牽引氣體流量對艦船甲板升溫效果影響實驗

解從偉，金良安，遲 衛，韓云東，安中昌

(1.海軍大連艦艇學院航海系，遼寧 大連 116018;2.海軍大連艦艇學院裝備自動化系，遼寧 大連 116018)

0 引言

在海平面上方，通常存在著有規則的氣體上升、下降又上升這樣循環的對流運動。而當海面上存在艦船時，艦船甲板以外的海面仍然進行著上述的氣流循環運動;對于艦船甲板上方的氣體，其大部分氣流下沉時因有艦船甲板的阻隔而無法再到達海面，于是不斷地在甲板表面積聚，進而也就無法與海水發生后續的海氣耦合作用，進行熱量交換［1－3］。

在寒冷海區，隨著冷氣流這樣的不斷積聚，艦船甲板表面溫度就會隨之不斷降低，當降至冰點以下時，艦船甲板就可能十分容易結冰，從而帶來諸多不便和危險［4－7］。為改善這一現狀，課題組特提出了基于艦船周圍氣流牽引式循環的甲板平臺區域升溫技術研究。

鑒于氣流牽引式循環升溫技術受氣體牽引設備的牽引氣體流量、吹氣位置和取氣位置等多種因素影響，同時考慮有關吹氣位置和取氣位置對甲板平臺區域升溫效果的影響規律等內容在后續進行深入研究，本文將專門就牽引氣體流量對甲板平臺區域升溫效果存在的影響進行研究，利用專門研制的原理性驗證模擬實驗裝置，在水面與甲板表面的初始溫差相同情況下，對牽引氣體流量為0.5，1.5和3 L/min進行實驗比對，分析牽引氣體流量對甲板平臺區域升溫效果的影響情況。

1 實驗設計與實現

1.1 實驗原理

根據氣流循環理論，特提出艦船甲板氣流牽引式循環升溫的思想——利用專用氣體牽引設備，對積聚于艦船甲板平臺區域內的溫度較低氣體和近海面表層的溫度較高氣體進行人工牽引，使二者在艦體周圍形成微環流，進而使溫度較低氣體不再在艦船甲板平臺區域積聚，能夠自動回落到海面;與此同時，作上升運動的近海面表層的溫度較高氣體，將被牽引回填到甲板平臺區域，從而實現該區域升溫的目的。

該技術思想的核心內容，是通過人工牽引的方法使得被艦船甲板阻隔的海面氣體對流運動得以恢復，其原理示意如圖1所示。

圖1 艦船甲板平臺區域升溫防凍原理示意圖Fig.1 Temperature rising principles of ship deck

參見圖1，其實現方法是:啟動氣體牽引設備(1)，將取氣口(1a)從甲板平臺區域或海面到甲板平臺區域間取到的氣體，經出氣口(1b)送到甲板平臺區域，以擾動該區域原有的氣體平衡，驅散在該區域積聚的溫度較低氣體(4a)，使其降落至海面，從而在船體周圍形成新的氣流微循環，即艦船微環境氣流牽引式循環。由于溫度較低氣體(4a)回落到海面，使甲板平臺區域表面壓強降低，因此，作上升運動的溫度較高氣體(4b)被牽引回填到該區域，使該區域的溫度明顯上升，從而達到對該區域進行升溫、防凍和除冰等目的。

本文旨在考察牽引氣體流量不同對甲板平臺區域升溫效果的影響規律，為此，可根據上述氣流牽引式循環的升溫思想，針對不同的牽引氣體流量進行相應實驗，即可考察牽引氣體流量對甲板平臺區域升溫效果的具體影響情況。

1.2 實驗裝置

根據上述的升溫原理，特設計制作了1套封閉式的原理性驗證模擬實驗裝置(如圖2所示)，本次實驗主要就牽引氣體流量對甲板平臺區域升溫效果的影響進行研究。該實驗裝置由實驗區域和溫度指示區域兩大部分組成，各部分細述如下。

