取氣位置對(duì)艦船甲板升溫效果影響的實(shí)驗(yàn)研究

解從偉，遲 衛(wèi)，金良安，安中昌

(海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧 大連116018)

對(duì)于艦船甲板上方的氣體，其大部分氣流下沉?xí)r因有艦船甲板的阻隔而無法再到達(dá)海面，于是不斷地在甲板表面積聚，進(jìn)而也就無法與海水發(fā)生后續(xù)的海氣耦合作用，進(jìn)行熱量交換［1-2］。在寒冷海區(qū)，隨著冷氣流的不斷積聚，艦船甲板表面溫度會(huì)隨之不斷降低，當(dāng)降至冰點(diǎn)以下時(shí)，艦船甲板就十分容易結(jié)冰，從而帶來諸多不便和危險(xiǎn)［3］。然而當(dāng)前艦船甲板的除冰技術(shù)相對(duì)落后，為此，本文提出了基于艦船周圍氣流牽引式循環(huán)的甲板升溫技術(shù)。

鑒于氣流牽引式循環(huán)升溫技術(shù)受氣體牽引設(shè)備的取氣位置、吹氣位置等多種因素影響，前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明取氣位置相對(duì)吹氣位置，其對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響更為明顯，因此，本文將就取氣位置對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果存在的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析取氣位置對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響情況。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

艦船甲板氣流牽引式循環(huán)升溫的技術(shù)是利用專用氣體牽引設(shè)備，對(duì)積聚于艦船甲板平臺(tái)區(qū)域內(nèi)的溫度較低氣體和近海面表層的溫度較高氣體進(jìn)行人工牽引，使兩者在艦體周圍形成微環(huán)流，進(jìn)而使溫度較低氣體不再在艦船甲板平臺(tái)區(qū)域積聚，能夠自動(dòng)回落到海面;與此同時(shí)，作上升運(yùn)動(dòng)的近海面表層的溫度較高氣體，將被牽引回填到甲板平臺(tái)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)該區(qū)域升溫的目的。

該技術(shù)的核心內(nèi)容，是通過人工牽引的方法使得被艦船甲板阻隔的海面氣體對(duì)流運(yùn)動(dòng)得以恢復(fù)，其原理見圖1。

圖1 艦船甲板平臺(tái)區(qū)域升溫防凍原理示意

其實(shí)現(xiàn)方法是:啟動(dòng)氣體牽引設(shè)備1，將取氣口1a從甲板平臺(tái)區(qū)域或海面到甲板平臺(tái)區(qū)域間取到的氣體，經(jīng)出氣口1b送到甲板平臺(tái)區(qū)域，以擾動(dòng)該區(qū)域原有的氣體平衡，驅(qū)散在該區(qū)域積聚的溫度較低氣體4a，使其降落至海面，從而在船體周圍形成新的氣流微循環(huán)，即艦船微環(huán)境氣流牽引式循環(huán)。由于溫度較低氣體4a回落到海面，使甲板平臺(tái)區(qū)域表面壓強(qiáng)降低，因此，作上升運(yùn)動(dòng)的溫度較高氣體4b會(huì)自動(dòng)填到該區(qū)域，使該區(qū)域的溫度明顯上升，從而達(dá)到對(duì)該區(qū)域進(jìn)行升溫、防凍和除冰等目的。

根據(jù)上述氣流牽引式循環(huán)的升溫原理，針對(duì)不同的取氣位置進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，即可考察取氣位置對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的具體影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)升溫原理，特設(shè)計(jì)制作了一套封閉式的原理性驗(yàn)證模擬實(shí)驗(yàn)裝置，見圖2，該實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)區(qū)域和溫度指示區(qū)域兩大部分組成。

圖2 甲板平臺(tái)區(qū)域升溫的實(shí)驗(yàn)原理示意

1)實(shí)驗(yàn)區(qū)域主要包括水池(長(zhǎng)1.2 m、寬1.0 m、高1.5 m)和模擬的甲板、氣體牽引設(shè)備以及擋板、三支溫度傳感器、控溫冰塊等。該部分可模擬寒冷海區(qū)艦船甲板平臺(tái)區(qū)域溫度的變化;實(shí)驗(yàn)中水池用以模擬艦船所在的海上環(huán)境;氣體牽引設(shè)備的主要功能是驅(qū)散模擬甲板表面的低溫氣體，使其從模擬甲板表面回落到水面;擋板的作用是調(diào)節(jié)模擬甲板表面的面積，以在深入研究時(shí)考察甲板面積大小對(duì)升溫效果的影響;溫度傳感器用來測(cè)量模擬甲板表面的溫度和水溫;控溫冰塊的作用是使模擬甲板表面上方形成低溫環(huán)境，以模擬艦船甲板平臺(tái)區(qū)域上方的氣體環(huán)境。

