潛艇高壓氣吹除系統(tǒng)流量模型的構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)分析

劉 輝，李其修，吳向君，李志輝

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430033)

0 引言

潛艇在水下以較高航速航行時(shí)，若發(fā)生尾卡大下潛舵角、艙室通海管路破損進(jìn)水及耐壓艙室破損進(jìn)水等重大險(xiǎn)情事故時(shí)，在現(xiàn)有應(yīng)急挽回操縱技術(shù)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(shí)施應(yīng)急起浮使?jié)撏Э焖偕细≈了妫?－2］。潛艇獲取正浮力的大小取決于壓載水艙的吹除排水量，而吹除排水量取決于單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入壓載水艙的高壓氣量。因此潛艇高壓氣吹除系統(tǒng)模型建立的準(zhǔn)確與否嚴(yán)重影響潛艇事故時(shí)挽回判定成功與否，而高壓氣吹除系統(tǒng)模型構(gòu)建的關(guān)鍵是確定高壓氣系統(tǒng)吹除流量模型，有必要開(kāi)展?jié)撏Ц邏簹獯党到y(tǒng)的理論研究、仿真研究和物理模型實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)不同研究手段獲取高壓氣吹除系統(tǒng)的高壓氣流量模型。論文在建立高壓氣吹除系統(tǒng)高壓氣流量數(shù)理模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)高壓氣吹除系統(tǒng)管路流動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行多種工況管路流動(dòng)實(shí)驗(yàn)分析高壓氣系統(tǒng)高壓氣吹除流量的影響因素，并驗(yàn)證所建數(shù)理模型的準(zhǔn)確性。

1 高壓氣吹除系統(tǒng)高壓氣流量數(shù)理模型

潛艇高壓氣應(yīng)急吹除壓載水艙系統(tǒng)的工作過(guò)程中，高壓氣通過(guò)管道從高壓氣瓶快速流入潛艇主壓載水艙，此高壓氣釋放過(guò)程可比作拉瓦爾噴管的氣體流動(dòng)過(guò)程，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(dòng)模擬為拉瓦爾 (Laval)噴管［3－4］，經(jīng)過(guò)分析推導(dǎo)可得:

試驗(yàn)研究表明，高壓氣在吹除過(guò)程中溫度基本保持不變，可將此流動(dòng)視為絕熱流動(dòng)，根據(jù)絕熱過(guò)程表達(dá)式，高壓氣吹除系統(tǒng)中的氣體壓力和溫度變化如下式:

式中:P1和T1分別為氣瓶噴嘴截面處壓力和溫度;PF和TF分別為氣瓶中氣體的壓力和溫度，Pb為吹除壓載水艙的壓力;PF0，mF0和TF0分別為氣瓶中氣體初始?jí)毫?、質(zhì)量和溫度;為高壓氣流量;At為噴嘴的噴口面積;Ct為吹除流量系數(shù)(0≤Ct≤1);k為等熵常數(shù)，取k=1.4;R為氣體常數(shù)287.1 J/(kg·K)。

2 高壓氣吹除系統(tǒng)高壓氣流量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所用氣瓶的容積為12 L，為保證高壓氣瓶氣體的釋放速率，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的高壓氣瓶壓力范圍為2～10 MPa［5］。高壓氣瓶噴嘴口直徑為Φ3 mm，高壓氣瓶和吹除壓載水艙之間聯(lián)接高壓管道的內(nèi)徑為Φ3 mm，高壓氣瓶上可安裝壓力表，用來(lái)測(cè)量高壓氣瓶中氣體的壓力。氣瓶出口處安裝氣體流量計(jì)和壓力傳感器，氣體流量計(jì)用來(lái)測(cè)量高壓氣瓶釋放氣體的實(shí)時(shí)流量，壓力傳感器用來(lái)測(cè)量高壓氣瓶釋放氣體過(guò)程中的壓力氣瓶出口管道中的壓力，具體設(shè)計(jì)圖和裝置圖如圖1和圖2所示［6－7］。

圖1 高壓氣吹除系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.1 The design chart of blowing system

圖2 高壓氣流量模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 The experimental setup of flow model validation