1)實驗區域部分主要包括水池 (長1.2 m、寬1 m、高1.5 m)和模擬的甲板、氣體牽引設備以及擋板、3個溫度傳感器、控溫冰塊等。該部分可模擬寒冷海區艦船甲板平臺區域溫度的變化;實驗中水池用以模擬艦船所在的海上環境;氣體牽引設備的主要功能是驅散模擬甲板表面的低溫氣體，使其從模擬甲板表面回落到水面;擋板的作用是調節模擬甲板表面的面積，以在深入研究時考察甲板面積大小對升溫效果的影響;溫度傳感器用來測量模擬甲板表面的溫度和水溫;控溫冰塊的作用是使模擬甲板表面上方形成低溫環境，以模擬艦船甲板平臺區域上方的氣體環境。

2)溫度指示區域主要由溫度顯示器和溫度顯示器固定裝置等組成。該區域主要是顯示模擬甲板表面的溫度和水溫，以通過記錄和分析溫度顯示器的讀數來研究牽引氣體流量對甲板平臺區域升溫效果的影響情況。

1.3 實驗方法

圖2 甲板平臺區域升溫的實驗原理示意圖Fig.2 The schematic diagram of experimental device

實驗在3種不同牽引氣體流量的情況下進行，啟動氣體牽引設備后，記錄不同時刻下甲板表面溫度的數據，進而考察分析其升溫情況。實驗中，模擬甲板長為24 cm、寬為20 cm，水深約為40 cm，模擬甲板與水面間的距離約為30 cm，模擬甲板的表面初始溫度穩定在1.5～1.6℃，水溫穩定在7.5～7.6℃。實驗的具體步驟如下:

1)把氣體牽引設備固定在模擬甲板表面，并把3支溫度傳感器布置在指定位置 (如圖3所示)，其中，①距離擋板8 cm;②距離擋板18 cm;③位于水中。

2)將氣體牽引設備的取氣口S布置于離模擬甲板表面2 cm處，吹氣口P離模擬甲板端點(L)13 cm處，其位置示意如圖3所示。

3)打開電源，等溫度顯示器的讀數穩定之后，記錄此時顯示器的讀數。

圖3 溫度傳感器、取氣口及吹氣口位置分布圖Fig.3 Positions of temperature sensors，air intake and air vent

4)不啟動氣體牽引設備，每隔2 min記錄顯示器的讀數。

5)約25 min后，啟動氣體牽引設備，每隔2 min記錄顯示器的讀數，直至模擬甲板表面溫度不再明顯變化。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

根據上述實驗方法，測得牽引氣體流量為0.5，1.5和3 L/min時的實驗數據分別如表1～表3所示，其中T1和T2分別為圖3中模擬甲板表面傳感器①和②處的溫度，初始溫差是指水溫減去初始時刻甲板表面溫度所得的差。為了使實驗結果盡可能精確，特將模擬甲板表面①和②處的2個溫度取平均值作為甲板表面平均溫度，即(T1+T2)/2。

表1 牽引氣體流量為0.5 L/min時的實驗數據Tab.1 Experimental data of 0.5 L/min

表2 牽引氣體流量為1.5 L/min時的實驗數據Tab.2 Experimental data of 1.5 L/min

表3 牽引氣體流量為3 L/min時的實驗數據Tab.3 Experimental data of 3 L/min

續表

2.2 實驗結果分析

為了更直觀地描述牽引氣體流量對甲板平臺區域升溫效果的影響，特將甲板表面T時刻的溫度減去初始時刻的溫度所得的差定義為甲板表面的升溫幅度。由此，結合表1～表3數據得出了不同牽引氣體流量時甲板表面不同時刻的升溫幅度，如表4所示，進而有如圖4所示的升溫幅度曲線。其中，升溫幅度1、升溫幅度2和升溫幅度3表示牽引氣體流量為0.5，1.5和3 L/min時甲板表面的升溫幅度。

