠近舰艏一侧)中心三种情况进行实验对比，以研究布气口水平位置对舰船甲板平台区域升温效果的影响规律。

1 实验原理与设计实现

1.1 实验原理

本实验基于舰船甲板气流牵引式循环升温理论，利用专用的气体牵引设备，在舰船主甲板周围形成气流循环，加强海水表面大气循环运动［3］，使得舰船主甲板区域原有温度较低的气体被驱散到甲板两侧及海面;将海水表面温度较高的气体布散到舰船主甲板区域，从而提升甲板表面温度，以达到防冻和除冰的目的。

实验原理见图1。其实现方法为启动气体牵引设备1，从取气口1a获得水面温度较高的气体，经布气口1b送到模拟甲板平台区域，并驱散在该区域积聚的温度较低气体4a，使其降落至海面。本文旨在考察布气口水平位置对舰船甲板气流牵引式循环升温效果的影响。因此，实验中将牵引气体布气口1b分别固定在水平方向的不同位置进行相应实验，进而进行实验结果的比较分析，获得相关规律。

图1 舰船甲板平台区域升温原理示意

1.2 实验装置

实验采用的实验装置为课题组设计的模拟舰船甲板气流牵引式循环升温实验装置，见图2。实验装置由实验区域和温度指示区域两大部分组成。

实验装置左侧为实验区域。该区域包括模拟甲板环境、气体牵引设备及温度传感器三部分。模拟甲板环境由水池(长1.2 m、宽1.0 m、高1.5 m)、模拟甲板、控温冰块及挡板组成。在模拟甲板上方布置了大量的控温冰块，以维持温度较低(0℃以下)的模拟甲板上方环境，而下面水池保持相对较高的温度(0℃以上)，这样的温差设计模拟了寒季舰船甲板平台区域及所处温度环境。另外在模拟甲板中间设置了挡板，用以模拟舰船上层建筑，并将模拟甲板环境分割成左右两部分，方便进行对比实验。气体牵引设备由固定位置的取气管、气体牵引设备及布气管等组成，实验中布气管出口指向挡板方向，位置可通过专用固定装置固定于模拟甲板的不同水平位置。温度传感器部分由4支DS18B29型温度传感器组成，可测量模拟甲板表面的温度和水面上方温度。

图2 气流牵引式循环升温防冻的实验原理示意

本实验采取对比实验的方法，分别将布气口布置于模拟甲板外侧中心、模拟甲板中心位置及模拟甲板内侧中心进行对比实验，布气口及传感器的具体位置见图3。

图3 布气口及温度传感器位置示意

实验中，模拟甲板长24 cm、宽20 cm，水深约40 cm，模拟甲板与水面的高度约35 cm，牵引气体的流量约为1.6 L/min。

实验装置右侧为温度显示区域。该区域由温度显示器和温度显示器固定装置组成。其中温度显示器分别连接左侧4支温度传感器，可显示模拟甲板表面不同位置的温度及水面上方温度。温度显示器固定装置可将温度显示器进行固定以方便观察其读数及数据记录。

1.3 实验步骤

1)把3支温度传感器分别布置在模拟甲板指定位置:传感器I位于模拟甲板内侧，距离挡板1 cm;传感器II位于模拟甲板中间位置，距离挡板12 cm;传感器III位于模拟甲板外侧边缘，距离挡板23 cm，3支传感器与图中模拟甲板左侧边缘的距离均为5 cm。第4支传感器布置在水面上方，距离水面2 cm。

2)将气体牵引设备的取气口布置于水面上方，距离水面2 cm。

3)将气体牵引设备的布气口固定于模拟甲板内侧中心位置，如图3位置A所示。

4)打开温度传感器电源，当4支温度传感器读数稳定后，记录此时4支温度传感器显示的读数。

5)不启动气体牵引设备，每隔2 min记录各温度显示器的读数，时间用t表示。

6)启动气体牵引设备，每隔2 min记录各温度显示器的读数，时间用t表示。完成以上步骤后，重新铺设冰块，将模拟甲板环境恢复为初始状态，然后将3)中的布气口位置分别固定于模拟甲板中心位置B，模拟甲板外侧中心位置C进行两组对比实验并记录实验数据，步骤同上。

2 实验结果分析

2.1 固定位置的单一布气口对模拟甲板的不同位置升温效果不同

为了更直观清晰地描述实验结果及结论，下面分别将布气口位于3个位置时的实验数据绘制成温度曲线并进行分析。

1)布气口布置于模拟甲板内侧中心。由图4曲线可以看出，当布气口布置于模拟甲板内侧中心时，模拟甲板内侧区域温度迅速得到提升。这是由于该区域靠近布气口，温度较高的气体最先被填充到这里。此外，气体牵引设备工作时持续将新的温度较高的气体填充到该区域，因此模拟甲板内侧区域最终达到了较高的温度。

