艦船微環境氣流牽引式循環升溫防凍技術研究

解從偉，金良安，余軍浩，遲 衛，安中昌，王 涌

（1.海軍大連艦艇學院航海系，遼寧 大連 116018；2.61741部隊，北京 100097）

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。現有甲板平臺區域除冰方法[1-7]主要包括兩大類：（1）熱力融冰法，其除冰的主要原理是焦耳熱原理，包括過電流密度法、電磁波法、微波法和激光法等；（2）機械破冰法，即基于機械裝置的除冰方法，包括強力振動法、電脈沖除冰法、電斥分離系統除冰法和電磁應力線法等。

然而，這兩類方法都存在明顯的不足[1，8]，歸納起來主要有：（1）除冰效率低，現行方法不僅浪費時間、人力和物力，而且融化后的冰水積聚在甲板上很有可能重新結冰；（2）除冰成本高，熱力融冰法的能量損耗大，而且使用范圍小，機械破冰法的工作強度大且難以實現快速除冰的目的；（3）除冰危險性大，比如因艦船甲板平臺區域結冰后表面非常滑，人員在除冰過程中易發生危險甚至可能危及生命等。

現有除冰方法存在的這些不足，由于一直未能找到合適的辦法加以克服，因而被看成是甲板平臺區域除冰技術中的“瓶頸”，如何盡快設法解決，是當前急需研究的重要課題。為此，本文特提出艦船微環境氣流牽引式循環升溫防凍理論，研究其升溫防凍原理，制作專用的原理性驗證模擬實驗裝置，進而利用該實驗裝置驗證氣流牽引式循環升溫防凍技術應用于甲板平臺區域防凍和除冰的可行性和有效性。

1 技術思想的提出

本文研究的氣流牽引式循環升溫防凍的技術思想是基于氣象學基礎和艦船甲板平臺區域的低溫形成機理而提出的。

1.1 氣象學基礎

大氣經常處于不斷的運動之中，其主要運動方式包括有規則的大氣環流運動和無規則的大氣亂流運動[9]。有規則的環流運動又分為空氣的水平方向運動和垂直方向運動，其中垂直運動又稱為空氣對流運動。對流在氣象學上通常指有規則的升降運動，它包括空氣的上升運動和下沉運動。

根據對流成因的不同，對流可分為熱力對流和動力對流。熱力對流中的氣塊在垂直方向上形成垂直加速度為

式中：T′——氣塊內部的溫度；

T——氣塊周圍環境的溫度。

在海面上由于存在海氣耦合現象，因此氣流在垂直方向上也存在較有規律的運動。在廣闊的海面，上方低溫氣團因密度較大將在重力作用下逐漸下沉；當其沉到海平面時，將與海水發生感熱、潛熱、動量和水汽等交換，氣溫上升，隨之又作上升運動。而當溫暖氣團上升到一定高度時，氣團又因輻射冷卻，溫度不斷降低，直至氣團又作前述的下沉運動[10]。

1.2 艦船甲板平臺區域的低溫形成機理

根據上述分析，在海平面上方，通常存在著有規律的氣體上升、下降又上升的循環對流運動。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。

在寒冷海區，隨著冷氣流的不斷積聚，艦船甲板表面溫度就會隨之不斷降低，當降至冰點以下時，艦船甲板就十分容易結冰，從而帶來諸多不便和危險。

1.3 氣流牽引式循環升溫防凍的技術思想

當前艦船甲板平臺區域的防凍和除冰技術相對落后，為改善這一現狀，根據前述分析，特提出氣流牽引式循環升溫防凍的技術思想——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在艦船甲板平臺區域，能夠自動回落到海面；與此同時，近海面表層的作上升運動的溫度較高的氣體，將被牽引回填到甲板平臺區域，從而實現該區域升溫防凍的目的。

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，其原理如圖1所示。

圖1 艦船甲板平臺區域升溫防凍原理示意圖

參見圖1，其實現方法是：啟動氣體牽引設備（1），將氣體經吹氣口（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的氣體（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。

