布氣位置對艦船甲板升溫效果影響的實驗研究

安中昌，金良安，解從偉

(海軍大連艦艇學院 航海系，遼寧 大連116018)

艦船甲板氣流牽引式循環升溫法是目前備受關注的艦船甲板升溫防凍技術，具有消耗電能少、升溫效率高、簡便易操作等優越性，可在很大程度上解決現有技術大量消耗人力物力、除冰效率低等問題［1-2］，大幅提升艦船在寒冷海區的航行和工作能力。艦船甲板氣流牽引式循環升溫效果受多種因素影響，比如取氣位置、氣體流量等。

為進一步提升該技術在實際應用中的效果，完善艦船甲板氣流牽引式循環升溫理論及技術，本文擬就布氣口水平位置對升溫效果存在的影響進行實驗研究。對布氣口分別位于模擬甲板中心位置、模擬甲板內側(靠近上層建筑前壁一側)中心及外側(靠近艦艏一側)中心三種情況進行實驗對比，以研究布氣口水平位置對艦船甲板平臺區域升溫效果的影響規律。

1 實驗原理與設計實現

1.1 實驗原理

本實驗基于艦船甲板氣流牽引式循環升溫理論，利用專用的氣體牽引設備，在艦船主甲板周圍形成氣流循環，加強海水表面大氣循環運動［3］，使得艦船主甲板區域原有溫度較低的氣體被驅散到甲板兩側及海面;將海水表面溫度較高的氣體布散到艦船主甲板區域，從而提升甲板表面溫度，以達到防凍和除冰的目的。

實驗原理見圖1。其實現方法為啟動氣體牽引設備1，從取氣口1a獲得水面溫度較高的氣體，經布氣口1b送到模擬甲板平臺區域，并驅散在該區域積聚的溫度較低氣體4a，使其降落至海面。本文旨在考察布氣口水平位置對艦船甲板氣流牽引式循環升溫效果的影響。因此，實驗中將牽引氣體布氣口1b分別固定在水平方向的不同位置進行相應實驗，進而進行實驗結果的比較分析，獲得相關規律。

圖1 艦船甲板平臺區域升溫原理示意

1.2 實驗裝置

實驗采用的實驗裝置為課題組設計的模擬艦船甲板氣流牽引式循環升溫實驗裝置，見圖2。實驗裝置由實驗區域和溫度指示區域兩大部分組成。

實驗裝置左側為實驗區域。該區域包括模擬甲板環境、氣體牽引設備及溫度傳感器三部分。模擬甲板環境由水池(長1.2 m、寬1.0 m、高1.5 m)、模擬甲板、控溫冰塊及擋板組成。在模擬甲板上方布置了大量的控溫冰塊，以維持溫度較低(0℃以下)的模擬甲板上方環境，而下面水池保持相對較高的溫度(0℃以上)，這樣的溫差設計模擬了寒季艦船甲板平臺區域及所處溫度環境。另外在模擬甲板中間設置了擋板，用以模擬艦船上層建筑，并將模擬甲板環境分割成左右兩部分，方便進行對比實驗。氣體牽引設備由固定位置的取氣管、氣體牽引設備及布氣管等組成，實驗中布氣管出口指向擋板方向，位置可通過專用固定裝置固定于模擬甲板的不同水平位置。溫度傳感器部分由4支DS18B29型溫度傳感器組成，可測量模擬甲板表面的溫度和水面上方溫度。

圖2 氣流牽引式循環升溫防凍的實驗原理示意

本實驗采取對比實驗的方法，分別將布氣口布置于模擬甲板外側中心、模擬甲板中心位置及模擬甲板內側中心進行對比實驗，布氣口及傳感器的具體位置見圖3。

圖3 布氣口及溫度傳感器位置示意

實驗中，模擬甲板長24 cm、寬20 cm，水深約40 cm，模擬甲板與水面的高度約35 cm，牽引氣體的流量約為1.6 L/min。

實驗裝置右側為溫度顯示區域。該區域由溫度顯示器和溫度顯示器固定裝置組成。其中溫度顯示器分別連接左側4支溫度傳感器，可顯示模擬甲板表面不同位置的溫度及水面上方溫度。溫度顯示器固定裝置可將溫度顯示器進行固定以方便觀察其讀數及數據記錄。

1.3 實驗步驟

1)把3支溫度傳感器分別布置在模擬甲板指定位置:傳感器I位于模擬甲板內側，距離擋板1 cm;傳感器II位于模擬甲板中間位置，距離擋板12 cm;傳感器III位于模擬甲板外側邊緣，距離擋板23 cm，3支傳感器與圖中模擬甲板左側邊緣的距離均為5 cm。第4支傳感器布置在水面上方，距離水面2 cm。

2)將氣體牽引設備的取氣口布置于水面上方，距離水面2 cm。

3)將氣體牽引設備的布氣口固定于模擬甲板內側中心位置，如圖3位置A所示。

4)打開溫度傳感器電源，當4支溫度傳感器讀數穩定后，記錄此時4支溫度傳感器顯示的讀數。

5)不啟動氣體牽引設備，每隔2 min記錄各溫度顯示器的讀數，時間用t表示。

6)啟動氣體牽引設備，每隔2 min記錄各溫度顯示器的讀數，時間用t表示。完成以上步驟后，重新鋪設冰塊，將模擬甲板環境恢復為初始狀態，然后將3)中的布氣口位置分別固定于模擬甲板中心位置B，模擬甲板外側中心位置C進行兩組對比實驗并記錄實驗數據，步驟同上。

