舱壁保温层对深潜器舱内温度的影响

李 杰， 宋保银

(南京航空航天大学 航空宇航学院， 江苏 南京 210016)



舱壁保温层对深潜器舱内温度的影响

李 杰， 宋保银

(南京航空航天大学 航空宇航学院， 江苏 南京 210016)

通过数值模拟的方法，对深潜器下潜和巡航过程中的传热进行分析，研究下潜速度、保温层厚度、保温层导热系数对舱内温度和内壁面温度的影响。下潜速度的增加，从时间上考虑，对舱内温度影响较小。随着导热系数的增加，保温层厚度变化对舱内环境温度影响程度减小。导热系数一定时，保温层厚度增加，舱内环境温度会线性上升，而环境温度与舱内壁面温差则线性减小。随着保温层厚度的上升，导热系数的变化对舱内环境温度影响程度变大。保温层厚度一定时，导热系数增加，舱内环境温度会加速下降，环境温度与舱内壁面温差加速上升。因此，保温层导热系数应尽量选取靠近0.1 W/(m·K)，而厚度以3 cm为宜。

载人深潜器；数值模拟；保温层；舱内温度

0 引言

随着时代的发展和科技水平不断提高，人类探索自然的能力不断加强，已将目光由大陆投向了深邃的海洋。目前，世界上只有少数国家拥有研发制造深潜器的能力[1-4]。其中:美国的“阿尔文”号是最早研制成功并实际应用的深潜器，它于1964年制造完成，最深可下潜到4 500 m，如今已累计下潜5 000余次，也是世界上下潜次数最多的深潜器；俄罗斯则是拥有深潜器数量最多的国家，比较知名的是“和平一”号和“和平二”号，可在深海连续作业17个小时，最大下潜深度为6 000 m；日本的“深海6500”号深潜器最深下潜记录为6 500 m；法国的“鹦鹉螺”号于1985年建成，最大下潜深度为6 000 m；中国的“蛟龙”号深潜器于2008年下海作业，最大下潜深度为7 000 m。

虽然“蛟龙”号深潜器成功地完成了先前的任务[5]，但在工作过程中也暴露了一些问题。因为载人舱内部空间小、人员少，且为蓄电池供电，所以并没有在舱内安装空调设备和隔热设备。通过检测发现，深潜器在整个下潜过程中，由于下潜作业时间长，随着海水温度的快速降低并维持在1 ℃左右，造成舱内空气温度较低，最低达13 ℃。在狭小的密闭空间中，温度过低将不利于人员开展工作。

本文从增加载人舱内壁保温层方案入手，采用数值模拟的方法，对深潜器在下潜和海底巡航的传热过程进行模拟分析，研究保温层厚度、保温层材料的导热系数对载人舱温度的影响，提出保温层设计的一些基本原则，可作为深潜器载人舱保温层设计的参考。

1 深潜器的传热模型及计算状态确定

1.1 深潜器的传热模型

深潜器由载人舱和大量电子设备组成，其载人舱的耐压结构由钛合金制成[6]。本文主要关注载人舱内的温度变化。载人舱中热源包括人和少量电子、照明设备。人和电子设备发出的热量通过载人舱内部的空气对流带走；与此同时，空气与载人舱内壁面对流换热，热源与壁面有辐射换热，这些热量通过壁面向深潜器躯体传递；最后，深潜器躯体与海水之间对流换热和深潜器外壳与周围环境辐射换热将载人舱传递出来的热量带走。当然，深潜器除了载人舱之外还有部分电子设备会发出热量，但由于公开资料有限和本文的侧重，这里不予以考虑。深潜器传热过程如图1所示，忽略了舱内空气对辐射热量的吸收，可得热源与舱内环境对流换热为

