環境水溫對艦船甲板升溫效果影響的實驗研究

解從偉，遲衛，金良安，安中昌

（1．海軍大連艦艇學院研究生管理大隊，遼寧大連 116018；2.海軍大連艦艇學院航海化系，遼寧大連 116018）

環境水溫對艦船甲板升溫效果影響的實驗研究

解從偉1，遲衛2，金良安2，安中昌1

（1．海軍大連艦艇學院研究生管理大隊，遼寧大連 116018；2.海軍大連艦艇學院航海化系，遼寧大連 116018）

艦船甲板平臺區域的氣流牽引式循環升溫新技術是為解決其防凍和除冰等相關問題研究的。該文利用專用的原理性驗證模擬實驗裝置，初步研究環境水溫對甲板區域升溫效果的影響，對環境水溫為8.1～8.3℃、5.0～5.2℃和1.1～1.3℃進行升溫效果的對比實驗。結果表明：在甲板表面初始溫度相同的情況下，環境水溫會明顯影響甲板平臺區域的升溫效果；環境水溫越高，即水面與甲板表面的初始溫差越大，甲板平臺區域的升溫幅度就越大，其升溫效果也就越好。

艦船甲板；升溫技術；環境水溫；實驗研究

0 引言

艦船甲板平臺區域的防凍和除冰，在當今仍然是亟待解決的一個技術難題。現有常用的一些除冰方法不僅費時、費力而且危險，有時還要用棒槌、大錘和消防斧等人工方法[1-5]來除冰，顯然難以滿足高科技條件下對作戰的要求。雖然有些現代化艦船裝有用于除冰的電加熱或蒸汽加熱設備，可這些設備往往需要連續消耗大量的電能；而且，排水孔和疏水管道都極易結冰，融化后的冰水囤積在甲板上也很有可能重新結冰[4-8]，難以達到徹底除冰的效果。為此，本文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環境水溫、氣體牽引設備的取氣口、吹氣口以及牽引氣體流量、風速等多種因素影響，本文將專門就環境水溫對甲板平臺區域升溫效果存在的影響進行實驗研究，利用專門研制的原理性驗證模擬實驗裝置，分析環境水溫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，使兩者在艦體周圍形成微環流，從而使溫度較低氣體不再積聚于艦船甲板平臺區域，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，進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因艦船甲板的存在而被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原理示意圖

如圖1所示，其實現方法是：啟動氣體牽引設備，將氣體經吹氣口送到甲板平臺區域，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，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。

本文旨在考察環境水溫不同時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，針對不同的環境水溫進行相應實驗，即可考察環境水溫對甲板平臺區域升溫效果的具體影響。

1.2 實驗裝置

為研究環境水溫對甲板平臺區域升溫效果的影響，設計制作了一套封閉式的原理性驗證模擬實驗裝置，如圖2所示。該實驗裝置由實驗區域和溫度指示區域兩大部分組成。實驗區域部分主要包括水池（1.2m×1m×1.5m）、模擬的甲板、氣體牽引設備、擋板、3支溫度傳感器、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。

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傳感器顯示的讀數來研究環境水溫對甲板平臺區域升溫效果的影響。

圖2 氣流牽引式循環升溫的實驗原理示意圖

1.3 實驗方法

實驗在3種不同環境水溫下進行，啟動氣體牽引設備后記錄不同時刻下模擬甲板表面溫度的數據，進而考察分析其升溫情況。實驗中，模擬甲板的長24 cm，寬20 cm，水深約為36 cm，模擬甲板與水面的高度約為34 cm，牽引氣體的流量約為1.5 L/min。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支溫度傳感器分別布置在指定位置（如圖3所示），其中，①距離擋板5 cm；②距離擋板18cm；③位于水中，④位于密閉環境中。

（2）將氣體牽引設備的取氣口S布置于離模擬甲板表面0.5 cm處，吹氣口P離模擬甲板端點（N）12 cm，位置示意圖如圖3所示。

（3）打開溫度傳感器電源，當溫度傳感器位置③處的讀數穩定在8.1～8.3℃后，記錄此時3支溫度顯示器的讀數。

圖3 溫度傳感器、取氣口、吹氣口位置分布圖

（4）不啟動氣體牽引設備，每隔2min記錄各溫度顯示器的讀數。

（5）約20min后，啟動氣體牽引設備，每隔2min記錄各溫度顯示器的讀數，直到模擬甲板表面溫度不再明顯變化。

環境水溫為5.0～5.2℃和1.1～1.3℃時的實驗步驟與上述步驟一致。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

根據上述實驗步驟，測得環境水溫為8.1～8.3℃、5.0～5.2℃和1.1～1.3℃時的實驗數據分別如表1、表2和表3所示，其中T1、T2分別為圖3中模擬甲板表面傳感器①、②處的溫度，初始溫差是指環境水溫減去初始時刻甲板表面溫度所得的差。為使實驗結果盡可能精確，將模擬甲板表面①、②處的兩個溫度取平均值作為甲板表面平均溫度，即（T1+T2）/2。