2 原理性驗證實驗設計

為驗證艦船微環境氣流牽引式循環升溫防凍技術應用于甲板平臺區域防凍和除冰的可行性和有效性，特設計了一套模擬實驗裝置，并提出了相應的實驗方案。

2.1 實驗裝置

艦船微環境氣流牽引式循環升溫防凍的模擬實驗裝置，由實驗區域和溫度指示區域兩大部分組成，如圖2所示。

圖2 氣流牽引式循環升溫防凍的實驗原理示意圖

實驗區域部分主要包括水池（1.2m×1m×1.5m）和模擬的甲板、氣體牽引設備以及擋板、4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防凍效果的影響；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，以便較好地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，通過記錄和分析溫度傳感器顯示的讀數來較為全面地對艦船微環境氣流牽引式循環升溫防凍技術進行研究。

2.2 實驗方法

本實驗模擬甲板表面在3種不同初始溫度下，對氣流牽引式循環升溫防凍技術的升溫防凍效果進行研究。

實驗中，模擬甲板的長為26cm、寬為24 cm，水深約為40cm，模擬甲板與水面的高度約為30cm，水溫穩定在7.5～7.6℃，牽引氣體的流量約為1.3L/min。實驗的具體步驟如下：

（1）把4支溫度傳感器分別布置在指定位置，再把氣體牽引設備固定在模擬甲板表面，位置如圖3所示。其中：①距離擋板5cm；②距離擋板10cm；③距離擋板20cm；④位于水中；

（2）將氣體牽引設備的取氣口m布置于離水面20cm處，吹氣口n離模擬甲板端點（N）14cm；

（3）打開溫度傳感器的電源，等溫度傳感器顯示的溫度讀數穩定后，記錄此時4支溫度傳感器顯示的讀數；

（4）啟動氣體牽引設備，每隔2min記錄各溫度傳感器的讀數，時間用T（min）表示。

圖3 溫度傳感器、取氣口、吹氣口位置分布圖

3 實驗結果與分析

3.1 實驗結果

根據2.2所述的實驗步驟，測得實驗數據如表1、表2和表3所示，其中甲板表面①、②、③溫度表示溫度傳感器①、②、③處的模擬甲板表面溫度。

3.2 實驗結果分析

為了使實驗精度更加精確，本文將溫度傳感器位置①、②、③處的模擬甲板表面的3個溫度取平均值作為甲板表面溫度。甲板表面升溫幅度是由T時刻甲板表面溫度減去初始時刻甲板表面溫度所得的差。由此，特結合表1～表3數據得出了模擬甲板表面3種初始溫度下不同時刻的甲板表面升溫幅度數據如表4所示，升溫幅度曲線如圖4所示。其中，升溫幅度1、2和3分別表示模擬甲板表面初始溫度為-1.2～-1.1℃、0.2～0.3℃和1.5～1.6℃時甲板表面的升溫幅度。

由表4和圖4可知，在水溫相同的情況下，模擬甲板表面初始溫度為-1.2～-1.1℃時總的升溫幅度為2℃左右；模擬甲板表面初始平均溫度為0.2～0.3℃時總的升溫幅度為1.1℃左右；模擬甲板表面初始平均溫度為1.5～1.6℃時總的升溫幅度為0.54℃左右。

表1 初始溫度為-1.2～-1.1℃時實驗數據表

表2 初始溫度為0.2～0.3℃時實驗數據表

表3 初始溫度為1.5～1.6℃時實驗數據表

表4 升溫幅度數據表

圖4 升溫幅度曲線

可見，當水溫高于模擬甲板表面溫度時（相當于寒冷季節時海水溫度高于艦船甲板表面溫度），啟動氣體牽引設備后，氣流牽引式循環技術能使甲板表面的溫度升高，升溫幅度由水與模擬甲板表面的初始溫差和作用時間決定。在一定時間內，如果水與模擬甲板表面的初始溫差越大，那么甲板表面的升溫幅度也就越大。因而也表明了氣流牽引式循環技術應用于甲板平臺區域升溫防凍以及除冰是可行和有效的，這一實驗結果與前面理論分析的結果是相符的。

4 結束語

本文針對當前艦船甲板平臺區域除冰技術普遍存在著效率低、代價高、危險性大等問題，提出了艦船微環境氣流牽引式循環升溫防凍理論，構建了其升溫防凍的原理，設計并制作了專門的原理性模擬實驗裝置并進行了實驗驗證。結果表明氣流牽引式循環升溫防凍技術可有效地使甲板表面的溫度升高，從而使艦船甲板平臺區域結冰現象的發生率大大下降。對艦船甲板平臺區域升溫防凍和除冰技術的研究具有理論意義和實用價值。

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