艙室超壓建立的物理模型分析

喻俊峰，楊海燕

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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艙室超壓建立的物理模型分析

喻俊峰，楊海燕

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

摘要：通過研究建立船用艙室超壓的原理，推導艙室增加的空氣質量的計算公式，分析兩種艙室空氣輸入形式和空氣泄露形式，得到節流閥開口面積與超壓目標的特性關系，指出通風機的選型原則和縮短超壓建立時間的方式。

關鍵詞：艙室超壓；輸入形式；泄露形式

為保證某些特殊的船用作業環境安全，需要在艙室內建立比外界大氣壓高的超壓環境。建立超壓的前提艙室結構具有氣密性，方法是使用離心風機將過濾后的潔凈空氣持續鼓入艙室，通過調整安裝在艙室周界上的節流閥件的開口大小，控制對外空氣泄放量。在輸入條件不變的情況下，當節流閥開口穩定，艙室對外超壓能夠穩定在某數值(如0～1 000 Pa)，此時系統處于穩態，流入艙室的空氣質量流量qmx與艙室流出的空氣質量流量qmy相同。節流閥件的開口大小決定不同程度的超壓。

艙室建立超壓的原理見圖1。

圖1　艙室超壓建立原理

圖中，大氣環境的靜壓p0，溫度T0可以視為常量。

當系統開始工作時，離心風機往艙室鼓入新風，風量為qmx，此時qmx>qmy,艙室超壓開始上升;

當系統穩定后，艙室超壓可維持在某一設定值附近，此時離心風機鼓入風量和泄露至大氣的風量相等，即qmx=qmy。

1艙室超壓方程

由于艙室內的空氣絕對壓力相比艙外大氣壓力高0～1 000 Pa，此壓力差相對于101 325 Pa的標準大氣壓較小，接近于常溫常壓，可以視為理想氣體。根據理想氣體狀態方程

(1)

式中：p,V,T,m——分別為氣體的壓力、體積、溫度及質量；

M,R——分別為空氣摩爾質量和氣體常數。

(2)

在超壓建立之初，標記艙室內的空氣壓力、溫度、密度為p1,T1,ρ1，此時艙內的空氣壓力、溫度與大氣環境狀態一致，即p1=p0,T1=T0。

超壓穩定后，進入艙室的空氣流量與排出艙室的空氣流量相同，艙室內的空氣質量為平衡狀態，標記此時艙室內的空氣狀態為p2,T2,ρ2，則有

(3)

式中：Δp——艙室對外超壓值，p2=p1+Δp。

則有

(4)

實際情況下，鼓入艙室的為空調風，其溫度可受控，超壓形成前后艙內溫度幾乎沒有變化，T2≈T1，可視為等溫變化過程。可見形成艙室壓力變化的主要原因是艙室總的空氣質量的變化。艙室內增加的總空氣質量計算方程為：

(5)

若將穩壓建立的時間記為Δt，則Δm應當是此時間內(qmx-qmy)的積分：

(6)

2艙室空氣輸入模型

2.1定流量系統

定流量系統一般配置有流量傳感器和流量調節閥，流量調節閥根據流量傳感器進行自動調節風機流量，在系統工作的全過程中，能夠將通風機輸出的流量穩定在某一固定數值附近，具體數值根據任務特性確定。在定流量系統中，qmx為常量。

2.2變流量系統

此系統不配置任何流量調節設備，通風機全程保持額定轉速，在建壓過程中，根據通風機壓力與流量特性曲線，流量下降，全壓上升。在超壓穩定后，流量與全壓同樣保持穩定。

根據通風管道阻力損失特性曲線方程[1]：

(7)

式中：H——通風管壓力損失；

qmx——風量；

K——常數(當通風管確定后，K基本上是常數)。

在系統達到穩態后，通風機的工作點應為管道阻力損失特性曲線與通風機性能曲線的交點，見圖2。

圖2　通風機與管道的性能關系

由于通風機通電后，電機由靜態達到額定轉速的時間很短，忽略此時間內通風機流量的變化，假設本系統開始工作時通風機即在最大流量開始工作。對于固定型號的風機，其流量與全壓的特性曲線是確定的，以某公司生產的CLQ系列風機為例，流量與全壓的關系可用二次多項式擬合，即

(8)

式中：A，B，C——系數，與具體的風機型號和性能曲線相關。

若忽略超壓艙室的泄露量，將視為送風管道的一部分，由于其空間足夠大，管道風速幾乎為0，動壓也幾乎為0，系統穩定時通風機的全壓H即等于超壓艙室的靜壓Δp。

3艙室空氣泄露模型

艙室空氣的泄露由2部分組成：通過節流閥件的泄放量qmy1；艙室船體結構的泄露量qmy2，即有

(9)

