劉輝，浦金云，李其修，吳向君

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

潛艇的應急挽回手段主要包括車、舵、高壓氣吹除壓載水艙、拋棄可棄壓載物和浮力調(diào)整水艙調(diào)水進行均衡等，其中車舵是潛艇正常機動時的操縱手段［1-2］，而當潛艇在水下較高航速發(fā)生尾卡大下潛舵角、潛艇艙室通海管路破損進水以及耐壓艙室破損進水等重大險情事故時，在現(xiàn)有的應急操縱技術條件下，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?jié)撏细≈了妫?］.

通過對高壓氣吹除主壓載水艙的過程進行分析，在推導并建立了高壓氣吹除主壓載水艙數(shù)理模型基礎上，為了更好地研究潛艇高壓氣吹除主壓載水艙系統(tǒng)的吹除規(guī)律，分析高壓氣吹除的效率和影響高壓氣吹除能力的因素，并驗證建立的高壓氣吹除主壓載水艙數(shù)理模型和數(shù)值仿真結果，本文通過設計潛艇高壓氣吹除主壓載水艙系統(tǒng)的小比例模型進行原理實驗，分析高壓氣吹除主壓載水艙過程中主要性能參數(shù)的變化情況以及影響高壓氣吹除效率的各種影響因素.

1 潛艇高壓氣吹除主壓載水艙數(shù)理模型

1.1 高壓氣在吹除過程中釋放的流量

當高壓氣吹除主壓載水艙時，高壓氣直接流經(jīng)管道進入壓載水艙，可不考慮管路的摩擦和壓降.拉瓦爾噴管即先縮后放的縮放噴管，可以使氣流從亞聲速加速到超聲速，因此可將高壓氣從高壓氣瓶流經(jīng)高壓管道流向壓載水艙的流動模擬為拉瓦爾(Laval)噴管［4］.設:PF、TF、ρF分別表示高壓氣瓶中氣體壓力、溫度和密度;PB、TB分別表示壓載水艙中氣體壓力和溫度;c為高壓氣流動速度;P1為氣瓶噴嘴截面處壓力;˙mF為高壓氣流量;At為噴嘴的噴口面積;Ct為閥流量系數(shù)(0≤Ct≤1)，k為等熵常數(shù)，取k=1.4;R為氣體常數(shù)287.1J/(kg·K).經(jīng)過推導得:

考慮流量限制閥因素Ct=A/At，則

1.2 高壓氣吹除主壓載水艙排水模型

將吹入到壓載水艙中的高壓氣作為研究對象，此研究對象是一個變能量、變質(zhì)量的熱力系統(tǒng)，在建立高壓氣吹除排水模型時作出以下基本假設［5-6］:

1)進入壓載水艙的高壓氣與海水瞬時完成質(zhì)量和能量的交換，將吹除過程按時間劃分為若干個均勻的時間計算點，并且將每個計算時間步長內(nèi)的氣體狀態(tài)變化看作準靜態(tài)過程;

2)不考慮壓載水艙內(nèi)氣液兩相的混合流動過程，假設壓載水艙中高壓氣和海水具有水平的氣液分界面;

3)高壓氣吹入壓載水艙過程中由于高壓氣吹除系統(tǒng)吸收和高壓氣與海水之間熱傳遞的能量損失，用能量損失系數(shù)考慮，并且在高壓氣吹除主壓載水艙整個過程中是一個常數(shù).

隨著高壓氣進入壓載水艙，壓載水艙中氣體壓力高于壓載水艙外的環(huán)境壓力，從而使壓載水艙中的水排出，壓載水艙中排水的速度隨壓載水艙內(nèi)壓力變化而變化，壓載水艙的排水量計算可以根據(jù)等量體積法計算，該方法依據(jù)壓載水艙中氣體體積之和等于高壓氣吹除壓載水艙的排水體積，由于壓載水艙在吹除過程中與外界海水相通，則壓載水艙的壓力為

式中:Phi為各壓載水艙外環(huán)境壓力;Pat為大氣壓力;z0為潛艇潛深;隨吹除過程中隨潛艇實時狀態(tài)變化而變化;xBi為壓載水艙中心縱向坐標，θ為潛艇瞬時縱傾角，d為潛艇殼體直徑.VT為吹除壓載水艙總體積;VTi為單個壓載水艙體積;VB為壓載水艙總的氣體體積;VBi為單個壓載水艙的氣體體積;VB0為壓載水艙初始氣體容積，Buoy為壓載水艙總的排水量.

