布?xì)馕恢脤?duì)艦船甲板升溫效果影響的實(shí)驗(yàn)研究

安中昌，金良安，解從偉

(海軍大連艦艇學(xué)院 航海系，遼寧 大連116018)

艦船甲板氣流牽引式循環(huán)升溫法是目前備受關(guān)注的艦船甲板升溫防凍技術(shù)，具有消耗電能少、升溫效率高、簡(jiǎn)便易操作等優(yōu)越性，可在很大程度上解決現(xiàn)有技術(shù)大量消耗人力物力、除冰效率低等問題［1-2］，大幅提升艦船在寒冷海區(qū)的航行和工作能力。艦船甲板氣流牽引式循環(huán)升溫效果受多種因素影響，比如取氣位置、氣體流量等。

為進(jìn)一步提升該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的效果，完善艦船甲板氣流牽引式循環(huán)升溫理論及技術(shù)，本文擬就布?xì)饪谒轿恢脤?duì)升溫效果存在的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)布?xì)饪诜謩e位于模擬甲板中心位置、模擬甲板內(nèi)側(cè)(靠近上層建筑前壁一側(cè))中心及外側(cè)(靠近艦艏一側(cè))中心三種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，以研究布?xì)饪谒轿恢脤?duì)艦船甲板平臺(tái)區(qū)域升溫效果的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)基于艦船甲板氣流牽引式循環(huán)升溫理論，利用專用的氣體牽引設(shè)備，在艦船主甲板周圍形成氣流循環(huán)，加強(qiáng)海水表面大氣循環(huán)運(yùn)動(dòng)［3］，使得艦船主甲板區(qū)域原有溫度較低的氣體被驅(qū)散到甲板兩側(cè)及海面;將海水表面溫度較高的氣體布散到艦船主甲板區(qū)域，從而提升甲板表面溫度，以達(dá)到防凍和除冰的目的。

實(shí)驗(yàn)原理見圖1。其實(shí)現(xiàn)方法為啟動(dòng)氣體牽引設(shè)備1，從取氣口1a獲得水面溫度較高的氣體，經(jīng)布?xì)饪?b送到模擬甲板平臺(tái)區(qū)域，并驅(qū)散在該區(qū)域積聚的溫度較低氣體4a，使其降落至海面。本文旨在考察布?xì)饪谒轿恢脤?duì)艦船甲板氣流牽引式循環(huán)升溫效果的影響。因此，實(shí)驗(yàn)中將牽引氣體布?xì)饪?b分別固定在水平方向的不同位置進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較分析，獲得相關(guān)規(guī)律。

圖1 艦船甲板平臺(tái)區(qū)域升溫原理示意

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)裝置為課題組設(shè)計(jì)的模擬艦船甲板氣流牽引式循環(huán)升溫實(shí)驗(yàn)裝置，見圖2。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。

實(shí)驗(yàn)裝置左側(cè)為實(shí)驗(yàn)區(qū)域。該區(qū)域包括模擬甲板環(huán)境、氣體牽引設(shè)備及溫度傳感器三部分。模擬甲板環(huán)境由水池(長1.2 m、寬1.0 m、高1.5 m)、模擬甲板、控溫冰塊及擋板組成。在模擬甲板上方布置了大量的控溫冰塊，以維持溫度較低(0℃以下)的模擬甲板上方環(huán)境，而下面水池保持相對(duì)較高的溫度(0℃以上)，這樣的溫差設(shè)計(jì)模擬了寒季艦船甲板平臺(tái)區(qū)域及所處溫度環(huán)境。另外在模擬甲板中間設(shè)置了擋板，用以模擬艦船上層建筑，并將模擬甲板環(huán)境分割成左右兩部分，方便進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。氣體牽引設(shè)備由固定位置的取氣管、氣體牽引設(shè)備及布?xì)夤艿冉M成，實(shí)驗(yàn)中布?xì)夤艹隹谥赶驌醢宸较颍恢每赏ㄟ^專用固定裝置固定于模擬甲板的不同水平位置。溫度傳感器部分由4支DS18B29型溫度傳感器組成，可測(cè)量模擬甲板表面的溫度和水面上方溫度。

圖2 氣流牽引式循環(huán)升溫防凍的實(shí)驗(yàn)原理示意

本實(shí)驗(yàn)采取對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法，分別將布?xì)饪诓贾糜谀M甲板外側(cè)中心、模擬甲板中心位置及模擬甲板內(nèi)側(cè)中心進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，布?xì)饪诩皞鞲衅鞯木唧w位置見圖3。

