舰船密闭区域气密特性研究

李　光中国舰船研究设计中心，上海201108

舰船密闭区域气密特性研究

李光
中国舰船研究设计中心，上海201108

舰船密闭区域是一种容积较大、结构复杂、内部空气需建立一定超压的特殊区域，设计要求密闭区应具有一定的气密性。采用圆管层流和孔板流2种流量计算公式推导了舰船密闭区域气密压降特性的2种表达式，表示了密闭区气密压降过程中压力和时间的变化关系，并通过了试验验证。介绍了密闭区流量平衡特性，推导出密闭区漏气量和超压的关系式。论述了圆管层流法和孔板流量法2种密闭区气密压降特性和流量平衡特性的参数转换方法，并进行了试验验证。结果表明，舰船密闭区域气密特性及其转换方法的研究，为密闭区域的气密性检验提供了技术基础。

气密；气密压降特性；流量平衡特性；漏气量

0　引言

本文研究的舰船密闭区域（简称密闭区）容积较大，一般为几百至几千立方米，区域通常分多层，层与层之间有楼梯相通，区域内一般设置人员住室、工作室、设备室及公共卫生舱室等，区域容积和布局的复杂性远远超过宇宙飞船、飞机座舱、列车车厢等典型的密闭区［1-2］。因为密闭区的结构可能存在泄漏点，并且需要设置人员进出的通道，这些都有可能引起舰船密闭区的空气泄漏。密闭区内设置超压控制系统，该系统通过对区域内的空气压力等参数进行测控，确保区域内空气对外超压稳定在一定的范围内，并且使各部位的空气压力分布满足系统设计的要求，为船员提供一个安全的工作和生活环境，该功能的实现依赖于密闭区域所具有的气密性。

欧美发达国家对舰船密闭区及其气密特性研究较早，上世纪80年代其重要舰船已设置密闭区域及相关控制系统，区域建造完毕后基本上采用流量平衡的方法检测区域漏气特性。国内舰船密闭区研究相对发达国家起步较晚，虽然在工程上有一定应用，但对密闭区的气密特性缺乏深入研究。国内航空、航天及高速列车等行业对其密闭区的气密性研究较多，其中航空、航天领域提出利用可压缩气体通过喷嘴流动的原理来模拟区域周界的空气泄漏，并利用该原理提出了压降和泄漏量的气密性转换方法。

通常，所谓气密性即为密闭区域周界对空气的不可渗透性。人们采用某些可以获得的参数来表示气密性的好坏，不同领域用不同的标准来表示。如高速列车的气密性标准是指外界环境气压变化传入车厢内的允许值，包括压力变化幅值和压力变化率［3-6］；飞机的气密性标准为最大允许泄漏量，即飞机最大压差下的单位容积漏气量（单位：kg·m-3·h-1）；暖通行业对于大型风管系统及生物安全试验室气密性指标按有效泄漏面积（单位：m2）作为衡量标准［7-8］。本文研究的密闭区气密性不是要求绝对的“不漏气”，而是允许有一定的泄漏，但泄漏的程度要满足密闭区超压建立和控制的要求。

气密性是密闭区超压建立和控制的基础，是超压控制得以实现的根本保证，区域气密性好，区域内的超压就易于建立和控制。但是对于工程来讲，气密性要求越高，则密闭区域的建造难度和成本越大，可见密闭区气密性要求还须综合考虑，因此气密性要求的确定需要相关深入的理论和实践依据。本文通过对密闭区的气密性进行理论和试验研究，将气密特性用理论公式表达，更直观地表明代表密闭区气密性的关键参数及其数学关系，为密闭区气密性衡准指标及其检测方法的确定提供理论依据。

1　理论基础

空气作为一种流体，其流动的方式主要分为：分子性流、过渡流、粘性层流、粘性紊流。当气体处于大气压力下，由于受到分子间力的作用，在某一层气体的移动受到其相邻一层气体分子的影响下，其移动速度会减缓，而另一层的流动速度则会增加，该流动被称为粘性流动。粘性流动根据雷诺数Re的不同而分为层流和紊流。舰船密闭区的气体向外流动可由2种不同的流量计算公式进行计算。