2)溫度指示區(qū)域主要由溫度顯示器和溫度顯示器固定裝置等組成。該區(qū)域主要是顯示模擬甲板表面的溫度和水溫，以通過記錄和分析溫度顯示器的讀數(shù)來研究取氣位置對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響情況。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

選擇三種不同取氣位置，啟動(dòng)氣體牽引設(shè)備后，記錄不同時(shí)刻下甲板表面溫度的數(shù)據(jù)，進(jìn)而考察分析其升溫情況。實(shí)驗(yàn)中，模擬甲板長(zhǎng)26 cm、寬為22 cm，水深約為37 cm，模擬甲板與水面間的距離約為33 cm，模擬甲板表面初始溫度穩(wěn)定在0.8～0.9℃，水溫穩(wěn)定在6.3～6.4℃，牽引氣體流速約為6 m/s。

實(shí)驗(yàn)的具體步驟如下。

1)把氣體牽引設(shè)備固定在模擬甲板表面，并把三支溫度傳感器布置在指定位置(見圖3)，①距離擋板6 cm;②距離擋板20 cm;③位于水中。

2)將氣體牽引設(shè)備的吹氣口S布置于離模擬甲板端點(diǎn)(L)12 cm處，取氣口P1、P2和P3離甲板表面1、8和15 cm處，位置示意見圖3。

圖3 溫度傳感器、取氣口、吹氣口位置分布圖

3)打開電源，等溫度顯示器的讀數(shù)穩(wěn)定之后，記錄此時(shí)顯示器的讀數(shù);

4)不啟動(dòng)氣體牽引設(shè)備，每隔2 min記錄顯示器的讀數(shù);

5)約25 min后，啟動(dòng)氣體牽引設(shè)備，每相隔2 min記錄顯示器的讀數(shù)，直至模擬甲板表面溫度不再明顯變化為止。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)得取氣位置離甲板表面1、8、15 cm時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見表1～3。其中θ1、θ2分別為圖3中模擬甲板表面?zhèn)鞲衅鳍?、②處的溫度，初始溫差是指水溫減去初始時(shí)刻甲板表面溫度所得的差。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡可能精確，特將模擬甲板表面①、②處的兩個(gè)溫度取平均值作為甲板表面平均溫度，即(θ1+θ2)/2。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了更直觀地描述取氣位置對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響，特將甲板表面t時(shí)刻的溫度減去初始時(shí)刻的溫度所得的差定義為甲板表面的升溫幅度。由此，結(jié)合表1～3數(shù)據(jù)得出不同取氣位置時(shí)甲板表面不同時(shí)刻的升溫幅度曲線(見圖4)，其中，升溫幅度1、升溫幅度2和升溫幅度3表示取氣位置離甲板表面1、8、15 cm時(shí)甲板表面的升溫幅度。

表1 取氣位置離甲板表面1 cm時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 取氣位置離甲板表面8 cm時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 取氣位置離甲板表面15 cm時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 甲板表面不同時(shí)刻的升溫幅度曲線

由圖4可知，取氣位置離甲板表面分別為1、8、15 cm時(shí)甲板表面升溫的總幅度約為1.1、1.7和2.3℃?？梢?，取氣位置會(huì)明顯影響甲板平臺(tái)區(qū)域的升溫效果，取氣位置離甲板表面越遠(yuǎn)，甲板平臺(tái)區(qū)域的升溫效果就越明顯;隨著時(shí)間的變化，甲板表面溫度不斷升高;初始時(shí)其表面溫度升高快，達(dá)到一定程度后不再升高。而且，從時(shí)間上看，大約12 min后甲板表面升溫幅度不再明顯，也就是說大約前12 min是升溫的主效時(shí)段，之后的時(shí)段對(duì)甲板表面升溫的貢獻(xiàn)不再明顯。因此，在實(shí)際工作中，可按其主效時(shí)段來啟動(dòng)運(yùn)行氣體牽引設(shè)備，當(dāng)甲板表面達(dá)到一定溫度后即可間歇性停機(jī)，這樣既能使甲板表面溫度的升高又能大大降低能量的損耗。

3 結(jié)論

取氣位置對(duì)甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響。結(jié)果表明取氣位置離甲板表面越遠(yuǎn)，甲板平臺(tái)區(qū)域的升溫幅度就越大，其升溫效果也就越好。這可為氣流牽引式循環(huán)升溫技術(shù)的深入研究提供必要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。有關(guān)氣體牽引設(shè)備的吹氣位置、牽引氣體流量以及水溫等影響甲板表面溫度的具體規(guī)律等內(nèi)容，有待于后續(xù)進(jìn)一步深入研究。

［1］劉大剛，張永寧.航海氣象學(xué)與海洋學(xué)［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，2011.

［2］陳魯愚，陳順懷，嚴(yán)新平.大型遠(yuǎn)洋風(fēng)帆助航船舶節(jié)能效率分析［J］.船海工程，2010，39(6):121-123.

［3］張 軍.軍事氣象學(xué)［M］.北京:氣象出版社，2011.