舱室超压建立的物理模型分析

喻俊峰，杨海燕

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



舱室超压建立的物理模型分析

喻俊峰，杨海燕

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：通过研究建立船用舱室超压的原理，推导舱室增加的空气质量的计算公式，分析两种舱室空气输入形式和空气泄露形式，得到节流阀开口面积与超压目标的特性关系，指出通风机的选型原则和缩短超压建立时间的方式。

关键词：舱室超压；输入形式；泄露形式

为保证某些特殊的船用作业环境安全，需要在舱室内建立比外界大气压高的超压环境。建立超压的前提舱室结构具有气密性，方法是使用离心风机将过滤后的洁净空气持续鼓入舱室，通过调整安装在舱室周界上的节流阀件的开口大小，控制对外空气泄放量。在输入条件不变的情况下，当节流阀开口稳定，舱室对外超压能够稳定在某数值(如0～1 000 Pa)，此时系统处于稳态，流入舱室的空气质量流量qmx与舱室流出的空气质量流量qmy相同。节流阀件的开口大小决定不同程度的超压。

舱室建立超压的原理见图1。

图1　舱室超压建立原理

图中，大气环境的静压p0，温度T0可以视为常量。

当系统开始工作时，离心风机往舱室鼓入新风，风量为qmx，此时qmx>qmy,舱室超压开始上升;

当系统稳定后，舱室超压可维持在某一设定值附近，此时离心风机鼓入风量和泄露至大气的风量相等，即qmx=qmy。

1舱室超压方程

由于舱室内的空气绝对压力相比舱外大气压力高0～1 000 Pa，此压力差相对于101 325 Pa的标准大气压较小，接近于常温常压，可以视为理想气体。根据理想气体状态方程

(1)

式中：p,V,T,m——分别为气体的压力、体积、温度及质量；

M,R——分别为空气摩尔质量和气体常数。

(2)

在超压建立之初，标记舱室内的空气压力、温度、密度为p1,T1,ρ1，此时舱内的空气压力、温度与大气环境状态一致，即p1=p0,T1=T0。

超压稳定后，进入舱室的空气流量与排出舱室的空气流量相同，舱室内的空气质量为平衡状态，标记此时舱室内的空气状态为p2,T2,ρ2，则有

(3)

式中：Δp——舱室对外超压值，p2=p1+Δp。

则有

(4)

实际情况下，鼓入舱室的为空调风，其温度可受控，超压形成前后舱内温度几乎没有变化，T2≈T1，可视为等温变化过程。可见形成舱室压力变化的主要原因是舱室总的空气质量的变化。舱室内增加的总空气质量计算方程为：

(5)

若将稳压建立的时间记为Δt，则Δm应当是此时间内(qmx-qmy)的积分：

(6)

2舱室空气输入模型

2.1定流量系统

定流量系统一般配置有流量传感器和流量调节阀，流量调节阀根据流量传感器进行自动调节风机流量，在系统工作的全过程中，能够将通风机输出的流量稳定在某一固定数值附近，具体数值根据任务特性确定。在定流量系统中，qmx为常量。

2.2变流量系统

此系统不配置任何流量调节设备，通风机全程保持额定转速，在建压过程中，根据通风机压力与流量特性曲线，流量下降，全压上升。在超压稳定后，流量与全压同样保持稳定。

根据通风管道阻力损失特性曲线方程[1]：

(7)

式中：H——通风管压力损失；

qmx——风量；

K——常数(当通风管确定后，K基本上是常数)。

在系统达到稳态后，通风机的工作点应为管道阻力损失特性曲线与通风机性能曲线的交点，见图2。

图2　通风机与管道的性能关系

由于通风机通电后，电机由静态达到额定转速的时间很短，忽略此时间内通风机流量的变化，假设本系统开始工作时通风机即在最大流量开始工作。对于固定型号的风机，其流量与全压的特性曲线是确定的，以某公司生产的CLQ系列风机为例，流量与全压的关系可用二次多项式拟合，即

(8)

式中：A，B，C——系数，与具体的风机型号和性能曲线相关。

若忽略超压舱室的泄露量，将视为送风管道的一部分，由于其空间足够大，管道风速几乎为0，动压也几乎为0，系统稳定时通风机的全压H即等于超压舱室的静压Δp。

3舱室空气泄露模型

舱室空气的泄露由2部分组成：通过节流阀件的泄放量qmy1；舱室船体结构的泄露量qmy2，即有

(9)

在流体力学中，可以将节流阀件抽象成为一种节流小孔来计算[2]，然后作修正。节流阀件的前后压差即为舱室超压Δp，舱室内空气初始速度为0，空气经过节流阀件处于紊流状态，根据伯努利方程有

(10)

式中：ρ——节流阀件出口空气密度；

ν——节流阀件出口空气速度；

ξ1——节流阀件的阻尼系数。

设节流孔出口截面积为S1，得到

(11)

