高壓氣底吹進氣吹除主壓載水艙過程分析

羿 琦，林博群，張萬良

(中國船舶科學研究中心深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇無錫214082)

0 引 言

高壓空氣是潛艇上重要的抗沉資源，高航速下的卡舵和低航速下艙室破損進水是潛艇常見的兩類事故。當發生事故時，采用高壓空氣吹除相應主壓載水艙內的壓載水減輕重力、調整姿態并配合操舵可以使潛艇應急上浮轉危為安[1]。高壓氣吹除主壓載水艙過程的研究方法主要有試驗方法、CFD數值仿真和數理模型研究。楊晟等[2–3]進行了潛艇應急燃氣吹除系統的小比例模型原理實驗，模擬了水下100m深度時燃氣吹除的排水性能與規律以及燃氣吹除過程中的主要性能參數變化情況。劉輝等[4–5]設計了潛艇高壓氣吹除主壓載水艙小比例模型，進行不同模式下高壓氣吹除壓載水艙小比例模型原理實驗，得到了高壓氣吹除壓載水艙排水性能以及吹除過程中主要性能參數變化情況。王曉峰等[6]在壓載水艙高壓氣體吹除數理模型中考慮重力對吹除過程的影響，通過高壓氣體吹除系統模型試驗，驗證改進數理模型的可靠性。然而，實艇試驗價格昂貴、不易操作且危險系數較高；小尺度模型試驗由于尺度效應的存在對實艇操作并不具有直接指導意義；數理模型根據理論基礎和實際經驗對吹除過程進行簡化，計算精度較低；與試驗研究和數理模型研究相比，CFD仿真成本較低，且能根據研究工況邊界條件的變動及時變化，較試驗研究方法靈活，較數理模型精度要高，日益成為高壓吹除過程的主流研究方法[7]。

在開展試驗前預先對高壓氣吹除主壓載水艙過程進行CFD數值仿真可以提前獲取吹除過程的關鍵參數，對試驗裝置的設計具有指導作用。對高壓氣吹除主壓載水艙的物理模型進行簡化，根據高壓空氣進入主壓載水艙的不同方式，簡化方法主要有3種，分別為側吹，頂吹和底吹。側吹的進氣方式，高壓氣由主壓載水艙側壁進入水艙[7–8]。頂吹的進氣方式，高壓氣由主壓載水艙頂部進入水艙[9–10]。底吹進氣方式高壓氣由主壓載水艙底部進入水艙，這種進氣方式在潛艇低壓氣吹除上有應用，為最接近真實吹除情況的模型簡化。

目前，側吹進氣吹除和頂吹進氣吹除的研究已十分廣泛且深入，而針對高壓氣底吹進氣吹除主壓載水艙的過程還鮮有研究，且研究多側重主壓載水艙在吹除過程中相關特性參數的變化，忽視了高壓吹除管路特性參數隨時間的變化，而高壓吹除管路特性參數是管路閥門、儀表選型的重要依據。本文采用直接求解流動控制方程的CFD方法研究底吹進氣高壓吹除過程，獲取吹除過程關鍵參數，著重分析通海孔面積、氣源壓力對吹除過程的影響，并對吹除過程中管路特性參數進行研究。

1 物理模型和數學描述

1.1 物理模型

底吹進氣簡化后的物理模型及網格如圖1所示。為了在仿真計算中考慮通海孔出口射流收縮對排水速率的影響，在通?？壮隹谕庠偌右欢魏Ｋ饔颍Q為艙外海域。本文主要研究底吹進氣過程通?？酌娣e（A）和氣源壓力（P）對吹除過程的影響，6種計算工況參數如表1所示，其中，工況1、工況2、工況3設置2個DN90的通海孔，工況4、工況5、工況6設置4個DN90的通海孔。

圖1 底吹進氣物理模型及網格Fig.1 Physical model and grid of bottom blowing

表1 底吹進氣計算工況參數Tab.1 Calculated operating parameters of bottom blowing

1.2 邊界條件和求解設置

高壓空氣瓶、主壓載水艙、管路、艙外海域圓柱面的邊界設置為壁面邊界（wall），通海孔的邊界設置為內部邊界（interior），艙外海域底部設置為壓力出口邊界（pressure-outlet）。求解采用瞬態的壓力基求解器，求解算法采用PISO算法，考慮重力的影響，設置重力的大小和方向，并設置操作密度為0。為獲得清晰的氣液分界面，使用顯式VOF模型，并設置Volume Fraction的空間離散格式為Geo-Reconstruct格式。

2 計算結果分析

2.1 主壓載水艙中的氣體體積分數（αv）

當主壓載水艙中的氣體體積分數大于99.5%時，認為吹除完成。水艙中氣體體積分數隨時間的變化曲線如圖2所示。由圖可見，通?？酌娣e越大，氣源壓力越高，吹除用時越短。

