艦船密閉區域氣密特性研究

李　光中國艦船研究設計中心，上海201108

艦船密閉區域氣密特性研究

李光
中國艦船研究設計中心，上海201108

艦船密閉區域是一種容積較大、結構復雜、內部空氣需建立一定超壓的特殊區域，設計要求密閉區應具有一定的氣密性。采用圓管層流和孔板流2種流量計算公式推導了艦船密閉區域氣密壓降特性的2種表達式，表示了密閉區氣密壓降過程中壓力和時間的變化關系，并通過了試驗驗證。介紹了密閉區流量平衡特性，推導出密閉區漏氣量和超壓的關系式。論述了圓管層流法和孔板流量法2種密閉區氣密壓降特性和流量平衡特性的參數轉換方法，并進行了試驗驗證。結果表明，艦船密閉區域氣密特性及其轉換方法的研究，為密閉區域的氣密性檢驗提供了技術基礎。

氣密；氣密壓降特性；流量平衡特性；漏氣量

0　引言

本文研究的艦船密閉區域（簡稱密閉區）容積較大，一般為幾百至幾千立方米，區域通常分多層，層與層之間有樓梯相通，區域內一般設置人員住室、工作室、設備室及公共衛生艙室等，區域容積和布局的復雜性遠遠超過宇宙飛船、飛機座艙、列車車廂等典型的密閉區［1-2］。因為密閉區的結構可能存在泄漏點，并且需要設置人員進出的通道，這些都有可能引起艦船密閉區的空氣泄漏。密閉區內設置超壓控制系統，該系統通過對區域內的空氣壓力等參數進行測控，確保區域內空氣對外超壓穩定在一定的范圍內，并且使各部位的空氣壓力分布滿足系統設計的要求，為船員提供一個安全的工作和生活環境，該功能的實現依賴于密閉區域所具有的氣密性。

歐美發達國家對艦船密閉區及其氣密特性研究較早，上世紀80年代其重要艦船已設置密閉區域及相關控制系統，區域建造完畢后基本上采用流量平衡的方法檢測區域漏氣特性。國內艦船密閉區研究相對發達國家起步較晚，雖然在工程上有一定應用，但對密閉區的氣密特性缺乏深入研究。國內航空、航天及高速列車等行業對其密閉區的氣密性研究較多，其中航空、航天領域提出利用可壓縮氣體通過噴嘴流動的原理來模擬區域周界的空氣泄漏，并利用該原理提出了壓降和泄漏量的氣密性轉換方法。

通常，所謂氣密性即為密閉區域周界對空氣的不可滲透性。人們采用某些可以獲得的參數來表示氣密性的好壞，不同領域用不同的標準來表示。如高速列車的氣密性標準是指外界環境氣壓變化傳入車廂內的允許值，包括壓力變化幅值和壓力變化率［3-6］；飛機的氣密性標準為最大允許泄漏量，即飛機最大壓差下的單位容積漏氣量（單位：kg·m-3·h-1）；暖通行業對于大型風管系統及生物安全試驗室氣密性指標按有效泄漏面積（單位：m2）作為衡量標準［7-8］。本文研究的密閉區氣密性不是要求絕對的“不漏氣”，而是允許有一定的泄漏，但泄漏的程度要滿足密閉區超壓建立和控制的要求。

氣密性是密閉區超壓建立和控制的基礎，是超壓控制得以實現的根本保證，區域氣密性好，區域內的超壓就易于建立和控制。但是對于工程來講，氣密性要求越高，則密閉區域的建造難度和成本越大，可見密閉區氣密性要求還須綜合考慮，因此氣密性要求的確定需要相關深入的理論和實踐依據。本文通過對密閉區的氣密性進行理論和試驗研究，將氣密特性用理論公式表達，更直觀地表明代表密閉區氣密性的關鍵參數及其數學關系，為密閉區氣密性衡準指標及其檢測方法的確定提供理論依據。

