水面舰船集防系统的超压值仿真分析

陈红超，宋靠华，包剑，罗雯军

中国舰船研究设计中心，上海201108

0 引 言

目前，核生化（Nuclear，Biological and Chemical，NBC）武器的发展愈演愈烈，已有30多个国家宣称拥有化学武器［1］。未来，NBC武器有可能在战争和恐怖袭击中投入使用，并导致难以预估的严重后果。例如，一枚携带肉毒杆菌的飞毛腿导弹弹头的污染面积可达 2.288×109m2［2］。而核动力舰船和潜艇则可能存在核泄漏隐患，英国国防部于2009年承认，在过去的12年内，英国核潜艇共计发生了9次核泄漏事故［3］。

正因为如此，各国海军均非常重视水面舰船的NBC综合防护能力，其中美国海军明确要求新研水面舰船应具备完善的NBC综合防护能力，甚至要求海岸警卫队新研的127 m级海警船应具备在NBC污染环境下至少运行36 h的防护能力［4］。统计结果表明，现代舰船执行任务的时间一般超过出航时间的80%。如果舰船不具备NBC防护能力，则将会在短时间内迅速丧失战斗力［4］。针对NBC污染环境，水面舰船必须设置集防系统，用以保障水面舰船集防区的环境安全。该集防区应具有密闭和正压的特点，集防区设定的正压值即为集防系统超压值。超压值过高，则舰船的空调系统配置需随之提高，同时也将影响舰员的舒适性；超压值过低，则将不能有效抵御外来NBC污染物的入侵。

目前，国内外学者针对集防系统开展了广泛的研究工作。杨光等［5］通过对波浪动压值、重力、惯性力、静水压等因素导致的结构形变进行仿真，分析了舰体集防区对外通道的结构变形和气密门密封圈的接触压力分布情况，但并未得出具体的集防系统超压值，也未从空气动力学的角度分析集防系统超压值的设定原则。林芃等［6］指出我国舰船在有限防护区域的超压可达250～400 Pa，波动范围为控制指标的±20%，但并未进行详细的分析论证。在欧美相关的海军设计规范中，集防系统超压值一般设定为 300～500 Pa［7-9］，而国内尚未开展这方面的分析论证工作。因此，本文拟结合我国水面舰船的技术发展现状，通过理论和仿真的方法对全舰集防系统超压值进行分析论证，提出具体的超压设定值，用以为集防系统优化设计提供参考。

1 全舰集防系统超压值的理论分析

水面舰船集防系统的作用是避免空气中的NBC污染物进入集防区，理论上只要舰船外壁保证绝对气密，污染物就无法入侵舰船内部。然而，在实际应用中不可能实现绝对的气密，因为舰船外壁总会存在一些微小的泄漏点。当舰船在恶劣海况下航行时，流动的空气将在舰体表面形成正压，这样NBC污染物有可能通过舰船外壁泄漏点进入舰船内部，从而造成污染。因此，在集防区内设置超压环境（必须大于舰体外部表面的空气风压值）才能有效阻止潜在的渗透威胁。

水面舰船外壁的表面风压是由外界空气相对于舰船外表面的相对流速所致，其中海面风向与舰船航行方向相反时的相对流速最大。根据相关资料可知，当海上相对风速超过6.7 m/s时，污染物将被迅速冲淡从而威胁性明显降低［10-11］。目前，国内外普遍认为在4级海况（平均风速为8.00～17.1 m/s）以下才能形成有效的NBC污染区，而处于污染区内的舰船可迎风前进以迅速驶离。

水面舰船受到NBC战剂威胁的表面空气压力为

式中：p为风压，Pa；K为空气动力学系数；ρ为标准大气压的空气密度，kg/m3；v为相对风速，m/s。

K的数值取决于风向和航向的夹角，舰船迎风时为正值，背风时为负值［12］。当舰船以最高航速30 kn迎风前进时，最高相对风速vmax=25.72 m/s。设K=1，ρ=1.2 kg/m3，则P=397 Pa。考虑到集防区内外温差的影响，一般取10 Pa的压力差补偿值，则表面空气压力最大值Pmax=407 Pa。

2 全舰集防系统超压值的仿真分析

在海上航行过程中，水面舰船各处的风压将有所差别，迎风区域的风压较大，背风局部区域则可能出现负压。如果全舰都按照统一的标准设置超压值，必然会导致空气处理设备的负荷过重。因此，有必要针对全舰各个区域风压进行仿真分析，并考虑局部区域气流的叠加作用。

2.1 集防区的物理模型

以国外某护卫舰为研究对象，开展全舰集防系统的压力仿真分析。该舰长124 m，宽14 m，如图1所示。

建立该型护卫舰的1：1仿真模型，并进行如下简化：

1）由于小型的露天武器设备对风压影响较小，故仅保留大型的露天武器设备。

2）由于三维模型的中纵剖面和俯视面足以反映全舰的压力分布情况，故将舰体简化为二维模型。

3）由于舰体基本属于封闭结构，舰内空气的温度和密度变化不大，故忽略热压作用的影响。

4）假设舰体静止，将舰船航速等效为空气流动的相对风速。

采用Gambit软件建立的仿真模型如图2和图3所示。

2.2 集防区的数学模型

仿真模型的连续性方程为

式中：x和y为二维坐标系下的方向坐标，m；t为时间，s；u和v分别为x方向和y方向上的相对风速，m/s。

动量守恒方程为：

式中：U为速度矢量；μ为粘性系数，Pa·s。

湍流模型选用低雷诺数的k-ε模型，该模型对于近壁面压力梯度的适应性较为良好，且其在湍流区的预报精度与标准k-ε模型非常接近。仿真计算的边界条件为：入口边界Velocity-inlet，出口边界Pressure-out，舰体面为Wall壁面。