在流體力學中，可以將節流閥件抽象成為一種節流小孔來計算[2]，然后作修正。節流閥件的前后壓差即為艙室超壓Δp，艙室內空氣初始速度為0，空氣經過節流閥件處于紊流狀態，根據伯努利方程有

(10)

式中：ρ——節流閥件出口空氣密度；

ν——節流閥件出口空氣速度；

ξ1——節流閥件的阻尼系數。

設節流孔出口截面積為S1，得到

(11)

泄放口壓力與流量的關系同樣符合圖2描述的管道性能曲線。

對于艙室結構的泄露，在泄露口空氣流速緩慢，流道斷面細小而復雜，其流動狀態處于紊流和層流之間，流量qmy2可表述為

(12)

式中：k——流動系數，介于0.5和1.0之間；

ξ2——泄露口的阻尼系數；

S2——當量孔口面積。

綜合式(6)～(8)得到：

(13)

4節流閥開口面積

超壓艙室建造時，設計師對艙室結構泄露量有嚴格的要求。系統工作時，大部分的空氣從節流閥泄放，結構泄露量所占比重較小，qmy1/qmy≈1，則有

(14)

超壓穩定時qmx=qmy，H=Δp。

對于定流量系統，qmx=常量；對于變流量系統，qmx應當是在風機曲線上與H=Δp時對應的流量。結合式(8)和式(14)對節流面積進行求解計算得到S1[3]。

在相同的系統的中，不同的節流閥開口對應著不同的節流面積S1，決定著不同的Δp。Δp與S1的特性關系見圖3。

圖3　艙室超壓Δp與節流面積S1的關系

由圖3可見，在其他條件相同的情況下，節流面積S1決定著最終的艙室超壓Δp。節流面積S1越大，艙室超壓Δp越小，艙室超壓Δp的導數也越小。節流面積S1越小，艙室超壓Δp越大，艙室超壓Δp的導數也越大。實際情況下，為了便于調節艙室超壓，一般節流閥的開口應當適中，開口過大或過小時都不便于調節[4]。

5通風機送風量

根據式(6)和式(11)，有

(15)

在Δt時刻

(16)

當節流閥泄放出口參數相同時，qmx越大，建立的壓差Δp越大。由于送風管道和流量調節閥存在一定的壓力損失，通風機額定全壓應當大于艙室超壓，且流量應滿足超壓艙室人員生活和工作的需求。同時考慮艙室接口泄露量和通風機性能，額定風量應大于式(16)理論計算量[5]。

6超壓建立時間

根據式(5)，當艙室超壓Δp和艙室容積V確定時，超壓艙室需要增加的總的空氣質量Δm是確定的，超壓建立的時間取決于超壓艙室空氣質量增長的速度[6]。

對于定流量系統，在超壓建立過程中，qmx是固定值，qmy是變化值，綜合式(6)和式(11)，有

在Δt時刻，Δp(Δt)=Δp。

對于變流量系統，在超壓建立過程中，qmx和qmy都是變化值，有

(18)

變流量系統在建壓過程中，送風流量變小，全壓變大直至穩定狀態，達到穩態前，變流量系統流量值大于定流量系統，其建壓的時間也較小。

為盡量縮短超壓建立的時間，空氣泄露量qmy應盡可能小，一般的處理辦法是將節流閥做成可調式，使節流面積S1可變化，在建壓過程中，使節流面積S1由0調至穩態面積。節流閥為開環控制時，節流面積S1的變化規律需由實際情況根據試驗確定；節流閥為閉環控制時，還要注意將系統最大超調量和振蕩幅度控制在合理范圍內。

7結論

艙室超壓建立的超壓值Δp，達到穩態的建壓時間Δt都是本系統工作的重要指標。根據這些指標可以對通風機選型，對節流閥的開口面積S1進行估算。實際系統中，由于存在送風管道壓力損失和結構泄露，加之系統控制需要一定的裕度，應當對估算結果進行適當的修訂。

參考文獻

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Analysis On Physical Model of Establishing Overpressure in Deckhouse

YU Jun-feng，YANG Hai-yan

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:Based on the theory of establishing overpressure in deckhouse is introduced, the formula to calculate the added air's mass is deduced. The two forms of air's input and leakage are analyzed to find out the relationship between leakage area and overpressure objective. The principle of selecting ventilator and the method to reducing the time of establishing overpressure are indicated.

Key words:overpressure in deckhouse; input mode; leakage mode

中圖分類號：U663.8

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0109-04

第一作者簡介：喻俊峰(1985-)，男，碩士，工程師。E-mail:junfory@qq.com

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.028

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶輔助系統