1　理論基礎

空氣作為一種流體，其流動的方式主要分為：分子性流、過渡流、粘性層流、粘性紊流。當氣體處于大氣壓力下，由于受到分子間力的作用，在某一層氣體的移動受到其相鄰一層氣體分子的影響下，其移動速度會減緩，而另一層的流動速度則會增加，該流動被稱為粘性流動。粘性流動根據雷諾數Re的不同而分為層流和紊流。艦船密閉區的氣體向外流動可由2種不同的流量計算公式進行計算。

1）流體沿管道的層流Hagen-poiseuill流量計算公式［9］為

式中：qv為單位時間的體積流量，m3/s；D p為圓管兩端的差壓，Pa；d為圓管的直徑，m；l為圓管的長度，m；μ為流體的動力粘度，Pa·s。

2）當不可壓縮流體流過孔板，根據其流量計算公式［10］，通過孔板的空氣質量流量G表示為

式中：G為質量流量，kg/s；A為孔板流通面積，m2；ρ為流體密度，kg/m3；p1為進口側壓力，Pa；p2為出口側壓力，Pa；Cq為流量系數。艦船密閉區域內空氣溫度相對恒定，空氣壓力變化較小，一般僅為幾百帕，在此壓力梯度下孔口流速較低，空氣密度變化很小，因而將密閉區內空氣視為不可壓縮流體。

3）雷諾數計算公式

式中：u為密閉區氣流通道內的平均流速，m/s；de為密閉區氣流通道特征長度，m；ν為空氣運動粘性系數，m2/s。

2　密閉區域氣密壓降特性

2.1圓管層流法推導的壓降特性

密閉區域在正壓狀態下的漏氣如圖1所示。po和ρo分別為區域外的空氣壓力（大氣壓力）和空氣密度；pi和ρi是區域內的空氣壓力和空氣密度；區域內外的空氣溫度均為T（開氏溫度），密閉區域的容積為V。密閉區域處于正壓時，空氣通過孔隙滲漏到區域外部，使區域內的壓力逐漸下降而使正壓差逐漸減小。

圖1　密閉區域漏氣分析模型Fig.1 Air leakage analysismodel

假定區域周界上的孔隙截面積不隨壓力變化，根據Hagen-poiseuill流量計算公式和理想氣態方程，把所列方程聯立并求解方程組，經運算整理后為

式中：D pi為氣密試驗一定時間后的超壓，Pa；D pmax為氣密試驗起始超壓，Pa；t為氣密試驗已進行的時間，s；K為漏氣系數。

由式（4）可知，密閉區域的氣密壓降試驗對于某一時刻的超壓，由氣密試驗的起始壓力D pi0（D pmax）、密閉區域容積V、漏氣系數K、大氣壓力po以及氣密試驗進行的時間t決定。對于特定的密閉區域，其漏氣系數和容積為常數；對于特定的大氣環境，其大氣壓力也可以近似為常數。因此，其試驗過程的超壓值D pi決定于氣密試驗的起始壓力和試驗的時間，D pi與t成指數函數關系。K/V為漏氣系數與密閉區域有效氣體容積的比值，該比值是同一密閉區域的固有參數，對于不同的密閉區域，其氣密性取決于K/V，該比值可通過氣密試驗換算求得，可直接判斷氣密試驗是否滿足要求，或比較不同氣密區域的氣密性程度。

2.2孔板流量法推導的壓降特性

本文假定區域周界上的許多孔隙等效為一個一定口徑的流量孔板，其泄漏總面積為A，根據孔板的流量計算公式和理想氣體狀態方程，經運算整理后為

由式（5）可知，密閉區域的氣密壓降試驗對于某一時刻的超壓，由D po（D pmax），V，A，po和t等參數決定。對于特定的密閉區域，其漏氣系數和容積為常數，對于特定的大氣環境其大氣壓力也可以近似地認為是常數，因此，其試驗過程的超壓值決定于氣密試驗的起始壓力和試驗的時間，D pi與t成二次函數關系。是同一密閉區域的固有參數，對于不同的密閉區域，其氣密性取決于K，該比值可通過氣密試驗換算求得，可直接判斷氣密試驗是否滿足要求，或比較不同氣密區域的氣密性程度。