1）流体沿管道的层流Hagen-poiseuill流量计算公式［9］为

式中：qv为单位时间的体积流量，m3/s；D p为圆管两端的差压，Pa；d为圆管的直径，m；l为圆管的长度，m；μ为流体的动力粘度，Pa·s。

2）当不可压缩流体流过孔板，根据其流量计算公式［10］，通过孔板的空气质量流量G表示为

式中：G为质量流量，kg/s；A为孔板流通面积，m2；ρ为流体密度，kg/m3；p1为进口侧压力，Pa；p2为出口侧压力，Pa；Cq为流量系数。舰船密闭区域内空气温度相对恒定，空气压力变化较小，一般仅为几百帕，在此压力梯度下孔口流速较低，空气密度变化很小，因而将密闭区内空气视为不可压缩流体。

3）雷诺数计算公式

式中：u为密闭区气流通道内的平均流速，m/s；de为密闭区气流通道特征长度，m；ν为空气运动粘性系数，m2/s。

2　密闭区域气密压降特性

2.1圆管层流法推导的压降特性

密闭区域在正压状态下的漏气如图1所示。po和ρo分别为区域外的空气压力（大气压力）和空气密度；pi和ρi是区域内的空气压力和空气密度；区域内外的空气温度均为T（开氏温度），密闭区域的容积为V。密闭区域处于正压时，空气通过孔隙渗漏到区域外部，使区域内的压力逐渐下降而使正压差逐渐减小。

图1　密闭区域漏气分析模型Fig.1 Air leakage analysismodel

假定区域周界上的孔隙截面积不随压力变化，根据Hagen-poiseuill流量计算公式和理想气态方程，把所列方程联立并求解方程组，经运算整理后为

式中：D pi为气密试验一定时间后的超压，Pa；D pmax为气密试验起始超压，Pa；t为气密试验已进行的时间，s；K为漏气系数。

由式（4）可知，密闭区域的气密压降试验对于某一时刻的超压，由气密试验的起始压力D pi0（D pmax）、密闭区域容积V、漏气系数K、大气压力po以及气密试验进行的时间t决定。对于特定的密闭区域，其漏气系数和容积为常数；对于特定的大气环境，其大气压力也可以近似为常数。因此，其试验过程的超压值D pi决定于气密试验的起始压力和试验的时间，D pi与t成指数函数关系。K/V为漏气系数与密闭区域有效气体容积的比值，该比值是同一密闭区域的固有参数，对于不同的密闭区域，其气密性取决于K/V，该比值可通过气密试验换算求得，可直接判断气密试验是否满足要求，或比较不同气密区域的气密性程度。

2.2孔板流量法推导的压降特性

本文假定区域周界上的许多孔隙等效为一个一定口径的流量孔板，其泄漏总面积为A，根据孔板的流量计算公式和理想气体状态方程，经运算整理后为

由式（5）可知，密闭区域的气密压降试验对于某一时刻的超压，由D po（D pmax），V，A，po和t等参数决定。对于特定的密闭区域，其漏气系数和容积为常数，对于特定的大气环境其大气压力也可以近似地认为是常数，因此，其试验过程的超压值决定于气密试验的起始压力和试验的时间，D pi与t成二次函数关系。是同一密闭区域的固有参数，对于不同的密闭区域，其气密性取决于K，该比值可通过气密试验换算求得，可直接判断气密试验是否满足要求，或比较不同气密区域的气密性程度。

因此根据式（4）和式（5），在气密试验中密闭区域内的超压从起始压力开始下降，经过一定时间后记录最终压力，根据最终压力值可判断气密试验对象的气密性好坏；也可记录从起始压力到最终压力的时间值，该值也可判断气密试验对象的气密性好坏。

