人工形成海水密度跃变区的过程及方法

张志友, 何升阳, 蒋永馨*, 郑振宇

(1.海军大连舰艇学院航海系，大连 116001；2.海军工程大学电气工程学院，武汉 430032)

海水密度的人工跃变技术的核心思想是利用专门的材料和设备，在设定海域产生大量均匀分布的气泡，以形成足够规模的低密度海水区域，从而影响潜艇正常航行。该技术可以作为对敌潜艇的有效干扰手段，能够为军事应用技术提供技术储备，提升对潜艇的打击效果[1]。

跃变区的本质是含气泡液体，对于该项技术，首要解决的问题是怎样通过生成设备形成适度合理的气泡群规模尺度、气泡数密度的人工海水密度跃变区。由于化学反应和气体射流两种方式所形成跃变区的气泡分布差别较小，而后者的规模尺度大且技术参数调控性较强，具有代表性，因此现针对气体射流法形成的跃变区来进行研究。

海水密度人工跃变技术的气体射流法属于水下淹没气体射流，是一种圆断面的紊流自由射流。当前，Harby等[2]、孟炜[3]、Kudoh等[4]、刘竞婷[5]分别通过理论、数值模拟以及实验等方法对水中气泡运动和射流行为进行了研究，并获得了较为丰富的气体射流结构[2]、射流气泡分布[4]的模型以及实验数据。但研究基本都围绕水下爆炸过程[3]，或者只针对低密度、高速度射流气体[5]中的气泡行为展开，没有较为成熟的高密度、大范围水下射流的方案。

现结合现有工业技术条件，对基于气体射流法的跃变区生成设备进行总体设计。其关键射流部件是压力容器和气泡发生器，射流的气体为高压压缩后的真实气体，射流的环境为数十至上百米深的海水，因此设备的结构参数和海水、气体的物性参数均会对跃变区的形成过程产生影响。据此研究人工海水密度跃变区生成的过程及方法，为该技术的实现提供有效方案。

1 跃变区的生成设备

作为产生跃变区的基本装置，跃变区生成设备是海水密度人工跃变技术的关键设计和应用基础。基于气体射流法的跃变区生成设备，具有气体存储、气体喷射、快开联锁、引信触发和姿态控制等主要功能。图1为跃变区生成设备的功能模块图。由此跃变区生成设备的里、中、外三层分别为压力容器、联锁阀门和射流罩。由于气体存储与气体喷射特性将直接影响跃变区的分布特征，因此，以下对与之相关的压力容器和气泡发生器的主要结构特点进行介绍。

1.1 压力容器

压力容器，指压力达到一定数值，同时容器的容积超过一定限度的密封容器。根据《压力容器安全技术监察规程》，压力容器的最高工作压力、内径和容积应分别不小于0.1 MPa、0.15 m和0.025 m3，并且其内部的介质必须为气体、液化气体或标准沸点小于等于最高工作温度的液体。压力容器应用广泛，种类繁多，在不同的工作条件和使用场合，其材料、结构、工艺、检验等设计制造环节也都不一样，表1为几种典型的压力容器分类方式[6]。此外，当压力容器破裂后，其内部气体将急剧膨胀乃至产生爆炸，尤其是存储气体为易燃易爆或毒性物质时，会造成极大的危害。因此，根据压力容器的存储特性，又将其分为安全等级由低到高的第一、二、三类容器。

气体存储，是将特定气体压缩保存于压力容器中作为喷射来源，存储气体的物质的量和存储温度，决定了跃变区在形成时刻所含气泡的总体积大小，所以通过增大存储压强、降低存储温度的方式可提高跃变区的气体含量。气体喷射，是在存储气体压强大于环境海水压强的条件下，使气体进入气泡发生器，并按特定方向喷射形成射流。阀门快开联锁，是压力容器与气泡发生器之间连接阀门的开断功能：当阀门处于预紧状态时，压力容器与气泡发生器之间的连接通道被隔断，不能形成射流；当阀门解除预紧状态后，通道将快速形成连接，使存储气体能够进入气泡发生器。引信触发，决定了阀门解除预紧状态的时机，当目标信号超过引信的触发阈值，联锁阀门打开，气体则由存储状态转变为射流状态。姿态控制，是在气体喷射过程中，使设备保持特定姿态，以确保射流方向稳定可靠，从而生成形状对称、分布均匀的海水密度跃变区域。其中，气泡发生器安装于联锁阀门外部的射流罩上，海水密度人工跃变技术采用的是高(中)压、低温的钢制厚(薄)壁容器，存储气体为H2、CH4、N2等毒性评定为轻度危害的气体，容器安全等级评定为第二类或第三类。该压力容器的一大特点是主体为圆筒与半球壳相连接的典型结构，并通过对称圆形开孔的方式在球壳上得到多个外部连接接口，其接管与壳体的连接采用全焊透型式，如图2所示。

