高壓空氣吹除壓載水艙的關鍵技術仿真

袁東紅，汪 云，幸福堂，梅 丹

（1．海軍駐701軍代表室，湖北 武漢 430000；2．武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081）

0 引 言

高壓空氣系統是潛艇潛浮系統的重要組成部分．高壓氣吹除主壓載水艙的性能決定著潛艇事故時的自救能力和輕殼體的吹除安全，因此有必要開展潛艇高壓氣吹除主壓載水艙的理論研究、仿真研究和物理模型實驗研究，通過不同研究手段獲取高壓氣吹除主壓載水艙的過程特性［1－6］．本研究致力于探索可靠、可行的數學仿真方法用于潛艇高壓系統的氣－液流動計算，為潛艇的設計提供必要的支持和參考．

1 高壓吹除物理模型

高壓空氣吹除壓載水艙，通過壓載水的排出實現潛艇的上?。撛谏细∵^程中，出口背壓不斷變化，進口空氣的壓力也隨著時間逐步減?。@一氣－液兩相流動過程是典型的三維、非定常、紊流流動，流動介質空氣為可壓縮流體，水為不可壓縮流體．

1．1 可壓縮空氣流動

通常將潛艇上用于吹除的氣瓶等效為一個大氣瓶，整個管系用一根等效長度為LD，等效直徑為D的管路代替，被吹除的所有壓載水艙合并成為一個大水艙，如圖1所示．圖1中，Tt為氣瓶內空氣溫度，在吹除過程中變化，初始值為T0；Pt為氣瓶內空氣壓力，在吹除過程中變化，初始值為P0；ρt為氣瓶內空氣密度，在吹除過程中變化，初始值為ρ0；m為氣瓶內空氣質量，在吹除過程中變化；PB為壓載水艙內壓力，即吹除背壓．

圖1 應急吹除系統簡化圖Fig．1 Sketch of the emergency blowing system

高壓空氣從截面1到截面2的流動屬于典型的可壓縮流動，其特點包括：（1）放空短路較短，但壓降極大；（2）在短距離、大壓差條件下，管路沿途氣體的溫度、密度、流速差異極大；（3）管路中任意點的流動參數均隨時間變化．氣體在流動過程中幾乎與外界沒有熱交換，整個流動過程可視為一維可壓縮流體有摩擦絕熱流動［7－8］．

1．2 兩相流模型

當高壓水艙流入主壓載水艙后，主壓載水艙內混合了氣和水，一方面氣體不斷膨脹將水排出艙外，另一方面水和氣體不斷混合，因此壓載水艙中的流動是氣－液兩相流動，而依據單相流動建立的壓載水艙排水模型不能真實反映壓載水艙中氣－液兩相流動情況．本文選取通用多相流模型中的 VOF（Volume of Fraction）模型進行數值模擬［9］．

1．3 湍流模型

研究中湍流模型選用SST（剪切應力輸運）k－ω模型．該模型綜合了k－ε和k－ω湍流模型在邊界層內外計算的優點，能夠準確及時預測分離的特性．且該模型具有以下優點：（1）模型能適應壓力梯度變化的各種物理現象；（2）可應用黏性內層，通過避免函數的應用，精確地模擬邊界層的現象，無需使用較容易失真的黏性衰減函數．

2 三維非定常邊界條件的確定

高壓吹除過程中氣體的流動過程是非穩態過程，而其他研究者普遍采用定常條件作為三維仿真的邊界條件，不能真實的得到水艙內的流動細節．水艙入口的非定常條件目前也未見成熟的計算方法．本研究從高壓吹除的基本物理過程入手，細致的分析流動狀態，以可壓縮有摩擦的絕熱流動理論為基礎，結合數學歸納方法，得到了水艙入口的非定常條件，為后續精確地三維仿真計算奠定了基礎．氣瓶絕熱，在高壓空氣從氣瓶到氣瓶出口流動過程中，無熱交換，同時不存在機械能的耗散，因此空氣從氣瓶內到截面1的流動為等熵流，從截面1到截面2的流動（即管路內氣流）為等截面摩擦絕熱流．吹除過程中，假定（1）各氣瓶內空氣狀態參數變化是一致的；（2）假設管道設計合理，管道出口處馬赫數為1；（3）潛艇所處深度不同引起的壓力損失與摩擦效應相比可以略去不計；（4）管路沿程阻力系數為常數［8］．

盡管管道內氣體狀態是隨著時間不斷變化，如將管道氣體流動的總時間分為N個相同的時間段，當N足夠小的時候，在每個時間段內，管道各處氣體狀態可視為恒定，即在每一個時間段內可以按照恒定流動的方法對氣體狀態進行計算．

在第一個Δt時間段內：

（1）截面1處馬赫數計算：由等截面摩擦管流流動參數關系式［7－8］：

式（1）中：Cf為摩擦因數，k為絕熱系數，空氣取1．4；a1、a2分別為截面1和截面2流動的速度因數．

（2）由氣動函數算出截面1處的氣體狀態參數：

其中P＊為滯止壓強，在氣瓶靜止的狀態下P＊＝P0．

（3）由截面1處的氣體狀態計算截面2處的氣體狀態：

等截面摩擦管流氣流參數關系式：

（4）上一個時間段內氣瓶內氣體減少的質量：

（5）第二個時間段內氣瓶的初始狀態：

定義第二個時間段內氣瓶的初始狀態為P0t，空氣從氣瓶到截面1的流動為等熵流動，則有等熵流動公式：

結合理想氣體狀態方程得到：

由式（7）求出在第一個時間段內的溫度變化，并結合質量變化，得出氣瓶在第二時間段時的狀態．

通過以上算式，得到每個時刻（Δt，2Δt，3Δt，…，nΔt）截面2處（即水艙入口）的氣體狀態參數，據此數據進行擬合，得到氣體的壓力、溫度、流速隨時間變化的關系式，作為后續三維仿真的邊界條件．