2 實驗結果分析

2.1 固定位置的單一布氣口對模擬甲板的不同位置升溫效果不同

為了更直觀清晰地描述實驗結果及結論，下面分別將布氣口位于3個位置時的實驗數據繪制成溫度曲線并進行分析。

1)布氣口布置于模擬甲板內側中心。由圖4曲線可以看出，當布氣口布置于模擬甲板內側中心時，模擬甲板內側區域溫度迅速得到提升。這是由于該區域靠近布氣口，溫度較高的氣體最先被填充到這里。此外，氣體牽引設備工作時持續將新的溫度較高的氣體填充到該區域，因此模擬甲板內側區域最終達到了較高的溫度。

圖4 布氣口位于模擬甲板內側中心的模擬甲板溫度

隨著氣體不斷被牽引，溫度較高的氣體先后填充到模擬甲板中心及外側區域，因此這兩個區域的溫度先后得到提升。但由于從布氣口排放出來后，溫度較高的氣體在運動中不斷與原有溫度較低的氣體及艦船船體發生熱傳導，氣體溫度逐漸降低，因此這兩個區域溫度提升的效果低于模擬甲板內側區域。尤其是模擬甲板外側區域，與布氣口距離較遠，且與周圍溫度較低的空氣接觸面大，氣體交流頻繁，因此最終溫度提升結果較差。

2)布氣口布置于模擬甲板中心位置。由圖5曲線可以看出，當布氣口布置于模擬甲板中心位置時，模擬甲板中心區域溫度迅速得到提升，并最終達到了較高的溫度。這是由于該區域靠近布氣口位置，首先得以填充溫度較高的氣體，并持續有新的溫度較高的氣體進行填充。

圖5 布氣口位于模擬甲板中心的模擬甲板溫度

由于實驗中布氣口朝向模擬甲板中心內側，因此，溫度較高的氣體在填充到模擬甲板中心區域后，先后填充到模擬甲板內側及模擬甲板外側區域。從圖5可以看出，這兩個位置的溫度先后得到提升。由于更多地得到了溫度較高的氣體，因此模擬甲板內側區域的溫度高于模擬甲板外側區域。

3)布氣口布置于模擬甲板外側中心。由圖6可以看出，當布氣口布置于模擬甲板外側中心時，模擬甲板外側區域溫度迅速得到提升，并最終保持了較高的溫度。這同樣是由于該區域靠近布氣口位置，首先得以填充溫度較高的氣體，并持續有新的溫度較高的氣體進行填充。

圖6 布氣口位于模擬甲板外側中心的模擬甲板溫度

隨著氣體不斷被牽引，溫度較高的氣體先后填充到模擬甲板中心及內側區域，因此這兩個區域的溫度也先后得到提升，但由于氣體移動過程中熱量不斷損失，因此這兩個位置的最終溫度依次降低。

2.2 不同位置的單一布氣口對模擬甲板整體提升效果不同

為了綜合考慮模擬甲板整體溫度提升效果，需要全面分析模擬甲板各個位置溫度的提升。為此，本實驗在模擬甲板3個代表性位置設置了3支溫度傳感器。通過綜合考慮這3個位置溫度的提升，考察整個模擬甲板的溫度提升效果。為了量化考察模擬甲板整體溫度提升效果，特采用加權方法定義溫度綜合提升值GTR為

式中:Δi——某一位置溫度的提升值;

wi——該位置的相對權重。

本實驗中各位置權重的設定基于如下規則:由于甲板內側區域接近船艙，人員進出活動相對較多，所以權重設為40%;甲板中心處工作設備較多，所以權重設為50%，甲板前側區域人員活動及工作相對較少，所以權重設為10%。

繪制不同布氣口位置下模擬甲板綜合提升值曲線見圖7。通過圖7可以看出，當布氣口位于模擬甲板中心位置時，對整個模擬甲板的溫度提升作用迅速且效果顯著。此外，當布氣口位于模擬甲板內側中心位置時，雖然對模擬甲板中心及模擬甲板外側溫度提升效果相對較差，但由于對模擬甲板內側溫度提升效果顯著，對模擬甲板中心也起到了較好的升溫作用，經過加權分析，對模擬甲板的綜合溫度提升效果也比較好。相比而言，布氣口位于甲板外側時，對模擬甲板外側區域的溫度提升效果最為顯著，而對模擬甲板中心及內側區域效果較差，但由于3個區域的權重關系，當布氣口位于模擬甲板外側時，對整個甲板的溫度提升效果在3組實驗中最小。

圖7 不同布氣口位置下的模擬甲板綜合提升值曲線

3 結論

實驗結論可直接提升艦船甲板氣流牽引式循環升溫技術在實際應用中的效果，對艦船甲板氣流牽引式循環升溫思想的研究具有很好的參考價值。由于條件所限，未能全面地研究布氣口位于模擬甲板各個位置時升溫防凍的效果。而有關布氣口垂直方向位置，布氣口數量對艦船甲板升溫效果的影響，以及深入的物理過程機理等問題，還有待進一步的研究。

［1］MULHERIN N D，MILLER A C.An experiment in preventing zebra mussel settlement using electro-expulsive separation technology［R］.U.S.Army Corps of Engineers，2003.

［2］陳拯民，王新生.垂直發射系統的除冰技術［J］.艦載武器，1998(4):1-4.

［3］朱福海，周立佳，邵利民.軍事航海氣象［M］.北京:海潮出版社，2002.