2.2 分析與討論

2.2.1 甲板表面不同時刻的升溫情況

為了更直觀地描述環境水溫對甲板平臺區域升溫效果的影響，將甲板表面T時刻的平均溫度減去初始時刻的平均溫度所得的差定義為甲板表面升溫幅度。由此，結合表1～表3數據得出了不同初始溫差時甲板表面不同時刻的升溫幅度曲線，如圖4所示。

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。而且，從時間上看，大約10min后甲板表面升溫幅度不再明顯，也就是說前10min是升溫的主效時段，之后時間對甲板表面升溫的貢獻不再明顯。因此，在實際工作中，可按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。

表1 環境水溫為8.1～8.3℃（初始溫差約為9.8℃）時的實驗數據

表2 環境水溫為5.0～5.2℃（初始溫差約為6.6℃）時的實驗數據

圖5 甲板表面的升溫效率與不同初始溫差間的關系曲線

當初始溫差沒有足夠大時，由于甲板表面的升溫總幅度很小，其升溫效果不明顯，所以使用氣流牽引式循環技術對甲板平臺區域進行升溫意義不大；而當存在足夠大的初始溫差時，使用該技術進行升溫則有明顯的效果。因此，在實際應用中，可根據初始溫差的大小來決定是否啟動運行氣體牽引設備。2.2.2升溫效率與初始溫差間的關系分析

為了進一步描述水溫對甲板平臺區域升溫效果的影響，特引入升溫效率的概念，即在同一水溫條件下，甲板表面的升溫總幅度與初始溫差之比，顯然從另一角度它可以更好地反映甲板平臺區域升溫效果的差異。由此，綜合表1～表3的數據得出了升溫效率與不同初始溫差間的關系曲線，如圖5所示。

由圖5可知，初始溫差越大，甲板表面的升溫效率就越高，其升溫效果也就越明顯；隨著初始溫差的增大，甲板表面的升溫效率也不斷升高，但升溫效率隨初始溫差的變化存在快速增長區，即初始溫差在一段區間內甲板表面的升溫效率快速增長；初始時其表面升溫效率的升高幅度大，達到一定程度后趨于平穩。而且，從圖中還可看出，氣流牽引式循環升溫技術存在升溫效率的理想值，該理想值約為50%，即達到該理想值時甲板表面的升溫總幅度約為初始溫差的一半。

2.2.3 環境水溫對升溫效果影響的原因

綜合上述實驗結果與分析表明，在甲板表面初始溫度相同的情況下，環境水溫越高，甲板平臺區域的升溫效果就越明顯。其原因解析如下。

根據氣流牽引式循環技術的升溫原理，環境水溫是其能夠使甲板平臺區域升溫的動力源泉所在；當甲板表面初始溫度相同時，環境水溫越高，即初始溫差越大，相應的氣體對流運動必然越強烈[9-10]。

在海面上，通常存在著有規律的氣體上升、下降又上升的對流運動。而當海面上有艦船時，艦船甲板周邊以外的海面仍然進行著上述的氣體對流運動；對于艦船甲板上方的氣體，其大部分冷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；隨著冷氣流這樣的不斷積聚，艦船甲板表面溫度必然會隨之不斷降低，當降至冰點以下時，艦船甲板就容易結冰，而通過人工牽引的方法使艦船甲板平臺區域的對流運動被恢復后，如果該氣體對流運動越強烈，那么填充到甲板平臺區域的溫度較高的氣體就越多，從而使甲板表面的升溫幅度就越大，其升溫效果也就越好。因此，初始溫差越大，甲板平臺區域的升溫效果就越好。

3 結束語

本文利用專門設計的模擬實驗裝置，對環境水溫為8.1～8.3℃、5.0～5.2℃和1.1～1.3℃進行升溫效果的對比實驗。結果表明環境水溫會明顯影響甲板表面升溫的效果，環境水溫越高，甲板平臺區域的升溫幅度就越大，其升溫效果也就越好。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實驗和理論依據。

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Experimental study on deck-tem perature-rising technology in different water tem peratures

XIE Cong-wei1，CHIWei2，JIN Liang-an2，AN Zhong-chang1
（1.Department of Graduate Management，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China；
2.Department of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）

Deck-temperature-rising technology is the new technology that solves the temperature rising and deicing problems of ships deck.In this paper，the special experimental device was designed，and the influence laws of this new technology in different water temperatures were studied.Comparative experiments were done with the water temperatures at 8.1-8.3℃，5.0-5.2℃and 1.1-1.3℃.The experimental results show that under the same initial temperature of deck surface，the water temperature has significant impact on this new technology.The higher the temperature is，the greater warming-up amplitude and the better warming-up effect can be achieved.

ship deck；temperature rising technology；water temperature；experimental study

U672；U663.6；X834；P716+.12

A

1674-5124（2013）03-0010-04

2012-07-25；

：2012-09-21

“十一五”國防預研項目（51314030108）

解從偉（1982-），男，浙江臺州市人，博士研究生，研究方向為船舶安全保障與防護。