图4 布气口位于模拟甲板内侧中心的模拟甲板温度

随着气体不断被牵引，温度较高的气体先后填充到模拟甲板中心及外侧区域，因此这两个区域的温度先后得到提升。但由于从布气口排放出来后，温度较高的气体在运动中不断与原有温度较低的气体及舰船船体发生热传导，气体温度逐渐降低，因此这两个区域温度提升的效果低于模拟甲板内侧区域。尤其是模拟甲板外侧区域，与布气口距离较远，且与周围温度较低的空气接触面大，气体交流频繁，因此最终温度提升结果较差。

2)布气口布置于模拟甲板中心位置。由图5曲线可以看出，当布气口布置于模拟甲板中心位置时，模拟甲板中心区域温度迅速得到提升，并最终达到了较高的温度。这是由于该区域靠近布气口位置，首先得以填充温度较高的气体，并持续有新的温度较高的气体进行填充。

图5 布气口位于模拟甲板中心的模拟甲板温度

由于实验中布气口朝向模拟甲板中心内侧，因此，温度较高的气体在填充到模拟甲板中心区域后，先后填充到模拟甲板内侧及模拟甲板外侧区域。从图5可以看出，这两个位置的温度先后得到提升。由于更多地得到了温度较高的气体，因此模拟甲板内侧区域的温度高于模拟甲板外侧区域。

3)布气口布置于模拟甲板外侧中心。由图6可以看出，当布气口布置于模拟甲板外侧中心时，模拟甲板外侧区域温度迅速得到提升，并最终保持了较高的温度。这同样是由于该区域靠近布气口位置，首先得以填充温度较高的气体，并持续有新的温度较高的气体进行填充。

图6 布气口位于模拟甲板外侧中心的模拟甲板温度

随着气体不断被牵引，温度较高的气体先后填充到模拟甲板中心及内侧区域，因此这两个区域的温度也先后得到提升，但由于气体移动过程中热量不断损失，因此这两个位置的最终温度依次降低。

2.2 不同位置的单一布气口对模拟甲板整体提升效果不同

为了综合考虑模拟甲板整体温度提升效果，需要全面分析模拟甲板各个位置温度的提升。为此，本实验在模拟甲板3个代表性位置设置了3支温度传感器。通过综合考虑这3个位置温度的提升，考察整个模拟甲板的温度提升效果。为了量化考察模拟甲板整体温度提升效果，特采用加权方法定义温度综合提升值GTR为

式中:Δi——某一位置温度的提升值;

wi——该位置的相对权重。

本实验中各位置权重的设定基于如下规则:由于甲板内侧区域接近船舱，人员进出活动相对较多，所以权重设为40%;甲板中心处工作设备较多，所以权重设为50%，甲板前侧区域人员活动及工作相对较少，所以权重设为10%。

绘制不同布气口位置下模拟甲板综合提升值曲线见图7。通过图7可以看出，当布气口位于模拟甲板中心位置时，对整个模拟甲板的温度提升作用迅速且效果显著。此外，当布气口位于模拟甲板内侧中心位置时，虽然对模拟甲板中心及模拟甲板外侧温度提升效果相对较差，但由于对模拟甲板内侧温度提升效果显著，对模拟甲板中心也起到了较好的升温作用，经过加权分析，对模拟甲板的综合温度提升效果也比较好。相比而言，布气口位于甲板外侧时，对模拟甲板外侧区域的温度提升效果最为显著，而对模拟甲板中心及内侧区域效果较差，但由于3个区域的权重关系，当布气口位于模拟甲板外侧时，对整个甲板的温度提升效果在3组实验中最小。

图7 不同布气口位置下的模拟甲板综合提升值曲线

3 结论

实验结论可直接提升舰船甲板气流牵引式循环升温技术在实际应用中的效果，对舰船甲板气流牵引式循环升温思想的研究具有很好的参考价值。由于条件所限，未能全面地研究布气口位于模拟甲板各个位置时升温防冻的效果。而有关布气口垂直方向位置，布气口数量对舰船甲板升温效果的影响，以及深入的物理过程机理等问题，还有待进一步的研究。

［1］MULHERIN N D，MILLER A C.An experiment in preventing zebra mussel settlement using electro-expulsive separation technology［R］.U.S.Army Corps of Engineers，2003.

［2］陈拯民，王新生.垂直发射系统的除冰技术［J］.舰载武器，1998(4):1-4.

［3］朱福海，周立佳，邵利民.军事航海气象［M］.北京:海潮出版社，2002.