图1 深潜器传热示意图

式中：hs为热源与舱内空气的对流换热系数；A1为各个热源面积之和；Ts和Te分别为热源表面温度和舱内空气温度。

壁面与舱内环境的对流换热为

式中：hw为载人舱壁面与舱内空气的对流换热系数；A2为载人舱内壁面的面积；Tw为载人舱壁面温度。

热源与舱壁的辐射换热为

式中：εs是热源的辐射率；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。

深潜器与外环境的对流换热为

式中：hp为深潜器与海水的对流换热系数；A3为深潜器与海水的换热面积；Tp为深潜器壁面温度；Th为外界环境温度。

深潜器与外环境的辐射换热为

式中：εp是深潜器外壁面的辐射率。

舱内空气热平衡方程为

式中：c1为载人舱内空气的比热容；m1为载人舱空气质量；dT为载人舱内空气的温度在dt时间的增加值。

将深潜器舱壁导热看作空心圆柱一维径向导热，则其导热方程为

式中：ρ为舱壁密度；cP为其定压比热容；λ为其导热系数。

深潜器载人舱内壁面热边界条件为

深潜器躯体外表面的热边界条件为

式中：rin为舱壁内壁半径；rout为深潜器外壁面半径。

根据传热理论[7]，对流换热系数为

深潜器外壳表面的平均Nu数，在层流状态为

在湍流状态则为

式中：Pr为海水的普朗特数；ReL为深潜器外壳的平均雷诺数。

舱内自然对流换热的Nu数可以确定为

式中：RaD为以舱内直径为定型长度的瑞利数。

1.2 深潜器的计算状态和参数

本文模型根据“蛟龙”号尺寸[8]设计长8.2 m，宽3 m，高3.2 m,，载人舱内径2.1 m，耐压结构厚度[9]为102.76 mm，载人舱内表面保温层厚度分别为1 mm，3 mm，5 mm。

由于现在文献极少涉及深潜器保温层材料、厚度、传热量等信息[10]，无法直接获得相关确切参数。“蛟龙”号深潜器共有人员3人[8]，故设置人体恒壁面温度为310 K。

载人舱内为密封环境，需人为控制气体含量，舱内主要有N2、O2和少量的其他气体，其中O2浓度必须严格控制在20%左右。本文忽略其他气体影响，只考虑N2和O2。依据混合气体热物性加权计算准则[11]，计算得到舱内空气导热系数为0.024 1 W/(m·K)，密度为1.139 kg/m3，比热容为1 007 J/(kg·K)，动力黏度为1.78×10-5kg/(m·s)。深潜器耐压结构钛合金的导热系数[12]为20 W/(m·K)，密度为4 500 kg/m3，比热容为520 J/(kg·K)；保温层导热系数[13]分别为0.1 W/(m·K),0.5 W/(m·K),1 W/(m·K)，密度为2 400 kg/m3,比热容为660 J/(kg·K)。

海水温度在水深0～300 m的范围内变化剧烈[5]，大于300 m后变化放缓，并在2 000 m时达到1℃左右，之后维持此低温。根据文献[14]得知下潜共用时160 min，且基本为匀速下潜，可得出“蛟龙”号下潜速度为0.729 m/s。根据深潜器下潜速度和海水温度的变化特点，本文模拟的深潜器工作过程分为下潜和巡航两个过程。其中，下潜过程分3个阶段，第1阶段时间400 s，海水平均温度为293 K；第2阶段时间2 400 s，海水平均温度为278 K；第3阶段时间7 200 s，海水平均温度为274 K。之后的3 000 s为巡航阶段，巡航过程速度[8]为0.5 m/s,海水温度1 K。

2 计算结果分析与讨论

影响深潜器舱内温度的因素有很多，如舱内发热量、深潜器设计以及深潜器工作环境等。本文根据“蛟龙”号深潜器7 000 m海试的试验数据，研究深潜器下潜速度的变化、保温层的设计即保温层的厚度与保温层的导热系数对深潜器舱内环境温度的影响。

首先，将模型模拟的数据与试验数据进行对比，如图2所示。可知，试验值与模拟所得结果基本一致，证明该模型较为合理。

图2 模型模拟数据与试验数据对比

2.1 下潜速度对舱内温度的影响

受制于技术原因，深潜器下潜速度较慢，这意味着浪费了不少宝贵的深海作业时间。通过下潜速度对深潜器舱内温度的影响进行研究。图3a)为下潜深度和舱内温度的关系。图3b)展示了下潜时间与舱内温度的关系。从图3a)可以发现，下潜速度快，达到相同深度时，舱内温度越高，随着下潜深度的增加，不同速度下的温差也逐步拉大。随着速度的增加，下潜过程中，舱内温度随深度的变化逐步减小。图3b)显示下潜速度的变化对于某一下潜时间下的温度影响相对较小。速度增加，下潜过程中，舱内温度略有下降。这是由于随着深潜器下潜速度的增加，深潜器经过温度相对较高的浅海区域的时间缩短，其快速到达温度较低的深海区域。

图3 下潜速度对舱内温度的影响

2.2 保温层厚度和导热系数对舱内温度的影响

当下潜速度为0.729 m/s时，对保温层厚度及导热系数对舱内温度的影响进行分析。需要指出的是，图4～图6中10 000 s之前的阶段均为深潜器下潜过程，之后为7 000 m深度的巡航阶段。图4反映了在相同导热系数下保温层厚度对舱内温度的影响。可以发现：在较低的导热系数下(见图4a))，保温层厚度对舱内温度影响显著；随着导热系数的增加，保温层厚度的变化对舱内温度的影响越来越小(见图4c))。同样地，图5反映了在相同保温层厚度下导热系数对舱内温度的影响。可以发现：随着厚度的增加，导热系数的变化对舱内温度的影响越来越大；厚度一定的情况下，导热系数变化对舱内温度影响并非是线性的，导热系数越靠近低值，舱内温度增大得越迅速，导热系数在0.5 W/(m·K)和1 W/(m·K)时，其舱内温度差距较小，但均明显低于导热系数为0.1 W/(m·K)的情况。