因此根據式（4）和式（5），在氣密試驗中密閉區域內的超壓從起始壓力開始下降，經過一定時間后記錄最終壓力，根據最終壓力值可判斷氣密試驗對象的氣密性好壞；也可記錄從起始壓力到最終壓力的時間值，該值也可判斷氣密試驗對象的氣密性好壞。

2.3密閉區域氣密壓降特性的試驗分析

為研究密閉區域的氣密特性，對總容積為800m3的密閉大艙進行試驗研究，艙內設置了一套自動化測試系統。對密閉艙的6個泄漏狀態進行氣密性壓降試驗，壓降試驗從艙內超壓600 Pa開始，通過試驗裝置記錄一定時間所對應的各部位超壓。6個狀態分別為：密閉區無孔狀態、密閉區域的漏孔直徑分別為10，20，30，50和80mm的狀態。試驗擬合曲線如圖2～圖6所示。

圖2　密閉區域壓降試驗曲線Fig.2 Pressure curve of air tightarea pressure drop test

圖3　密閉區域直徑為10mm孔壓降試驗擬合曲線Fig.3 Pressure curve ofair tightarea pressure drop testwithΦ10mm hole

圖4　密閉區域直徑為20mm孔壓降試驗擬合曲線Fig.4 Pressure curve ofair tightarea pressure drop testwithΦ20mm hole

圖5　密閉區域直徑為30 mm孔壓降試驗擬合曲線Fig.5 Pressure curve of air tightarea pressure drop testwithΦ30mm hole

圖6　密閉區域直徑為50 mm孔壓降試驗擬合曲線Fig.6 Pressure curvesofair tightarea pressure drop testwithΦ50mm hole

從圖3和圖6可以看出，試驗曲線的擬合結果分別與式（4）和式（5）所表達的內容比較接近。從圖4和圖5可以看出，試驗曲線的指數擬合和二項式擬合結果與試驗曲線均有一定的差異，但在擬合曲線與試驗曲線中可以觀察出一定的趨勢：直徑為20mm孔的試驗曲線更接近指數擬合曲線，直徑為30mm孔的試驗曲線更接近二項式擬合曲線。

比較密閉艙氣密性壓降的6種狀態的試驗可得：對于密閉區域泄漏面積較小（如無孔或直徑為10 mm孔狀態）時，其壓降特性的規律基本遵循指數形式，其泄漏的流動可等效為細長管的層流，在壓降試驗的整個過程中，泄漏的空氣流動相對于整個密閉區超壓為層流。對于密閉區域泄漏面積較大（如直徑為50和80 mm孔狀態）時，其壓降特性的規律基本遵循二項式形式，其泄漏的空氣流動可等效為空氣通過孔板的流動，在壓降試驗的初期其流動相對于整個密閉區的超壓為紊流，隨著密閉區域超壓的降低，其流動趨向于層流。對于密閉區域漏泄面積在一定的范圍內（如直徑為20或30 mm孔狀態），其壓降特性的規律介于指數形式和二項式形式之間，其泄漏的流動可認為是細長管的層流與孔板流動的結合，在壓降試驗的初期，其流動為處于層流與紊流之間的過渡區域，隨著密閉區超壓的降低，其流動應處于層流區域，試驗曲線接近指數形式。

3　密閉區域流量平衡特性

3.1密閉區域的流量平衡

對于密閉區的進排空氣量包括區域進氣系統的供氣量、密閉周界的漏氣量、區域排氣量，在密閉區內保持一定超壓不變的情況下，根據質量守恒原理，上述參數應滿足式（6）式中：Gi為進氣質量流量，kg/h；Gl為漏氣質量流量，kg/h；Go為排氣質量流量，kg/h。