图1 跃变区生成设备的功能模块Fig.1 Functional modules of artificial pycnocline equipments

表1 几种典型的压力容器分类方式Table1 Several typical pressure vessel classifications

Di和Hi分别为容器的内直径和内高度；dt为开孔直径；δ为球壳厚度；θe为开孔间的最小球心角；nt为开孔的个数图2 压力容器及开孔示意图Fig.2 Pressure vesselits and its openings

压力容器的开孔数计算式为

(1)

这种设计结构的优点有三个：其一，在半球面的多个方向上对称开孔，使设备能够向四周同时喷射气体，产生的跃变区形状对称、分布均匀；其二，单个射流会在其反方向上对设备产生反作用力，而半球面对称开孔形成的多个射流，其反作用力在水平横截面上的分量会相互抵消，减小该力对设备姿态控制的不良影响；其三，反作用力在竖直轴线上的分量会对设备形成推力，使设备产生运动并将气泡群在此方向上拉开，从而增大气泡群分布的规模体积。在这一过程中，姿态控制模块将实时保证设备运动方向不变。

压力容器上两相邻开孔所夹的最大球心角θm是与跃变区形成有关的重要结构参数，具体设计与球壳强度和射流结构相关。θm也是最小球心角θe的限制参数，与θe的关系如式(2)所示。θm的值不能太小，否则两开孔的中心间距将会过小，从而降低球壳抗压强度和设备安全性能。该容器球壳的开孔直径大小在毫米数量级；当开孔中心间距大于两孔直径和的两倍既满足式(3)时，对球壳强度的影响较小，可不用另行采取补强措施。

(2)

(3)

Ri和Ro分别为压力容器后端筒状结构的内径和外径；re为压力容器整体设备外径；θm为最大球心角；θe为最小球心角；Lj为射流深度；θj为射流球心角图3 最大开孔球心角与射流扩散角的关系图Fig.3 Relation of maximum hole angle and spread angle

此外θm的值也不能太大，否则不能形成连续分布的跃变区。图3为最大开孔球心角θm与射流球心角θj的关系图，由于容器开孔均匀，且设备各部位受到周围海水的压强基本相同，所以不同开孔处的射流流动结构可以认为是基本一致的。因此，从图3可以看到，若射流速度足够大，则穿透深度足够长，相邻两射流在发展到一定阶段后会产生交汇(图3中B2点)，这时，气泡群基本能充满跃变区的整个分布空间；反之，若射流速度小，则穿透深度短，相邻射流不能发展至交汇状态(图3中B1点)，使跃变区中气泡群的空间分布不连续，不能达到海水密度均匀跃变的目的。这一物理过程的临界状态是相邻射流刚好能够在穿透深度处形成交汇，根据几何关系应满足方程

(4)

(5)

1.2 气泡发生器

气泡发生器是一种气-液界面分选设备，目的是产生小而均匀的大量气泡。常用的气泡产生途径主要有机械搅拌、电解、气体通过微孔介质、气体自溶液中析出、射流发泡等，除前两种方式外，其余均需使用气泡发生器。其中，射流气泡发生器是通过射流来产生气泡的专用设备，其典型结构由喷嘴、接收室、吸气室、喉管、和扩散管五部分组成[7-8]。当高速引射流体从喷嘴射入接收室后，在接收室内产生负压，会将气体从吸气室卷入并与引射流体混合，进而使气体在紊动扩散和剪切作用下形成气泡。

跃变区是利用高压压差使存储气体形成高速射流，并与海水充分作用而形成的，不需要引射流来提供喷射动能和紊动能。因此所采用的成泡装置是一种典型的简单喷嘴型气泡发生器[9]，如图4所示。存储气体通过压力容器与气泡发生器之间的连接通道进入缓冲室后，逐步将流体静压能转化为动压能，再经过收缩喷嘴加速即形成高速射流。该装置的结构尺寸在毫米数量级，属于微型气泡发生器。

lb为缓冲室长度；lj为喷嘴口长度；db为缓冲室宽度；dj为喷嘴口宽度图4 简单喷嘴型气泡发生器Fig.4 Nozzle type bubbles generator