圖3為工況6吹除過程中Z=0中截面處氣相分布云圖?？梢钥闯?，底吹進氣高壓氣出流方向與通海孔水流方向相反，高壓氣由通?？仔孤┹^少，高壓氣在出流的同時膨脹上浮，將壓載水排出主壓載水艙。

圖3 吹除過程氣液相體積分布，A=0.0255m2，P=18MPaFig.3 Air-liquid volume distribution in the blowing process,A=0.0255m2,P=18MPa

2.2 氣瓶內的壓力變化

圖4 氣瓶內壓力隨時間的變化Fig.4 Changes of pressure in air bottle with time

圖5 吹除50%和99.5%壓載水的高壓氣消耗Fig.5 High pressure air consumption for blowing50%and99.5%ballast water

圖4 為瓶內氣體壓力隨時間的變化曲線。當氣源壓力相同時，瓶內氣體壓力變化曲線基本重合，與通海孔面積關系不大。圖5為吹除50%壓載水和吹除99.5%壓載水的高壓氣耗氣質量?？梢钥闯觯焊邏簹夂臍饬侩S氣源壓力的增加而增加；通海孔面積增加，高壓氣耗氣量略有下降，通?？酌娣e增大2倍，吹除艙內99.5%壓載水高壓氣消耗量工況4減小1.35kg；工況5減小2.74kg；工況6減小6.48kg。通海孔面積增加有效減小了吹除過程中高壓氣的消耗，且氣源壓力越大，減小效果越明顯。

2.3 通海孔質量流量

表2為通?？踪|量流量特性參數。隨氣源壓力增加，流經通?？椎暮Ｋ畲筚|量流量（mmax）和時均質量流量（mavg）均增加。對比工況1和工況4，工況2和工況5，工況3和工況6發現，同一氣源壓力下，通海孔面積增加2倍，流經通?？椎馁|量流量僅稍有增加，流量特性與通海孔面積并不是簡單的線性關系。而且單孔的流通能力隨通海孔總面積的增加而大幅度減小。

表2 通?？踪|量流量特性參數Tab.2 Mass flow characteristic parameters of sea opening

2.4 主壓載水艙中的平均壓力

吹除過程中，主壓載水艙內的壓力空間分布比較均勻，氣相的壓力略高于液相，圖6為主壓載水艙中平均壓力隨時間的變化曲線。在高壓氣由吹除管路剛進入主壓載水艙時，水艙內的壓力急劇上升，氣源初始壓力越大，壓力的上升越明顯。而通?？酌娣e的增加可以有效減小主壓載水艙內的壓升，吹除過程中水艙內的最大壓力（Pmax）和時均壓力（Pavg）均有所減小，通?？酌娣e增大2倍，工況4、工況5、工況6主壓載水艙內的最大壓升分別減小0.01MPa，0.10MPa和0.15MPa，氣源壓力越大，通?？酌娣e增加對主壓載水艙內的壓升降低越明顯，如表3所示。

圖6 主壓載水艙平均壓力隨時間變化曲線Fig.6 Average pressure of main ballast tank with time

表3 主壓載水艙壓力特性參數Tab.3 Pressure characteristic parameters of main ballast tank

2.5 高壓吹除管路特性參數

高壓吹除管路特性參數如表4所示。高壓吹除管路速度特性參數隨氣源壓力增加而增加，隨通?？酌娣e的增大而增大。工況2、工況3、工況5、工況6管路出口最大速度均超過1Ma，出口時均速度也在1Ma以上。隨氣源壓力增加，管路入口段溫降減小、出口段溫降增加，管路時均溫降也有所減小。入口段溫降減小是由于吹除時間減少，低溫還未從出口段傳遞到入口段；出口段溫降增加是由于高壓氣膨脹隨氣源壓力的增加而更加劇烈。在同一氣源壓力下，通?？酌娣e增加也可使入口段溫降減小。吹除過程中，由于管路出口段的溫降明顯大于管路入口段，應將不耐低溫的閥門和儀表布置在管路入口段附近，且采用大壓力氣源吹除，增大通?？椎拿娣e可減小入口段溫降，降低溫度對閥門、儀表的影響。

表4 高壓吹除管路特性參數Tab.4 Characteristic parameters of high pressure blowing off pipe

3 結 語

本文針對高壓氣吹除主壓載水艙過程，研究高壓氣底吹進氣時主壓載水艙的排水性能以及吹除過程中主要性能參數變化。研究結果表明：

1）通?？酌娣e越大，氣源壓力越高，吹除用時越短。通?？酌娣e的增加可以有效減少吹除過程中高壓氣的消耗，且氣源壓力越大，減小效果越明顯。

2）在高壓氣剛進入主壓載水艙時艙內壓力急劇上升，通海孔面積的增加可以有效減小主壓載水艙內的壓升，降低對主壓載水艙的承壓要求。

3）吹除管路內的氣流速度隨氣源壓力增加而增加，隨通?？酌娣e的增大而增大，氣流速度在管路出口加速到最大。吹除過程中，由于管路出口段的溫降明顯大于管路入口段，應將不耐低溫的閥門和儀表布置在管路入口段附近。