假設進、排氣的密度相同，上述質量流量（kg/h）的平衡關系可由體積流量（m3/h）的平衡關系代替。

3.2漏氣量與超壓的函數關系

考慮密閉區的泄漏存在能量損失，密閉區泄漏的空氣滿足能量守恒方程

式中：pi為泄漏孔進口（區域內）壓力，Pa；po為泄漏孔出口（區域外）壓力，Pa；νi為泄漏孔進口（區域內）空氣流速，m/s；vo為泄漏孔出口（區域外）空氣流速，m/s；ρi為泄漏孔進口（區域內）密度，kg/m3；ρo為泄漏孔出口（區域外）密度，kg/m3；∑ELoss為能量損失，對于層流其為速度的一次方函數，對于紊流其為速度的二次方函數。

根據該式可推出泄漏孔出口速度與壓力的一般關系表達式

式中：D p為區域內超壓(pi-po)，Pa；c為流量系數。

根據連續方程和式（8）導出密閉區域的漏氣量公式

式中：Ql為密閉區域泄漏量，m3/h；A為泄漏總面積，m2。

3.3漏氣量與超壓之間關系的試驗分析

為研制密閉區域的氣密特性，建造了容積為8.2 m3的密閉小艙，對小艙進行漏氣量和超壓的關系試驗。在小艙處于封閉狀態時，對艙的4個狀態進行漏氣量和超壓的關系試驗，4個狀態分別為：艙體、艙體分別開1，2，3個直徑為9.3mm的漏孔。通過小艙的漏氣量和超壓關系試驗，可以驗證式（8）為密閉區域的漏氣量與超壓關系的一般性公式，密閉區域的漏氣量與超壓的n次方成正比。試驗得出的漏氣量和超壓的關系曲線及分析如圖7～圖8所示，圖7的擬合曲線的公式為Ql=0.596 5(D p)0.5538，圖8的擬合曲線的公式為Ql=1.148 7(D p)0.5551。

圖7　密閉小艙1個孔漏氣量—超壓曲線Fig.7 Air leakage-pressure curves ofmodelwith one hole

圖8　密閉小艙3個孔漏氣量—超壓曲線Fig.8 Air leakage-pressure curvesofmodelwith three holes

4　密閉區域壓降與漏氣量參數轉換計算方法及試驗分析

同一密閉區域的氣密壓降試驗和某一超壓下的漏氣量試驗，其試驗結果均反映密閉區域的氣密性，由于2種試驗建立在相同氣密性的基礎上，因此2種試驗方法所得出的結果應能相互轉換。本文根據工程需要，在相關領域研究的基礎上，總結層流法和孔板流量法，對密閉區域的氣密壓降參數與漏氣量參數進行轉換。

4.1圓管層流法

根據圓管層流法推導密閉區域壓降特性的中間過程公式

由式（10）可推導出，對于密閉區在一定超壓pik下的漏氣量

式（11）為將密閉區域氣密壓降試驗結果計算為某超壓下的漏氣量的圓管層流法轉換計算公式。試驗過程中，在保持區域內溫度恒定的基礎上，記錄起始壓力、最終壓力和試驗時間，將記錄的值和漏氣量試驗要求的壓力代入式（11），得出密閉區域一定超壓下的漏氣量。

4.2孔板流量法

孔板流量法推導密閉區壓降特性的中間過程公式

求解上述方程組，整理后得出空氣流量

式（13）為將密閉區域氣密壓降試驗結果計算為某超壓下的漏氣量的孔板流量法轉換計算公式。試驗過程中，在保持區域內溫度恒定的基礎上，記錄起始壓力、最終壓力和試驗時間，將記錄的值和漏氣量試驗壓力代入式（13），得出密閉區域的一定超壓下的漏氣量。

4.3密閉區域壓降和漏氣量參數轉換的試驗分析

針對密閉大艙的6種泄漏狀態進行起始壓力為600 Pa的氣密壓降試驗，泄漏狀態分別為無孔、直徑分別為10，20，30，50和80 mm的孔。在每個狀態的試驗過程中，記錄壓力和其對應的時間數據，按照試驗起始時間到中間過程不同的時間點，將試驗數據按時間段A～E編號，對于同一種漏氣狀態，各時間段對應的壓降與流量轉換結果的差異，可以反映出計算方法的準確程度，圓管層流法和孔板流量法的轉換公式的計算結果如表1所示。