3 模擬結果分析及實驗驗證

本研究針對圖2所示的水艙進行了數值模擬及實驗研究．為了研究不同位置上壓力隨時間的變化，在水艙壁面上均勻的取5個點，如圖3所示，從上到下依次為 point 1、point 2、point 3、point 4、point 5．

計算需要的邊界條件包括入口速度346 m／s、空氣入口壓力1．67 MPa，空氣入口溫度299 K，背壓0．033 MPa，另有壁面條件，水和空氣的物性參數等．

圖2 水艙幾何結構示意圖Fig．2 The geometry sketch of ballast tank

圖3 水艙上壓力測點分布Fig．3 The distribution of pressure measuring point on tank wall

計算采用sstk－ω紊流模型，應用高階離散方法對微分方程進行離散和隱式求解，其殘差控制在1×10－4視為收斂．

3．1 測點壓力隨時間的變化

圖4所示的是在表1所示工況下5個監測點壓力隨時間的變化情況．觀察圖4，在吹除初期的1～2 s間，點1和點2位于氣體區域，其壓力值上下振蕩，此時高壓氣體和水正進行著劇烈的傳熱和傳質交換；點3～5處于液體區，其壓力值平穩．待3 s以后，吹除狀態平穩，5個點的壓力值隨著時間的增加小幅變化．

圖4 5個測點的壓力隨時間的變化Fig．4 Time－varying pressure value of the 5 measuring points

3．2 吹除結束時刻艙內的氣－液分布

在5 s時刻，艙內氣－液交界面如圖5所示．水艙體積比較小，進氣正對著出口且相距較近，開始吹除后，氣體直接從進口到出口形成射流，并未在水艙內完全膨脹，氣流柱與艙內剩余的水在重力方向上形成高速的自由面剪切流動，艙內的水在重力和氣流的作用下，劇烈翻滾，造成艙內氣壓大幅度波動．水艙內的水在5 s時早已經被吹穿，艙內大部分為氣體，并且有大量離散的水體，艙內剩余的水受氣體壓力作用，貼在艙壁上，少量水沿著出口邊緣隨氣體排出艙外，此仿真現象與實驗現象相吻合．

圖5 5 s時刻，水艙內氣液分布Fig．5 The water－gas distribution in the ballast tank at 5 second

3．3 計算結果驗證

通過對實體水艙（結構尺寸同圖2所示）在表1所示工況條件下進行高壓空氣吹除實驗，得到了測點1和測點5壓力隨時間變化的實驗數據，將實驗數據與數值計算數據進行對比分析，得到兩個測點壓力計算值與測量值的對比圖（如圖6、圖7所示）．

圖6 點1計算值與測量值對比Fig．6 Comparison between simulation value and measured value on point 1

圖7 點5計算值與測量值對比Fig．7 Comparison between simulation value and measured value on point 5

對兩點平均相對誤差進行統計，測點1的誤差為－18．8%，測點2的誤差為－5．4%，滿足研究計算要求．說明利用CFX對水艙氣－液兩相流場進行的數值模擬，其結果能和實驗值相互驗證，說明計算方案正確可行，能進一步對其他類型水艙的吹除規律進行模擬研究．

4 結 語

高壓空氣吹除壓載水的過程是非定常、可壓縮的氣－液兩相紊流流動的復雜過程．本研究根據高壓空氣吹除的工作原理建立科學的物理計算模型；采用一維有摩擦絕熱可壓縮流動的計算方法確定水艙入口的氣體隨時間變化的狀態；應用CFD技術對實驗水艙的排水過程進行三維仿真，計算結果與實驗值進行對比．結論如下：

a．根據高壓氣體狀態變化理論，本研究得到了氣體入口條件的非定常表達式，與實際流動現象相吻合．非定常條件作為后續三維仿真計算的邊界條件，具有創新性．

b．利用CFX對一種水艙氣－液兩相流場進行的數值模擬，得到了水艙在不同工況下壓力隨時間和空間的分布規律；將不同點上計算壓力值和實驗值對比，誤差在可接受范圍內，說明計算方案正確可行，能進一步對其他類型水艙的吹除規律進行模擬研究．

致謝

感謝國家海軍裝備科研項目“海軍艦船裝備發展預先研究”的資助！

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［3］劉輝，浦金云，李其修，等．潛艇高壓氣吹除主壓載水艙系統實驗研究［J］．哈爾濱工程大學學報，2012，34（1）：34－39．LIU Hui，PU Jin－yun，LI Qi－xiu，et al．Dynamic performance study of submarine low pressure deballast system［J］．Ship Science and Technology，2012，34（1）：34－39．（in Chinese）

［4］勞星勝，張克龍，曾宏．潛艇柴油機廢棄低壓吹除系統動態性能研究［J］．艦船科學技術，2013，35（1）：82－85．LAO Xing－sheng，ZHANG Ke－long，ZENG Hong．Dynamic performance study of submarine diesel exhaust low pressure deballast system［J］．Ship Science and Technology，2013，35（1）：82－85．（in Chinese）

［5］勞星勝，曾宏，張克龍．潛艇低壓吹除系統動態性能研究［J］．艦船科學與技術，2012，34（11）：42－45．LAO Xing－sheng，ZENG Hong，ZHANG Ke－long．Dynamic performance study of submarine low power deballast system［J］．Ship Science and Technology，2012，34（11）：42－45．（in Chinese）

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