泄放口压力与流量的关系同样符合图2描述的管道性能曲线。

对于舱室结构的泄露，在泄露口空气流速缓慢，流道断面细小而复杂，其流动状态处于紊流和层流之间，流量qmy2可表述为

(12)

式中：k——流动系数，介于0.5和1.0之间；

ξ2——泄露口的阻尼系数；

S2——当量孔口面积。

综合式(6)～(8)得到：

(13)

4节流阀开口面积

超压舱室建造时，设计师对舱室结构泄露量有严格的要求。系统工作时，大部分的空气从节流阀泄放，结构泄露量所占比重较小，qmy1/qmy≈1，则有

(14)

超压稳定时qmx=qmy，H=Δp。

对于定流量系统，qmx=常量；对于变流量系统，qmx应当是在风机曲线上与H=Δp时对应的流量。结合式(8)和式(14)对节流面积进行求解计算得到S1[3]。

在相同的系统的中，不同的节流阀开口对应着不同的节流面积S1，决定着不同的Δp。Δp与S1的特性关系见图3。

图3　舱室超压Δp与节流面积S1的关系

由图3可见，在其他条件相同的情况下，节流面积S1决定着最终的舱室超压Δp。节流面积S1越大，舱室超压Δp越小，舱室超压Δp的导数也越小。节流面积S1越小，舱室超压Δp越大，舱室超压Δp的导数也越大。实际情况下，为了便于调节舱室超压，一般节流阀的开口应当适中，开口过大或过小时都不便于调节[4]。

5通风机送风量

根据式(6)和式(11)，有

(15)

在Δt时刻

(16)

当节流阀泄放出口参数相同时，qmx越大，建立的压差Δp越大。由于送风管道和流量调节阀存在一定的压力损失，通风机额定全压应当大于舱室超压，且流量应满足超压舱室人员生活和工作的需求。同时考虑舱室接口泄露量和通风机性能，额定风量应大于式(16)理论计算量[5]。

6超压建立时间

根据式(5)，当舱室超压Δp和舱室容积V确定时，超压舱室需要增加的总的空气质量Δm是确定的，超压建立的时间取决于超压舱室空气质量增长的速度[6]。

对于定流量系统，在超压建立过程中，qmx是固定值，qmy是变化值，综合式(6)和式(11)，有

在Δt时刻，Δp(Δt)=Δp。

对于变流量系统，在超压建立过程中，qmx和qmy都是变化值，有

(18)

变流量系统在建压过程中，送风流量变小，全压变大直至稳定状态，达到稳态前，变流量系统流量值大于定流量系统，其建压的时间也较小。

为尽量缩短超压建立的时间，空气泄露量qmy应尽可能小，一般的处理办法是将节流阀做成可调式，使节流面积S1可变化，在建压过程中，使节流面积S1由0调至稳态面积。节流阀为开环控制时，节流面积S1的变化规律需由实际情况根据试验确定；节流阀为闭环控制时，还要注意将系统最大超调量和振荡幅度控制在合理范围内。

7结论

舱室超压建立的超压值Δp，达到稳态的建压时间Δt都是本系统工作的重要指标。根据这些指标可以对通风机选型，对节流阀的开口面积S1进行估算。实际系统中，由于存在送风管道压力损失和结构泄露，加之系统控制需要一定的裕度，应当对估算结果进行适当的修订。

参考文献

[1] 船舶设计实用手册冷藏通风编写组编. 船舶设计实用手册第六分册冷藏通风[M].北京:国防工业出版社,1975.

[2] 成大先.机械设计手册第5卷[M].北京：化学工业出版社，2002.

[3] 方勇.集体防护系统泄露量分析[J].船海工程,2013,42(4):114-115.

[4] 方勇.舰船集体防护系统增压建立分析[J].船海工程,2013,42(4):112-113.

[5] 李光.舰船密闭区域气密特性研究[J].中国舰船研究，2015，10(4)：125-131.

[6] 林芃，王吉，包剑，等.水面舰艇集体防护系统PID控制分析[J].中国舰船研究，2015，10(4)：118-124.

Analysis On Physical Model of Establishing Overpressure in Deckhouse

YU Jun-feng，YANG Hai-yan

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:Based on the theory of establishing overpressure in deckhouse is introduced, the formula to calculate the added air's mass is deduced. The two forms of air's input and leakage are analyzed to find out the relationship between leakage area and overpressure objective. The principle of selecting ventilator and the method to reducing the time of establishing overpressure are indicated.

Key words:overpressure in deckhouse; input mode; leakage mode

中图分类号：U663.8

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0109-04

第一作者简介：喻俊峰(1985-)，男，硕士，工程师。E-mail:junfory@qq.com

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.028

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶辅助系统