由于上述同一個狀態的各試驗時間段測到的壓力值均屬于同一條壓降曲線，因此不同時間段壓降的試驗數據所對應的同一超壓下的漏氣量轉換計算結果應該相同，如轉換公式的計算原理接近密閉區域的壓降特性，則各時間段的轉換計算值應接近。根據表1數據，在無孔以及直徑為10 和20mm孔的狀態下，用層流法計算各階段的漏氣量的偏差小于孔板流量法，而在直徑為30，50 和80mm孔的狀態下，孔板流量法計算各階段的漏氣量偏差小于圓管層流法。

根據表1的換算結果，計算各漏孔漏氣狀態下的雷諾數，隨著密閉區泄漏孔徑的增加，漏氣量相應增加，雷諾數也相應增大，計算結果如表2所示。

表1　壓降與漏氣量的轉換結果Tab.1 Air leakage converted from pressure d rop test

表2　各漏孔狀態泄漏流動時雷諾數計算結果Tab.2 Re of the air leakage state for d ifferent hole size

可見，如密閉區域泄漏面積較小，則漏氣量較小，雷諾數小于層紊流轉換值，泄漏的流動可視為完全層流，其壓降特性的規律基本遵循指數形式。壓降和漏氣量的轉換計算選用圓管層流法，結果較為準確。當密閉區域泄漏面積較大時，則漏氣量較大，雷諾數遠大于層紊流轉捩值，其泄漏的流動可視為充分發展紊流，壓降特性的規律基本遵循二項式形式，泄漏的流動可等效為空氣通過孔板的流動，其壓降和漏氣量的轉換選用孔板法計算較為準確。

根據密閉小艙的壓降和漏氣量的試驗，由小艙的1～3個直徑為9.3 mm孔的壓降試驗曲線可知，其壓降特性基本遵循二項式形式，其漏氣量的轉換用孔板流量法計算結果比較準確。根據表3，轉換計算結果相對于測定值的誤差一般小于20%，這在工程上是允許的。

表3　孔板流量法漏氣量的轉換結果Tab.3 Converted resu ltsof the air leakage under the pore p late flow form u la

5　氣密特性研究成果的應用

密閉區域氣密特性研究成果為密閉區的氣密性檢測技術提供了理論基礎。艦船密閉區施工過程中以及完成后，需要檢查密閉區氣密性是否滿足能建立超壓和控制的要求，一般采用設計超壓條件下的漏氣量作為衡量氣密性的最終指標。由于密閉區域的泄漏點很多，絕大多數泄漏點無法判斷，而且每個泄漏點的漏氣量也非常微小，密閉區的漏氣量無法利用流量計進行直接測量。根據密閉區域氣密壓降特性和流量平衡特性的原理，可采用2種間接的方法測量漏氣量，即氣密壓降法和流量平衡法。

氣密壓降法以密閉區域的氣密壓降特性為依據，通過測試裝置向區內送入一定量的空氣，當密閉區域的超壓達到一定的值后關閉充氣口，使壓力自由衰減，同時開始氣密壓降試驗。記錄試驗起始和結束時密閉區域的超壓和測試時間，根據試驗結果，利用壓降和流量的轉換關系式計算出密閉區域在某超壓下的漏氣量。流量平衡法以密閉區域的流量平衡特性為依據，通過測試裝置向區內連續送入一定流量的空氣，同時，調節送風量，使密閉區域超壓穩定在要求值，此時，測量密閉區域的進風量，該進風量就為密閉區域在該超壓下的漏氣量。

對于能通過通風行業常用的風量測量裝置準確測量漏氣量的密閉區域，建議使用流量平衡法測量漏氣量。對于漏氣量非常小，而通過通常的流量測試裝置無法準確測得結果的密閉區域，建議使用壓降法獲得密閉區域的漏氣量。如果流量平衡法的漏氣量測試條件不具備，也可通過氣密壓降法得出。

