潛艇高壓氣吹除系統流量模型的構建與實驗分析

劉 輝，李其修，吳向君，李志輝

(海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033)

0 引言

潛艇在水下以較高航速航行時，若發生尾卡大下潛舵角、艙室通海管路破損進水及耐壓艙室破損進水等重大險情事故時，在現有應急挽回操縱技術條件下，只能利用高壓氣吹除主壓載水艙獲取正浮力和校正力矩實施應急起浮使潛艇快速上浮至水面［1－2］。潛艇獲取正浮力的大小取決于壓載水艙的吹除排水量，而吹除排水量取決于單位時間內進入壓載水艙的高壓氣量。因此潛艇高壓氣吹除系統模型建立的準確與否嚴重影響潛艇事故時挽回判定成功與否，而高壓氣吹除系統模型構建的關鍵是確定高壓氣系統吹除流量模型，有必要開展潛艇高壓氣吹除系統的理論研究、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系統的高壓氣流量模型。論文在建立高壓氣吹除系統高壓氣流量數理模型的基礎上，通過設計高壓氣吹除系統管路流動原理實驗裝置，進行多種工況管路流動實驗分析高壓氣系統高壓氣吹除流量的影響因素，并驗證所建數理模型的準確性。

1 高壓氣吹除系統高壓氣流量數理模型

潛艇高壓氣應急吹除壓載水艙系統的工作過程中，高壓氣通過管道從高壓氣瓶快速流入潛艇主壓載水艙，此高壓氣釋放過程可比作拉瓦爾噴管的氣體流動過程，因此可將高壓氣從高壓氣瓶流經高壓管道流向壓載水艙的流動模擬為拉瓦爾 (Laval)噴管［3－4］，經過分析推導可得:

試驗研究表明，高壓氣在吹除過程中溫度基本保持不變，可將此流動視為絕熱流動，根據絕熱過程表達式，高壓氣吹除系統中的氣體壓力和溫度變化如下式:

式中:P1和T1分別為氣瓶噴嘴截面處壓力和溫度;PF和TF分別為氣瓶中氣體的壓力和溫度，Pb為吹除壓載水艙的壓力;PF0，mF0和TF0分別為氣瓶中氣體初始壓力、質量和溫度;為高壓氣流量;At為噴嘴的噴口面積;Ct為吹除流量系數(0≤Ct≤1);k為等熵常數，取k=1.4;R為氣體常數287.1 J/(kg·K)。

2 高壓氣吹除系統高壓氣流量驗證實驗

2.1 實驗的設計

實驗設計所用氣瓶的容積為12 L，為保證高壓氣瓶氣體的釋放速率，實驗設計的高壓氣瓶壓力范圍為2～10 MPa［5］。高壓氣瓶噴嘴口直徑為Φ3 mm，高壓氣瓶和吹除壓載水艙之間聯接高壓管道的內徑為Φ3 mm，高壓氣瓶上可安裝壓力表，用來測量高壓氣瓶中氣體的壓力。氣瓶出口處安裝氣體流量計和壓力傳感器，氣體流量計用來測量高壓氣瓶釋放氣體的實時流量，壓力傳感器用來測量高壓氣瓶釋放氣體過程中的壓力氣瓶出口管道中的壓力，具體設計圖和裝置圖如圖1和圖2所示［6－7］。

圖1 高壓氣吹除系統設計圖Fig.1 The design chart of blowing system

圖2 高壓氣流量模型驗證實驗裝置圖Fig.2 The experimental setup of flow model validation

2.2 實驗結果

實驗環境溫度為25℃，高壓管道長2 m，直徑3 mm，管壁阻力系數f=0.15，材質與實艇使用相同［8］。實驗根據不同初始條件測定了氣瓶出口管道中的壓力和流量，由于高壓氣流量變化很快，將高壓氣瞬時流量采樣頻率取0.1 s，實驗數據由數據采集系統獲取并處理，對測量結果依據高壓力流量數理模型擬合得到了吹除流量系數，實驗工況和流量系數測量結果如表1所示。工況1～工況5是將氣瓶中的氣體通過高壓管道直接釋放到空氣中，工況6和工況7通過在氣瓶出口安裝阻力裝置形成30 bar的背壓環境釋放高壓氣。從表1中可看出，流量系數隨不同初始壓力變化而變化，但基本保持在0.7左右。圖3～圖6給出了不同氣瓶壓力時實驗和數理模型仿真時氣瓶出口壓力和流量變化情況，仿真時的流量系數取0.7，閥全開時間取2 s。