选择气流出口末端的0 Pa表压为参考点，分析不同相对风速和风向对舰体表面压力场的影响，具体工况的边界条件如表1所示。

表1 不同工况下边界条件Table 1 Boundary conditions for different working conditions

3 全舰集防区超压值仿真结果分析

4种工况下全舰表面压力场分布的仿真计算结果如图4所示，其中工况1和工况2的全舰表面压力为-1 200～650 Pa，工况3和工况4的则为-400～300 Pa。由图4可知，相对风速对舰体压力分布的影响很大，同时迎风航行时（风向为0°）全舰压力分布的区间较大。因此，设置全舰集防系统超压值时，应重点考虑迎风航行且相对风速最大时的全舰压力分布情况。

由图4（a）可知：

1）驾驶室和桅杆前部处于正压区，压力值为250～650 Pa；桅杆后部为负压区，压力值为-300～-700 Pa。

2）艉部直升机平台附近的压力最低，约为-700～-1 200 Pa。

3）舰艏至桅杆处均处于正压区，压力从低到高（艏柱处除外）。其中桅杆前壁的压力最高，之后迅速减小。桅杆顶部处于过渡区，之后变成负压，并一直延伸到舰艉。可见，全舰的压力分布极不均匀，从舰艏到舰艉呈下抛物线趋势。

图5所示为全舰流线分布图（工况1）。由图可见气流在舰体艏部受到阻挡后，将向舰体上部移动直至桅杆顶部，由此形成较大的湍流，并卷吸桅杆后部的气体流向舰体艉部。因此，舰艏至桅杆处均处于正压区，且压力从低到高。同时，桅杆后部没有来自进口的气流，故桅杆后部至直升机平台均处于回流区，且负压较大。

由图4可知，全舰桅杆和驾驶室的压力最大，全舰集防系统最大超压值的设定应重点参考桅杆和驾驶室处的压力分布（图6和图7）。

由图6可知，桅杆处压力分布极不均匀，桅杆前后分别为正压区和负压区，顶部也为负压区。桅杆前部的最大正压力为650 Pa。在桅杆顶部存在一个过渡区，即靠近桅杆前壁顶部的压力为0 Pa，并随即转变为负压。在桅杆后壁从上到下的区域，其负压呈现先变大后变小的趋势，其中桅杆顶部压力约为-400 Pa，中部压力约为-900 Pa，下部压力约为-500 Pa。

由图7可知，驾驶室前方的压力比其顶部略低，前方压力约为420 Pa，顶部约为490 Pa。这是因为桅杆面的气流向下压缩和驾驶室前方的气流向上压缩导致驾驶室顶部压力比桅杆前壁高。

图8所示为驾驶室俯视面的压力分布图。其迎风面的最大压力为423 Pa，与图7的420 Pa静压相当，验证了采用二维模型代替三维模型的可行性。同时，该仿真结果与式（1）计算所得的407 Pa接近，偏差为3.97%，验证了仿真方法的准确性。其中，驾驶室侧面处于微负压区，压力为-200～450 Pa，而其侧面拐角处负压力则约为-1 000 Pa，这是由于拐角处风速过高所致。

为进一步分析驾驶室和桅杆的平均压力场，选取如图9所示的14个典型面，其平均压力分布如图10所示。由图10可知，桅杆和驾驶室迎风面的平均压力均在650 Pa以内，其中桅杆顶部区域的压力达到643 Pa，桅杆前部其他区域的压力为500～590 Pa；桅杆后部区域的压力为-856～-427 Pa；驾驶室前部和顶部的压力分别为428和505 Pa。因此，整个舰体在桅杆迎风面的压力最高，其值为520～650 Pa；驾驶室区域的压力次之，其值为428～505 Pa。该仿真结果与欧美海军的相关规范相当，进一步验证了仿真结果的准确性。

4 结 论

针对全舰集防系统超压值，在理论分析的基础上对国外某护卫舰开展了超压值仿真分析，得到如下结论：

1）当舰船在4级海况（风速为8.0～17.1 m/s）以30 kn最大航速迎风前进时，全舰集防系统的超压理论值为407 Pa。

2）全舰压力分布受风向和相对风速的影响，在迎风航行（风向为0°）且相对风速最大时，全舰压力分布的区间最大。从舰艏到舰艉的压力变化规律是：首先由低到高，在桅杆处压力升至最高，之后迅速减小，在桅杆后壁至舰艉为负压。

因此，设定全舰集防系统超压值时应重点参考桅杆和驾驶室处的压力分布。当舰船在4级海况以30 kn最大航速迎风前进时，全舰超压值的分段设置方法如下：

1）建议舰艏至驾驶室区域的超压值约为450～500 Pa。

2）桅杆一般处于无人区域，可不设置超压，采取密闭结构即可。

3）桅杆后壁至舰艉的超压值可以适当降低，由于在最大横向风速（17.1 m/s）下的理论压力为175 Pa，故建议超压值为200～300 Pa。

参考文献：

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