6　結語

本文通過理論研究和試驗研究，提出了艦船密閉區域的氣密壓降特性和流量平衡特性，以及2種特性參數的轉換方法，為密閉區域的氣密性檢驗提供了技術基礎。目前，國內艦船密閉區域還處于工程應用的發展階段，關于密閉區域的氣密性技術有待進一步研究。本文研究的艦船密閉區域氣密特性，雖進行了一定的試驗驗證，并在工程中有所應用，但還需在后續的工程應用中加以檢驗或修正。

［1］孫金鏢，姚紹儉，張秀華，等.返回式衛星密封艙壓力控制系統［J］.航天醫學與醫學工程，1998，11（3）：189-193. SUN Jinbiao，YAO Shaojian，ZHANG Xiuhua，et al. Pressure control system for the hermetically sealed cabin of the recoverable satellite［J］.Space Medicine and Medical Engineering，1998，11（3）：189-193.

［2］張興娟，袁修干.高速列車車廂新型壓力控制技術研究［J］.北京航空航天大學學報，1997，23（5）：602-605. ZHANG Xingjuan，YUAN Xiugan.Research of a new-type pressure control technology on high-speed train's cabin［J］.Journalof Beijing University of Aeronautics and Astronautics，1997，23（5）：602-605.

［3］蘇曉峰，程建峰，韓增盛.高速列車氣密性研究綜述［J］.鐵道車輛，2004，42（5）：16-19. SU Xiaofeng，CHENG Jianfeng，HAN Zengsheng.Survey on research of air-tightness of high speed trains［J］. Rolling Stock，2004，42（5）：16-19.

［4］李國清，李明，郭偉，等.高速綜合檢測列車頭車氣密性評估［J］.機車電傳動，2012（3）：45-48. LIGuoqing，LIming，GUOWei，et al.Leading car air tightness assessment of high-speed inspection train ［J］.Electric Drive for Locomotive，2012（3）：45-48.

［5］付年.整車靜態氣密性試驗的分析及應用［J］.企業科技與發展，2011（19）：12-14. FU Nian.The analysis and application of the tests on the whole-car static airtightness［J］.Enterprise Science and Technology and Development，2011（19）：12-14.

［6］項陽，徐兆坤.客車車室氣密性和空調風量綜合試驗裝置設計［J］.上海工程技術大學學報，2007，21（4）：305-308. XIANG Yang，XU Zhaokun.Design of composite test device for air-tightness of automobile compartment and air volume of air conditioner［J］.Journal of Shanghai University of Engineering Science，2007，21（4）：305-308.

［7］AYDIN C，OZERDEM B.Air leakage measurement and analysis in duct systems［J］.Energy and Building，2006，38（3）：207-213.

［8］張悅，徐文華.關于生物安全試驗室壓力控制的探討［J］.潔凈與空調技術，2005（2）：24-27. ZHANG Yue，XUWenhua.Discussion on the pressure control of biosafety laboratories［J］.Contamination Control and Air-conditioning Technology，2005（2）：24-27.

［9］孔瓏.工程流體力學［M］.2版.北京：水利電力出版社，1992：71，107，181.

［10］梁國偉，蔡武昌.流體測量技術及儀表［M］.北京：機械工業出版社，2002：44.

［責任編輯：胡文莉］

Research on the airtight performance of vessel airtight areas

LI Guang Shanghai Division，China Ship Development and Design Center，Shanghai201108，China

The vessel airtight area is a large and complex specific area，in which over pressure is often required.In this paper，two types of formulas（tube laminar flow formula and pore plate flow formula）are used to derive the expression for the air pressure reduction performance.Both formulas successfully reveal the relationship between pressure and time during the air pressure reducing process，which is further validated by actual tests.Finally，this paper introduces flow equation performance，derives the relation formula for air leakage capacity and pressure，and discusses the parameter transition method for the two presented formulas.This paper presents the analytical research of the airtight performance and the transition technique of ship airtight areas，providing the technical foundation for future airtight tests.

airtight；pressure reduction performance；flow equation performance；air leakage capacity

U664.83

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.04.019

2014-09-28網絡出版時間：2015-7-29 9:24:06

國家部委基金資助項目

李光，男，1976年生，碩士，高級工程師。研究方向：艦船總體研究與設計。E-mail：sh701ly@163.com