2.3密闭区域气密压降特性的试验分析

为研究密闭区域的气密特性，对总容积为800m3的密闭大舱进行试验研究，舱内设置了一套自动化测试系统。对密闭舱的6个泄漏状态进行气密性压降试验，压降试验从舱内超压600 Pa开始，通过试验装置记录一定时间所对应的各部位超压。6个状态分别为：密闭区无孔状态、密闭区域的漏孔直径分别为10，20，30，50和80mm的状态。试验拟合曲线如图2～图6所示。

图2　密闭区域压降试验曲线Fig.2 Pressure curve of air tightarea pressure drop test

图3　密闭区域直径为10mm孔压降试验拟合曲线Fig.3 Pressure curve ofair tightarea pressure drop testwithΦ10mm hole

图4　密闭区域直径为20mm孔压降试验拟合曲线Fig.4 Pressure curve ofair tightarea pressure drop testwithΦ20mm hole

图5　密闭区域直径为30 mm孔压降试验拟合曲线Fig.5 Pressure curve of air tightarea pressure drop testwithΦ30mm hole

图6　密闭区域直径为50 mm孔压降试验拟合曲线Fig.6 Pressure curvesofair tightarea pressure drop testwithΦ50mm hole

从图3和图6可以看出，试验曲线的拟合结果分别与式（4）和式（5）所表达的内容比较接近。从图4和图5可以看出，试验曲线的指数拟合和二项式拟合结果与试验曲线均有一定的差异，但在拟合曲线与试验曲线中可以观察出一定的趋势：直径为20mm孔的试验曲线更接近指数拟合曲线，直径为30mm孔的试验曲线更接近二项式拟合曲线。

比较密闭舱气密性压降的6种状态的试验可得：对于密闭区域泄漏面积较小（如无孔或直径为10 mm孔状态）时，其压降特性的规律基本遵循指数形式，其泄漏的流动可等效为细长管的层流，在压降试验的整个过程中，泄漏的空气流动相对于整个密闭区超压为层流。对于密闭区域泄漏面积较大（如直径为50和80 mm孔状态）时，其压降特性的规律基本遵循二项式形式，其泄漏的空气流动可等效为空气通过孔板的流动，在压降试验的初期其流动相对于整个密闭区的超压为紊流，随着密闭区域超压的降低，其流动趋向于层流。对于密闭区域漏泄面积在一定的范围内（如直径为20或30 mm孔状态），其压降特性的规律介于指数形式和二项式形式之间，其泄漏的流动可认为是细长管的层流与孔板流动的结合，在压降试验的初期，其流动为处于层流与紊流之间的过渡区域，随着密闭区超压的降低，其流动应处于层流区域，试验曲线接近指数形式。

3　密闭区域流量平衡特性

3.1密闭区域的流量平衡

对于密闭区的进排空气量包括区域进气系统的供气量、密闭周界的漏气量、区域排气量，在密闭区内保持一定超压不变的情况下，根据质量守恒原理，上述参数应满足式（6）式中：Gi为进气质量流量，kg/h；Gl为漏气质量流量，kg/h；Go为排气质量流量，kg/h。

假设进、排气的密度相同，上述质量流量（kg/h）的平衡关系可由体积流量（m3/h）的平衡关系代替。

3.2漏气量与超压的函数关系

考虑密闭区的泄漏存在能量损失，密闭区泄漏的空气满足能量守恒方程

式中：pi为泄漏孔进口（区域内）压力，Pa；po为泄漏孔出口（区域外）压力，Pa；νi为泄漏孔进口（区域内）空气流速，m/s；vo为泄漏孔出口（区域外）空气流速，m/s；ρi为泄漏孔进口（区域内）密度，kg/m3；ρo为泄漏孔出口（区域外）密度，kg/m3；∑ELoss为能量损失，对于层流其为速度的一次方函数，对于紊流其为速度的二次方函数。