圖3 布?xì)饪诩皽囟葌鞲衅魑恢檬疽?/p>

實(shí)驗(yàn)中，模擬甲板長24 cm、寬20 cm，水深約40 cm，模擬甲板與水面的高度約35 cm，牽引氣體的流量約為1.6 L/min。

實(shí)驗(yàn)裝置右側(cè)為溫度顯示區(qū)域。該區(qū)域由溫度顯示器和溫度顯示器固定裝置組成。其中溫度顯示器分別連接左側(cè)4支溫度傳感器，可顯示模擬甲板表面不同位置的溫度及水面上方溫度。溫度顯示器固定裝置可將溫度顯示器進(jìn)行固定以方便觀察其讀數(shù)及數(shù)據(jù)記錄。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)把3支溫度傳感器分別布置在模擬甲板指定位置:傳感器I位于模擬甲板內(nèi)側(cè)，距離擋板1 cm;傳感器II位于模擬甲板中間位置，距離擋板12 cm;傳感器III位于模擬甲板外側(cè)邊緣，距離擋板23 cm，3支傳感器與圖中模擬甲板左側(cè)邊緣的距離均為5 cm。第4支傳感器布置在水面上方，距離水面2 cm。

2)將氣體牽引設(shè)備的取氣口布置于水面上方，距離水面2 cm。

3)將氣體牽引設(shè)備的布?xì)饪诠潭ㄓ谀M甲板內(nèi)側(cè)中心位置，如圖3位置A所示。

4)打開溫度傳感器電源，當(dāng)4支溫度傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄此時(shí)4支溫度傳感器顯示的讀數(shù)。

5)不啟動(dòng)氣體牽引設(shè)備，每隔2 min記錄各溫度顯示器的讀數(shù)，時(shí)間用t表示。

6)啟動(dòng)氣體牽引設(shè)備，每隔2 min記錄各溫度顯示器的讀數(shù)，時(shí)間用t表示。完成以上步驟后，重新鋪設(shè)冰塊，將模擬甲板環(huán)境恢復(fù)為初始狀態(tài)，然后將3)中的布?xì)饪谖恢梅謩e固定于模擬甲板中心位置B，模擬甲板外側(cè)中心位置C進(jìn)行兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，步驟同上。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 固定位置的單一布?xì)饪趯?duì)模擬甲板的不同位置升溫效果不同

為了更直觀清晰地描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論，下面分別將布?xì)饪谖挥?個(gè)位置時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成溫度曲線并進(jìn)行分析。

1)布?xì)饪诓贾糜谀M甲板內(nèi)側(cè)中心。由圖4曲線可以看出，當(dāng)布?xì)饪诓贾糜谀M甲板內(nèi)側(cè)中心時(shí)，模擬甲板內(nèi)側(cè)區(qū)域溫度迅速得到提升。這是由于該區(qū)域靠近布?xì)饪?，溫度較高的氣體最先被填充到這里。此外，氣體牽引設(shè)備工作時(shí)持續(xù)將新的溫度較高的氣體填充到該區(qū)域，因此模擬甲板內(nèi)側(cè)區(qū)域最終達(dá)到了較高的溫度。

圖4 布?xì)饪谖挥谀M甲板內(nèi)側(cè)中心的模擬甲板溫度

隨著氣體不斷被牽引，溫度較高的氣體先后填充到模擬甲板中心及外側(cè)區(qū)域，因此這兩個(gè)區(qū)域的溫度先后得到提升。但由于從布?xì)饪谂欧懦鰜砗螅瑴囟容^高的氣體在運(yùn)動(dòng)中不斷與原有溫度較低的氣體及艦船船體發(fā)生熱傳導(dǎo)，氣體溫度逐漸降低，因此這兩個(gè)區(qū)域溫度提升的效果低于模擬甲板內(nèi)側(cè)區(qū)域。尤其是模擬甲板外側(cè)區(qū)域，與布?xì)饪诰嚯x較遠(yuǎn)，且與周圍溫度較低的空氣接觸面大，氣體交流頻繁，因此最終溫度提升結(jié)果較差。

2)布?xì)饪诓贾糜谀M甲板中心位置。由圖5曲線可以看出，當(dāng)布?xì)饪诓贾糜谀M甲板中心位置時(shí)，模擬甲板中心區(qū)域溫度迅速得到提升，并最終達(dá)到了較高的溫度。這是由于該區(qū)域靠近布?xì)饪谖恢?，首先得以填充溫度較高的氣體，并持續(xù)有新的溫度較高的氣體進(jìn)行填充。

圖5 布?xì)饪谖挥谀M甲板中心的模擬甲板溫度

由于實(shí)驗(yàn)中布?xì)饪诔蚰M甲板中心內(nèi)側(cè)，因此，溫度較高的氣體在填充到模擬甲板中心區(qū)域后，先后填充到模擬甲板內(nèi)側(cè)及模擬甲板外側(cè)區(qū)域。從圖5可以看出，這兩個(gè)位置的溫度先后得到提升。由于更多地得到了溫度較高的氣體，因此模擬甲板內(nèi)側(cè)區(qū)域的溫度高于模擬甲板外側(cè)區(qū)域。