图4 保温层厚度对舱内温度的影响

图5 保温层导热系数对舱内温度的影响

2.3 舱内空气和壁面温差

舱内壁面温度对载人舱内的环境影响至关重要。一方面，舱内温度与壁面温度的温差影响着舱内与外界的换热；另一方面，如果壁面温度低于舱内环境的露点温度，会有水在内壁面析出，这不仅影响到作业人员的舒适感，也影响到电子设备的安全稳定。所以，两者温差不宜过大。

图6 舱内空气与舱内壁面温差变化曲线

图6分别给出了保温层厚度为8 cm和导热系数为0.1 W/(m·K)的情况下舱内空气和壁面温差随下潜时间的变化曲线。结果显示：在下潜过程中，刚开始温差迅速扩大，在下潜25 000 s后趋于恒定。当保温层厚度为8 cm时，导热系数越小，舱内温度与壁面温度温差越小。随着导热系数的增加，温差增大速度明显减缓。这表明保温层导热系数越大，其对温差影响越弱。本文中，导热系数大于0.5 W/(m·K)后，导热系数对温差的影响已经很小。

导热系数为0.1 W/(m·K)时，随着保温层厚度的增加，环境与壁面温差逐步减小。保温层厚度对温差的影响呈线性关系。

3 结论

本文建立了深潜器热力学模型，用数值模拟的方法研究了深潜器下潜和巡航过程中载人舱内环境温度和壁面温度的变化趋势，考察了载人舱内保温层厚度、保温层导热系数以及下潜速度对舱内温度的影响。结果表明：

(1) 深潜器下潜过程中舱内温度下降迅速，进入海底巡航阶段后，随着时间的推移其温度下降减缓。深潜器下潜速度越大，舱内环境温度下降越慢。

(2) 在深潜器载人舱保温层厚度3～8 cm，导热系数0.5～1 W/(m·K)的情况下，其保温效果并不明显。当导热系数为0.1 W/(m·K)时，保温层厚度在3～8 cm，均可满足人体长时间工作舱内舒适环境温度(288～300 K)要求[15]；

(3) 随着导热系数的增加，保温层厚度变化对舱内环境温度影响程度减小。当导热系数一定时，保温层厚度增加，舱内环境温度线性上升，舱内空气与舱内壁面温差则线性减小。随着保温层厚度的上升，导热系数的变化对舱内环境温度影响程度变大。当保温层厚度一定时，导热系数增加，舱内环境温度加速下降，环境与舱内壁面温差加速上升。

由以上分析可知，导热系数变化对舱内温度和舱内空气与壁面温差的影响较为剧烈，所以设计保温层时，应首先确定保温层导热系数的大小。考虑舱内温度要求，本文推荐导热系数范围为0.1～0.5 W/(m·K)，考虑到舱内空气与壁面温差，在此范围内，导热系数应尽量靠近0.1 W/(m·K)。又因为舱内空间有限，故保温层厚度应尽量减小，以3 cm为宜。

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Effect of Insulation Layer on Cabin Temperature of Deep-Diving Submersible

LI Jie, SONG Baoyin

(College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu, China)

An numerical simulation method is used to analyze the thermal performance of the submersible during its diving and cruising. The effects of diving velocity, the insulation layer thickness and its thermal conductivity on cabin temperature and wall temperature are investigated. The results show that the effect of diving velocity on cabin temperature is not obvious based on the diving time. With the increase of thermal conductivity, the effect of the insulation layer thickness on the cabin temperature is decreased. For a constant thermal conductivity, increase on insulation layer thickness will result in a linear increase of the cabin environment temperature and a linear decrease on the temperature difference between the cabin ambient and the inner wall. With the increase of the thickness of the insulation layer, the effect of the thermal conductivity of insulation layer on the cabin temperature is increased. For a constant thickness of insulation layer, increase of the thermal conductivity will lead to a rapid decrease in cabin temperature, and a rapid increase in the temperature difference between the cabin ambient and the inner wall. Therefore, 0.1 W/(m·K) is a better value for the thermal conductivity of the insulation material, and a value of 3 cm is a better choice for the insulation layer thickness.

manned deep-diving submersible; numerical simulation; insulation layer; cabin temperature

李 杰(1992-)，男，硕士，主要研究方向为流体的传热与传质

1000-3878(2017)03-0024-06

U663

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