气泡发生器的结构尺寸对射流的速度、密度、压强、温度等都会产生影响。如图5所示，在射流过程中，入口处的气体可认为处于滞止状态，存储密度ρst和存储压强Pst均为滞止参数，并会随着存储气体的减少而减小。缓冲室和喷嘴中的气体流动分别为等截面和变截面的不定常可压缩等熵流动，其径向速度服从管内流动分布规律。式(6)～式(8)为气泡发生器中气体流动的控制方程[10-13]。压强P是密度和温度的函数，对高压存储气体一般采用真实气体状态方程来描述。管内气体的速度会在膨胀的过程中逐渐增大，温度随之升高但幅度不明显，密度和压强则会减小。若管道越长、喷嘴斜率越大，则射流出口速度也越大，对周围海水的卷吸作用也越强。

(6)

(7)

(8)

式中：A为管道截面积；e为气体内能；τ为时间；气体速度u、密度ρ、压力P均为截面上的平均物理量；qx为单位质量的体积加热率。

ρpy为存储密度；Ppy为存储压强图5 气体通过气泡发生器的流动特征Fig.5 Flow characteristics of gas through bubbles generator

表2 设备的主要结构参数Table 2 The equipment main parametes

2 跃变区的形成过程

跃变区生成设备拥有两层锁紧结构。在未使用时处于紧固状态，联锁阀门被外部法兰锁死，保证压力容器的密封性；在使用时外部紧固法兰打开，而联锁阀门仍处于预紧状态，如图6(a)所示，此时联锁阀门将压力容器与气泡发生器之间的通道断开；当引信触发后，预紧状态解除，联锁阀门在高压气体膨胀的气动推力作用下快速打开通道以产生射流，如图6(b)所示。

图6 联锁阀门的开断状态Fig.6 Open and close of interlock valves

跃变区的形成过程则由气体射流成泡和设备拉伸运动两部分组成，两者同时进行。当引信被触发后，容器中存储的气体在与环境海水间的高压压差推动下迅速膨胀，经过各开孔对应的气泡发生器后喷射成束，在设备周围形成具有一定扩张角和穿透深度的射流流动结构。高速射流的气体会卷入周围海水并与之充分混合、摩擦、剪切，从而在其穿透深度达到的半径范围内形成大量的微小气泡，互相交汇后充满整个射流空间。同时，射流气体与海水交换动量后，会在竖直方向上对设备产生较大的推力，使设备沿着竖直轴线在射流的反方向上加速运动，进而将产生的气泡群在该方向上拉伸开来，使其规模增大。随着存储气体的减少，气液压差、射流出口的速度和穿透深度、设备受到的反向推力都将逐渐减小。当设备的速度增大致使其所受海水阻力等于所受推力后，设备开始做减速运动；当存储气体与海水之间的压差降为零后，设备不再向外喷射气体，跃变区生成过程结束。

跃变区所在的海水深度通常为几十米乃至几百米，所以其形成过程不会受到海面风、浪和流的影响，但与海水、气体的物性参数关系紧密，如海水的密度、盐度、表面张力系数、动力黏滞系数，气体的摩尔质量、临界压强、临界温度等。根据所处环境不同所采用的物性参数值有所区别。

3 结论

立足现有工业技术条件，完成了对基于气体射流法的跃变区生成设备的总体设计。气体存储与气体喷射特性将直接影响跃变区的分布特征，对与之相关的压力容器和气泡发生器作出设计说明，得到如下结论。

(1)压力容器上两相邻开孔所夹的最大球心角θm是与跃变区形成有关的重要结构参数，具体设计与球壳强度和射流结构相关。θm的值不能太小，否则两开孔的中心间距将会过小，从而降低球壳抗压强度和设备安全性能。θm的值也不能太大，否则不能形成连续分布的跃变区。参数θm的计算式与射流扩散角θj和设备外半径re相关。

(2)选用微型气泡发生器，气泡发生器的结构尺寸对射流的速度、密度、压强、温度等都会产生影响，气泡发生器应与容器开孔一一对应。

(3)跃变区生成设备拥有两层锁紧结构，形成过程则由气体射流成泡和设备拉伸运动两部分组成，两者同时进行。最终保证形成规模适度的海水跃变区。