3)布?xì)饪诓贾糜谀M甲板外側(cè)中心。由圖6可以看出，當(dāng)布?xì)饪诓贾糜谀M甲板外側(cè)中心時(shí)，模擬甲板外側(cè)區(qū)域溫度迅速得到提升，并最終保持了較高的溫度。這同樣是由于該區(qū)域靠近布?xì)饪谖恢?，首先得以填充溫度較高的氣體，并持續(xù)有新的溫度較高的氣體進(jìn)行填充。

圖6 布?xì)饪谖挥谀M甲板外側(cè)中心的模擬甲板溫度

隨著氣體不斷被牽引，溫度較高的氣體先后填充到模擬甲板中心及內(nèi)側(cè)區(qū)域，因此這兩個(gè)區(qū)域的溫度也先后得到提升，但由于氣體移動(dòng)過程中熱量不斷損失，因此這兩個(gè)位置的最終溫度依次降低。

2.2 不同位置的單一布?xì)饪趯?duì)模擬甲板整體提升效果不同

為了綜合考慮模擬甲板整體溫度提升效果，需要全面分析模擬甲板各個(gè)位置溫度的提升。為此，本實(shí)驗(yàn)在模擬甲板3個(gè)代表性位置設(shè)置了3支溫度傳感器。通過綜合考慮這3個(gè)位置溫度的提升，考察整個(gè)模擬甲板的溫度提升效果。為了量化考察模擬甲板整體溫度提升效果，特采用加權(quán)方法定義溫度綜合提升值GTR為

式中:Δi——某一位置溫度的提升值;

wi——該位置的相對(duì)權(quán)重。

本實(shí)驗(yàn)中各位置權(quán)重的設(shè)定基于如下規(guī)則:由于甲板內(nèi)側(cè)區(qū)域接近船艙，人員進(jìn)出活動(dòng)相對(duì)較多，所以權(quán)重設(shè)為40%;甲板中心處工作設(shè)備較多，所以權(quán)重設(shè)為50%，甲板前側(cè)區(qū)域人員活動(dòng)及工作相對(duì)較少，所以權(quán)重設(shè)為10%。

繪制不同布?xì)饪谖恢孟履M甲板綜合提升值曲線見圖7。通過圖7可以看出，當(dāng)布?xì)饪谖挥谀M甲板中心位置時(shí)，對(duì)整個(gè)模擬甲板的溫度提升作用迅速且效果顯著。此外，當(dāng)布?xì)饪谖挥谀M甲板內(nèi)側(cè)中心位置時(shí)，雖然對(duì)模擬甲板中心及模擬甲板外側(cè)溫度提升效果相對(duì)較差，但由于對(duì)模擬甲板內(nèi)側(cè)溫度提升效果顯著，對(duì)模擬甲板中心也起到了較好的升溫作用，經(jīng)過加權(quán)分析，對(duì)模擬甲板的綜合溫度提升效果也比較好。相比而言，布?xì)饪谖挥诩装逋鈧?cè)時(shí)，對(duì)模擬甲板外側(cè)區(qū)域的溫度提升效果最為顯著，而對(duì)模擬甲板中心及內(nèi)側(cè)區(qū)域效果較差，但由于3個(gè)區(qū)域的權(quán)重關(guān)系，當(dāng)布?xì)饪谖挥谀M甲板外側(cè)時(shí)，對(duì)整個(gè)甲板的溫度提升效果在3組實(shí)驗(yàn)中最小。

圖7 不同布?xì)饪谖恢孟碌哪M甲板綜合提升值曲線

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)論可直接提升艦船甲板氣流牽引式循環(huán)升溫技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的效果，對(duì)艦船甲板氣流牽引式循環(huán)升溫思想的研究具有很好的參考價(jià)值。由于條件所限，未能全面地研究布?xì)饪谖挥谀M甲板各個(gè)位置時(shí)升溫防凍的效果。而有關(guān)布?xì)饪诖怪狈较蛭恢?，布?xì)饪跀?shù)量對(duì)艦船甲板升溫效果的影響，以及深入的物理過程機(jī)理等問題，還有待進(jìn)一步的研究。

［1］MULHERIN N D，MILLER A C.An experiment in preventing zebra mussel settlement using electro-expulsive separation technology［R］.U.S.Army Corps of Engineers，2003.

［2］陳拯民，王新生.垂直發(fā)射系統(tǒng)的除冰技術(shù)［J］.艦載武器，1998(4):1-4.

［3］朱福海，周立佳，邵利民.軍事航海氣象［M］.北京:海潮出版社，2002.