根据该式可推出泄漏孔出口速度与压力的一般关系表达式

式中：D p为区域内超压(pi-po)，Pa；c为流量系数。

根据连续方程和式（8）导出密闭区域的漏气量公式

式中：Ql为密闭区域泄漏量，m3/h；A为泄漏总面积，m2。

3.3漏气量与超压之间关系的试验分析

为研制密闭区域的气密特性，建造了容积为8.2 m3的密闭小舱，对小舱进行漏气量和超压的关系试验。在小舱处于封闭状态时，对舱的4个状态进行漏气量和超压的关系试验，4个状态分别为：舱体、舱体分别开1，2，3个直径为9.3mm的漏孔。通过小舱的漏气量和超压关系试验，可以验证式（8）为密闭区域的漏气量与超压关系的一般性公式，密闭区域的漏气量与超压的n次方成正比。试验得出的漏气量和超压的关系曲线及分析如图7～图8所示，图7的拟合曲线的公式为Ql=0.596 5(D p)0.5538，图8的拟合曲线的公式为Ql=1.148 7(D p)0.5551。

图7　密闭小舱1个孔漏气量—超压曲线Fig.7 Air leakage-pressure curves ofmodelwith one hole

图8　密闭小舱3个孔漏气量—超压曲线Fig.8 Air leakage-pressure curvesofmodelwith three holes

4　密闭区域压降与漏气量参数转换计算方法及试验分析

同一密闭区域的气密压降试验和某一超压下的漏气量试验，其试验结果均反映密闭区域的气密性，由于2种试验建立在相同气密性的基础上，因此2种试验方法所得出的结果应能相互转换。本文根据工程需要，在相关领域研究的基础上，总结层流法和孔板流量法，对密闭区域的气密压降参数与漏气量参数进行转换。

4.1圆管层流法

根据圆管层流法推导密闭区域压降特性的中间过程公式

由式（10）可推导出，对于密闭区在一定超压pik下的漏气量

式（11）为将密闭区域气密压降试验结果计算为某超压下的漏气量的圆管层流法转换计算公式。试验过程中，在保持区域内温度恒定的基础上，记录起始压力、最终压力和试验时间，将记录的值和漏气量试验要求的压力代入式（11），得出密闭区域一定超压下的漏气量。

4.2孔板流量法

孔板流量法推导密闭区压降特性的中间过程公式

求解上述方程组，整理后得出空气流量

式（13）为将密闭区域气密压降试验结果计算为某超压下的漏气量的孔板流量法转换计算公式。试验过程中，在保持区域内温度恒定的基础上，记录起始压力、最终压力和试验时间，将记录的值和漏气量试验压力代入式（13），得出密闭区域的一定超压下的漏气量。

4.3密闭区域压降和漏气量参数转换的试验分析

针对密闭大舱的6种泄漏状态进行起始压力为600 Pa的气密压降试验，泄漏状态分别为无孔、直径分别为10，20，30，50和80 mm的孔。在每个状态的试验过程中，记录压力和其对应的时间数据，按照试验起始时间到中间过程不同的时间点，将试验数据按时间段A～E编号，对于同一种漏气状态，各时间段对应的压降与流量转换结果的差异，可以反映出计算方法的准确程度，圆管层流法和孔板流量法的转换公式的计算结果如表1所示。

由于上述同一个状态的各试验时间段测到的压力值均属于同一条压降曲线，因此不同时间段压降的试验数据所对应的同一超压下的漏气量转换计算结果应该相同，如转换公式的计算原理接近密闭区域的压降特性，则各时间段的转换计算值应接近。根据表1数据，在无孔以及直径为10 和20mm孔的状态下，用层流法计算各阶段的漏气量的偏差小于孔板流量法，而在直径为30，50 和80mm孔的状态下，孔板流量法计算各阶段的漏气量偏差小于圆管层流法。

根据表1的换算结果，计算各漏孔漏气状态下的雷诺数，随着密闭区泄漏孔径的增加，漏气量相应增加，雷诺数也相应增大，计算结果如表2所示。

表1　压降与漏气量的转换结果Tab.1 Air leakage converted from pressure d rop test

表2　各漏孔状态泄漏流动时雷诺数计算结果Tab.2 Re of the air leakage state for d ifferent hole size

可见，如密闭区域泄漏面积较小，则漏气量较小，雷诺数小于层紊流转换值，泄漏的流动可视为完全层流，其压降特性的规律基本遵循指数形式。压降和漏气量的转换计算选用圆管层流法，结果较为准确。当密闭区域泄漏面积较大时，则漏气量较大，雷诺数远大于层紊流转捩值，其泄漏的流动可视为充分发展紊流，压降特性的规律基本遵循二项式形式，泄漏的流动可等效为空气通过孔板的流动，其压降和漏气量的转换选用孔板法计算较为准确。