2 實驗系統(tǒng)模型設計

潛艇高壓氣吹除主壓載水艙系統(tǒng)小比例模型由高壓氣瓶、壓載水艙、高壓管道以及閥件、測量裝置等組成.為了確切地研究高壓氣的吹除效果，將實驗壓載水艙置于實驗水池中，利用實驗壓載水艙的吃水形成壓載水艙排水孔的背壓［7-8］.為了保證實驗壓載水艙在高壓氣吹除過程中的穩(wěn)定性，在壓載水艙兩側(cè)分別附加一個艙室用于壓載來提高實驗艙的穩(wěn)度［9］，具體設計如圖1所示，壓載水艙底面中心為坐標系原點O.

圖1 實驗艙總體設計Fig.1 The general design chart of experimental compartment

實驗艙主尺度為:長 L=1.1 m，寬 B=0.3 m，高H=0.8 m，共分3個艙，包括一個吹除壓載水艙和2個附加艙.中部的壓載水艙在距實驗艙底部0.7 m處設置一甲板進行分割，目的是使吹除實驗開始時壓載水艙能注滿水，并給實驗艙足夠的儲備浮力，防止實驗艙在壓載水艙注水或吹除過程中傾覆.為了保證壓載水艙在吹除實驗開始之前注滿水，設計實驗艙在吹除實驗開始時吃水T≥0.7 m.

3 實驗結果與分析

通過設定不同的高壓氣瓶氣體壓力初始條件，利用不同的實驗模式，設定不同的排水孔大小(圓形排水孔直徑分別為3 cm和4 cm)，進行高壓氣吹除壓載水艙實驗，驗證高壓氣吹除主壓載水艙排水模型以及吹除壓載水艙排水過程中的氣液流動規(guī)律，并分析排水孔大小對高壓氣吹除效果的影響以及影響高壓氣吹除效率的因素.

3.1 實驗結果與模型計算結果對比

實驗過程中壓力氣瓶的壓力變化范圍為1～5 MPa，表1和表2分別給出了排水孔直徑分別為30 mm和40 mm時不同工況下的實驗結果;圖2和圖3分別給出了氣瓶初始壓力為3 MPa和2 MPa，排水孔直徑為30 cm和40 cm時壓載水艙排水量、實驗艙吃水、實驗艙縱傾、高壓氣流量、氣瓶出口壓力以及壓載水艙壓力的實時變化曲線.

表1 不同初始工況下的實驗結果(排水孔直徑30 mm)Table 1 The experimental results of different initial conditions(drainage hole diameter 30 mm)

表2 不同初始工況下的實驗結果(排水孔直徑40 mm)Table 2 The experimental results of different initial conditions(drainage hole diameter 40 mm)

3.2 實驗結果分析

從表1和表2中實驗結果以及圖2和圖3中的測量數(shù)據(jù)可以看出，實驗測量結果與理論模型計算結果比較接近，誤差較小.除此之外，實驗過程中還有以下現(xiàn)象:

1)高壓氣吹除壓載水艙過程中，壓載水艙水未被排盡時高壓氣則出現(xiàn)溢出，并且氣瓶初始壓力越高，高壓氣溢出出現(xiàn)時間越早，溢出時的剩余水量越多.如排水孔直徑為30 mm，當氣瓶初始壓力為2 MPa時，吹除28.3 s高壓氣出現(xiàn)溢出，溢出時壓載水艙剩余水量約0.005 m3;當氣瓶初始壓力為5 MPa時，吹除11.6 s高壓氣就出現(xiàn)溢出，溢出剩余水量約為0.02 m3.分析原因是由于氣瓶初始壓力越高，高壓氣吹除率越大，壓載水艙排水速度越快，由于壓載水艙內(nèi)氣體壓力過大，壓載水艙內(nèi)剩余一定水量后高壓氣從排水孔處流出艙外.

2)高壓氣吹除過程中，實驗艙并不是正直無縱傾上浮，吹除過程中實驗艙出現(xiàn)縱搖和橫搖運動，并且隨著氣瓶初始壓力越高，出現(xiàn)縱搖和橫搖運動幅度越大.如排水孔直徑為30 mm，當氣瓶初始壓力為2 MPa時，實驗艙的最大縱傾達4.68°;當氣瓶初始壓力為5 MPa時，實驗艙的最大縱傾達9.05°.出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是由于吹除過程中壓載水艙內(nèi)出現(xiàn)不穩(wěn)定的自由液面，氣瓶壓力越高，高壓氣流入壓載水艙的速度越快，氣液摻雜混合越強烈，實驗艙出現(xiàn)橫搖和縱搖運動幅度越大.

3)氣瓶初始吹除條件相同時，排水孔越大，壓載水艙排水速度越快，出現(xiàn)縱搖和橫搖幅度越大.如氣瓶壓力為3 MPa，排水孔直徑為30 mm時，排完壓載水艙內(nèi)的水需要21.6 s，實驗艙的最大縱傾為5.94°;而排水孔直徑為40 mm時，排完壓載水艙內(nèi)的水需要16.7 s，實驗艙的最大縱傾為7.29°.