表4 甲板表面不同時刻的升溫幅度數據表Tab.4 Experimental data of warming-up amplitude

由表4可知，牽引氣體流量為0.5，1.5和3 L/min時，甲板表面升溫的總幅度為0.5℃、1.2℃和1.7℃左右?？梢姡瑺恳龤怏w流量會明顯影響甲板平臺區域的升溫效果;牽引氣體流量越多，甲板表面的升溫效果就越明顯。由圖4可知，隨著時間的變化，甲板表面溫度不斷升高;初始時其表面溫度升高快，達到一定程度后不再升高。大約12 min后甲板表面升溫幅度不再明顯，也就是說大約前12 min是升溫的主效時段，之后的時段對甲板表面升溫的貢獻不再明顯。因此，在實際工作中，可按其主效時段來啟動運行氣體牽引設備，當甲板表面達到一定溫度后即可間歇性停機，這樣既能使甲板表面溫度升高又能大大降低能量損耗。

圖4 甲板表面不同時刻的升溫幅度曲線Fig.4 The curves of warming-up amplitude

3 結語

本文利用專門設計的實驗裝置，對牽引氣體流量為0.5，1.5和3 L/min進行升溫效果的對比實驗。通過綜合分析甲板表面的升溫幅度，初步研究了在水面與甲板表面的初始溫差相同情況下牽引氣體流量對甲板平臺區域升溫效果的影響。發現牽引氣體流量會明顯影響甲板平臺區域的升溫效果，牽引氣體流量越多，甲板平臺區域的升溫幅度就越大，升溫效果也就越好，如牽引氣體流量為3 L/min時甲板表面升溫幅度約為1.7℃，而牽引氣體流量為0.5 L/min時其升溫的總幅度僅為0.5℃左右。本結論可為氣流牽引式循環升溫技術的深入研究提供必要的理論和實驗基礎。但有關氣體牽引設備的吹氣位置和取氣位置等影響甲板表面溫度的具體規律等內容，有待于后續進一步深入研究。

［1］何瑞詳.艦船裝備綜合保障技術淺談［J］.艦船科學技術，2011，33(S1):107 －110.HE Rui-xiang.Review of ship integrated logistics support technology［J］.Ship Science and Technology，2011，33(S1):107－110.

［2］王虎虎，洪明，陳鳳，等.基于自適應進化策略的艦船甲板結構動力優化［J］.中國造船，2011，(2):130－138.WANG Hu-hu，HONG Ming，CHEN Feng，et al.Dynamic optimization of stiffened plate based on adaptive evolutionary strategies［J］.Ship Building of China，2011，(2):130－138.

［3］周強，陽初春，黃衛平，等.EESS應用于艦面艙口蓋除冰的可行性分析［J］.海軍航空工程學院學報，2006，21(6):657－661.ZHOU Qiang，YANG Chu-chun，HUANG Wei-ping，et al.Analysis on feasibility about EESS applications of shipboard hatches［J］.Journal of Naval Aeronautical Engineering Institute，2006，21(6):657 －661.

［4］陳魯愚，陳順懷，嚴新平.大型遠洋風帆助航船舶節能效率分析［J］.船海工程，2010(6):121－123.CHEN Lu-yu，CHEN Shun-huai，YAN Xin-ping.Analysis on energy conservation of sail-assisted ocean-going vessel［J］.Ship and Ocean Engineering，2010(6):121 －123.

［5］施興華，王善，張婧，等.海洋環境中艦船傾覆的研究綜述［J］.艦船科學技術，2007，29(5):23 －28.SHI Xing-hua，WANG Shan，ZHANFG Jing，et al.Study summary of the probability of the large-amplitude leading to capsizing of the tremendous warship［J］.Ship Science and Technology，2007，29(5):23 －28.

［6］段愛媛，趙耀.航行船舶安全狀況風險預先控制方法研究［J］.船海工程，2006，(6):124 －126.DUAN Ai-yuan，ZHAO Yao.Advance manipulative methodological research about the risk of ships safety condition［J］.Ship and Ocean Engineering，2006，(6):124－126.

［7］劉大剛，張永寧，等.航海氣象學與海洋學［M］.大連:大連海事大學出版社，2011.128 －136.LIU Da-gang，ZHANG Yong-ning，et al.Meteorology and Oceanography for Mariners［M］.Dalian:Dalian Maritime University Press，2011.128 －136.