根据密闭小舱的压降和漏气量的试验，由小舱的1～3个直径为9.3 mm孔的压降试验曲线可知，其压降特性基本遵循二项式形式，其漏气量的转换用孔板流量法计算结果比较准确。根据表3，转换计算结果相对于测定值的误差一般小于20%，这在工程上是允许的。

表3　孔板流量法漏气量的转换结果Tab.3 Converted resu ltsof the air leakage under the pore p late flow form u la

5　气密特性研究成果的应用

密闭区域气密特性研究成果为密闭区的气密性检测技术提供了理论基础。舰船密闭区施工过程中以及完成后，需要检查密闭区气密性是否满足能建立超压和控制的要求，一般采用设计超压条件下的漏气量作为衡量气密性的最终指标。由于密闭区域的泄漏点很多，绝大多数泄漏点无法判断，而且每个泄漏点的漏气量也非常微小，密闭区的漏气量无法利用流量计进行直接测量。根据密闭区域气密压降特性和流量平衡特性的原理，可采用2种间接的方法测量漏气量，即气密压降法和流量平衡法。

气密压降法以密闭区域的气密压降特性为依据，通过测试装置向区内送入一定量的空气，当密闭区域的超压达到一定的值后关闭充气口，使压力自由衰减，同时开始气密压降试验。记录试验起始和结束时密闭区域的超压和测试时间，根据试验结果，利用压降和流量的转换关系式计算出密闭区域在某超压下的漏气量。流量平衡法以密闭区域的流量平衡特性为依据，通过测试装置向区内连续送入一定流量的空气，同时，调节送风量，使密闭区域超压稳定在要求值，此时，测量密闭区域的进风量，该进风量就为密闭区域在该超压下的漏气量。

对于能通过通风行业常用的风量测量装置准确测量漏气量的密闭区域，建议使用流量平衡法测量漏气量。对于漏气量非常小，而通过通常的流量测试装置无法准确测得结果的密闭区域，建议使用压降法获得密闭区域的漏气量。如果流量平衡法的漏气量测试条件不具备，也可通过气密压降法得出。

6　结语

本文通过理论研究和试验研究，提出了舰船密闭区域的气密压降特性和流量平衡特性，以及2种特性参数的转换方法，为密闭区域的气密性检验提供了技术基础。目前，国内舰船密闭区域还处于工程应用的发展阶段，关于密闭区域的气密性技术有待进一步研究。本文研究的舰船密闭区域气密特性，虽进行了一定的试验验证，并在工程中有所应用，但还需在后续的工程应用中加以检验或修正。

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［责任编辑：胡文莉］

Research on the airtight performance of vessel airtight areas

LI Guang Shanghai Division，China Ship Development and Design Center，Shanghai201108，China

The vessel airtight area is a large and complex specific area，in which over pressure is often required.In this paper，two types of formulas（tube laminar flow formula and pore plate flow formula）are used to derive the expression for the air pressure reduction performance.Both formulas successfully reveal the relationship between pressure and time during the air pressure reducing process，which is further validated by actual tests.Finally，this paper introduces flow equation performance，derives the relation formula for air leakage capacity and pressure，and discusses the parameter transition method for the two presented formulas.This paper presents the analytical research of the airtight performance and the transition technique of ship airtight areas，providing the technical foundation for future airtight tests.

airtight；pressure reduction performance；flow equation performance；air leakage capacity

U664.83

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.04.019

2014-09-28网络出版时间：2015-7-29 9:24:06

国家部委基金资助项目

李光，男，1976年生，硕士，高级工程师。研究方向：舰船总体研究与设计。E-mail：sh701ly@163.com