表1 不同實驗工況下吹除流量系數的擬合結果Tab.1 The regression results of blowing flowing coefficient

圖3 氣瓶壓力為3 MPa時氣瓶出口壓力和高壓氣流量歷程圖Fig.3 The change of pipeline pressure and flow when the cylinder pressure 3 MPa

圖4 氣瓶壓力為6 MPa時氣瓶出口壓力和高壓氣流量歷程圖Fig.4 The change of pipeline pressure and flow when the cylinder pressure 6 MPa

圖5 氣瓶壓力為8 MPa時氣瓶出口壓力和高壓氣流量歷程圖Fig.5 The change of pipeline pressure and flow when the cylinder pressure 8 MPa

圖6 背壓為30 bar時氣瓶壓力分別為8 MPa和9 MPa時高壓氣流量歷程圖Fig.6 The pipeline flow under 30 bar's resistance pressure when the cylinder pressure 8 MPa and 9 MPa

2.3 實驗結果分析

根據實驗測得的數據可知，在氣體釋放初期，高壓氣瓶出口管道壓力迅速下降，高壓氣流量的衰減速度很快，管道出口氣體流動速度均能達到聲速，實驗結果與建立的數量模型的計算結果比較接近，高壓氣每秒流量誤差在8%以內，滿足工程精度要求，因此依托拉瓦爾噴管理論建立的高壓氣流量數理模型能較好描述高壓氣流量釋放過程，仿真過程中將高壓氣吹除的流量系數取0.7是比較合理的。對比仿真和實驗結果，誤差出現原因主要有以下3點:

1)高壓氣體流動過程中傳熱、管壁吸收等帶來的能量損失考慮不充分;

2)高壓氣瓶容量和氣瓶噴口直徑等特征參數差異對高壓氣流動的影響;

3)高壓氣流動速度過快，受測量裝置的影響采樣頻率過大。

3 結語

在建立高壓氣吹除系統高壓氣流量數理模型的基礎上，通過設計高壓氣吹除系統小比例實驗裝置模擬高壓氣吹除的流動過程，將數據測量結果與模型仿真結果相比較，并利用數理模型對實驗結果進行回歸擬合，結果表明將吹除流量系數取0.7較為合適。對實驗結果進一步分析可知，高壓氣流量主要取決于高壓氣的吹除率及其隨時間的衰減率。高壓氣吹除率是高壓氣每秒進入主壓載水艙的質量，取決于高壓氣的初始工作壓力，吹除管路的直徑，吹除閥門，吹除管道的特性以及高壓氣吹除的方式等;而高壓氣隨時間的衰減率取決于潛艇上高壓氣的儲備量，也就是參加吹除的氣瓶數量，參加吹除的氣瓶數量越多，吹除率的衰減越慢。因此在潛艇設計過程中，可以通過提高高壓氣瓶的工作壓力和吹除氣瓶的數量，以及在潛艇吹除主壓載水艙系統基礎之上建立一套應急吹除系統，提高高壓氣吹除能力。

［1］ 金濤，楊楓，王京齊，等．大攻角情況下破損進水潛艇水下機動性［J］．華中科技大學學報(自然科學版)，2008，36(12):79－82．

［2］ 金濤，劉輝，王京齊．艙室進水情況下潛艇的挽回操縱［J］．船舶力學，2010，14(1－2):34－43．JIN Tao，LIU Hui，WANG Jin-qi．The recovery maneuvers of flooded submarine［J］．Ship Mechanics，2010，14(1 －2):34－43．

［3］ 葉劍平，戴余良，李亞楠．潛艇主壓載水艙高壓氣吹除系統數學模型［J］．艦船科學技術，2007，29(2):112 －115．YE Jian-ping，DAI Yu-liang，LI Ya-lan．The mathematical model of pneumatic blowing system of the submarine's ballast tanks［J］．Ship Science and Technology，2007，29(2):112－115．

［4］ 劉輝，浦金云，金濤．潛艇高壓氣吹除主壓載水艙系統模型研究［J］．艦船科學技術，2010，32(9):26 －30．LIU Hui，PU Jin-yun，JIN Tao．Research on system model of high pressure air blowing submarine's main ballast tanks［J］．Ship science and technology，2010，32(9):26 －30．

［5］ 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，2013，34(1):34－39．

［6］ 楊晟，余建祖，程棟，等．潛艇應急燃氣吹除過程的理論分析及實驗驗證［J］．北京航空航天大學學報，2009，35(4):411－416．

［7］ 張宏偉，丁淑華，王曉鳴，等．小型水下自航行器自沉浮裝置設計與研究［J］．海洋技術，2008，27(1):1 －3．

［8］ 謝安恒，高院安，周華．高壓氣體系統管道流動研究與實驗分析［J］．液壓與氣動，2008(9):67－69．