4)實驗測量結果可知，氣瓶初始壓力相同，流量限制閥的開口不同，高壓氣的吹除率不同，壓載水艙排水速度也不同.流量限制閥開口越大，高壓氣流量越大，壓載水艙排水速度越慢.如表1中，氣瓶壓力為2 MPa，流量閥開口比例為1時，高壓氣溢出需要28.3 s，而氣瓶壓力為2 MPa，流量閥開口比例為3/4時，高壓氣溢出則需要38 s.

5)從實驗測量結果中實驗艙的縱傾可以看出，在壓載水艙吹除開始階段，實驗艙縱搖幅度迅速增大，吹除一段時間后，實驗艙縱搖幅度趨于平緩，當吹除后期高壓氣溢出后出現(xiàn)大量氣泡，實驗艙出現(xiàn)劇烈縱搖運動.實驗艙出現(xiàn)縱搖和橫搖運動歸根結底是由于壓載水艙中自由液面引起的，對比實驗結果和CFD仿真結果，實驗和仿真出現(xiàn)的現(xiàn)象基本一致.

6)從實驗測量結果中壓載水艙壓力可以看出，吹除初始階段由于高壓氣的快速流入，壓載水艙中的壓力迅速升高，出現(xiàn)一個壓力峰值，隨著壓載水艙不斷排水，壓載水艙的壓力緩慢下降，高壓氣出現(xiàn)溢出后壓載水艙內(nèi)壓力迅速下降，并且高壓氣吹除率越大，壓載水艙中壓力越高.

圖2 壓力為3 M Pa閥開口比例為1時的實驗測量結果Fig.2 The results of cylinder when pressure 3 MPa and valve opening percentage is 1

圖3 壓力為2 MPa閥開口比例為3/4時實驗測量結果Fig.3 The results of cylinder pressure 2 MPa and valve opening percentage is 3/4

圖4 高壓氣吹除壓載水艙過程中實驗艙的狀態(tài)變化過程Fig.4 The state change of experimental tank during gas blow ing ballast tank

4 結論

針對潛艇高壓氣吹除主壓載系統(tǒng)特點，論文在建立高壓氣吹除主壓載水艙系統(tǒng)數(shù)理模型的基礎上，設計了小比例高壓氣吹除裝置和壓載水艙排水實驗裝置，通過小比例實驗裝置模擬了高壓氣吹除過程，將實驗結果與相同參數(shù)條件下的數(shù)理模型的計算結果進行比較分析，驗證建立數(shù)理模型的準確性.從比較結果可以看出，數(shù)理模型的計算結果與實驗結果基本吻合，表明通過熱力學方法建立數(shù)理模型中部分假設和簡化是合理的，能對壓載水艙吹除過程進行正確表述.

1)通過實驗測量結果和數(shù)據(jù)可知，高壓氣吹除壓載水艙排水過程中，除用于排水做功外，還有其它能量損失，如壓載水艙中高壓氣與水摻混、傳熱，壓載水艙艙壁吸收等，因此通過實驗測量進行不同初始條件的實際排水量，壓載水艙氣體壓力等參數(shù)帶入建立的高壓氣吹除排水數(shù)理模型中進行迭代推導，修正模型中的損失系數(shù)和流量系數(shù)，對數(shù)理模型進行逐步擬合修正.

2)從不同條件下實驗結果分析可知，影響高壓氣吹除排水效率的因素很多，如高壓氣瓶的初始壓力，高壓氣瓶的容量，高壓氣瓶噴口直徑，高壓氣管道的長度和直徑，壓載水艙排水孔大小等，但影響排水速度的關鍵是高壓氣吹除率，高壓氣吹除率與壓載水艙排水速度成正比，因此提高高壓氣吹除壓載水艙排水能力的有效措施就是提高高壓氣的吹除率和降低高壓氣吹除率的衰減率.

3)通過小比例實驗結果與CFD模擬壓載水艙排水過程的現(xiàn)象可知，吹除過程中壓載水艙內(nèi)并非穩(wěn)定的水平的氣液分界面，會出現(xiàn)不穩(wěn)定自由液面，在吹除開始階段和后期階段越明顯，并且高壓氣吹除率越高，壓載水艙高壓氣與水摻混的程度越劇烈.

4)由于實驗條件的限制，本文開展的高壓氣吹除壓載水艙排水模擬實驗還有一些不足，如實驗沒有模擬潛艇不同航行深度時的高壓氣吹除能力，下一步通過設計一個壓力平衡水艙來模擬壓載水艙的排水背壓環(huán)境.

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