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為25℃，高壓管道長(zhǎng)2 m，直徑3 mm，管壁阻力系數(shù)f=0.15，材質(zhì)與實(shí)艇使用相同［8］。實(shí)驗(yàn)根據(jù)不同初始條件測(cè)定了氣瓶出口管道中的壓力和流量，由于高壓氣流量變化很快，將高壓氣瞬時(shí)流量采樣頻率取0.1 s，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取并處理，對(duì)測(cè)量結(jié)果依據(jù)高壓力流量數(shù)理模型擬合得到了吹除流量系數(shù)，實(shí)驗(yàn)工況和流量系數(shù)測(cè)量結(jié)果如表1所示。工況1～工況5是將氣瓶中的氣體通過(guò)高壓管道直接釋放到空氣中，工況6和工況7通過(guò)在氣瓶出口安裝阻力裝置形成30 bar的背壓環(huán)境釋放高壓氣。從表1中可看出，流量系數(shù)隨不同初始?jí)毫ψ兓兓?，但基本保持?.7左右。圖3～圖6給出了不同氣瓶壓力時(shí)實(shí)驗(yàn)和數(shù)理模型仿真時(shí)氣瓶出口壓力和流量變化情況，仿真時(shí)的流量系數(shù)取0.7，閥全開(kāi)時(shí)間取2 s。

表1 不同實(shí)驗(yàn)工況下吹除流量系數(shù)的擬合結(jié)果Tab.1 The regression results of blowing flowing coefficient

圖3 氣瓶壓力為3 MPa時(shí)氣瓶出口壓力和高壓氣流量歷程圖Fig.3 The change of pipeline pressure and flow when the cylinder pressure 3 MPa

圖4 氣瓶壓力為6 MPa時(shí)氣瓶出口壓力和高壓氣流量歷程圖Fig.4 The change of pipeline pressure and flow when the cylinder pressure 6 MPa

圖5 氣瓶壓力為8 MPa時(shí)氣瓶出口壓力和高壓氣流量歷程圖Fig.5 The change of pipeline pressure and flow when the cylinder pressure 8 MPa

圖6 背壓為30 bar時(shí)氣瓶壓力分別為8 MPa和9 MPa時(shí)高壓氣流量歷程圖Fig.6 The pipeline flow under 30 bar's resistance pressure when the cylinder pressure 8 MPa and 9 MPa

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)可知，在氣體釋放初期，高壓氣瓶出口管道壓力迅速下降，高壓氣流量的衰減速度很快，管道出口氣體流動(dòng)速度均能達(dá)到聲速，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與建立的數(shù)量模型的計(jì)算結(jié)果比較接近，高壓氣每秒流量誤差在8%以內(nèi)，滿足工程精度要求，因此依托拉瓦爾噴管理論建立的高壓氣流量數(shù)理模型能較好描述高壓氣流量釋放過(guò)程，仿真過(guò)程中將高壓氣吹除的流量系數(shù)取0.7是比較合理的。對(duì)比仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，誤差出現(xiàn)原因主要有以下3點(diǎn):

1)高壓氣體流動(dòng)過(guò)程中傳熱、管壁吸收等帶來(lái)的能量損失考慮不充分;

2)高壓氣瓶容量和氣瓶噴口直徑等特征參數(shù)差異對(duì)高壓氣流動(dòng)的影響;

3)高壓氣流動(dòng)速度過(guò)快，受測(cè)量裝置的影響采樣頻率過(guò)大。

3 結(jié)語(yǔ)

在建立高壓氣吹除系統(tǒng)高壓氣流量數(shù)理模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)高壓氣吹除系統(tǒng)小比例實(shí)驗(yàn)裝置模擬高壓氣吹除的流動(dòng)過(guò)程，將數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果與模型仿真結(jié)果相比較，并利用數(shù)理模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，結(jié)果表明將吹除流量系數(shù)取0.7較為合適。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析可知，高壓氣流量主要取決于高壓氣的吹除率及其隨時(shí)間的衰減率。高壓氣吹除率是高壓氣每秒進(jìn)入主壓載水艙的質(zhì)量，取決于高壓氣的初始工作壓力，吹除管路的直徑，吹除閥門(mén)，吹除管道的特性以及高壓氣吹除的方式等;而高壓氣隨時(shí)間的衰減率取決于潛艇上高壓氣的儲(chǔ)備量，也就是參加吹除的氣瓶數(shù)量，參加吹除的氣瓶數(shù)量越多，吹除率的衰減越慢。因此在潛艇設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)提高高壓氣瓶的工作壓力和吹除氣瓶的數(shù)量，以及在潛艇吹除主壓載水艙系統(tǒng)基礎(chǔ)之上建立一套應(yīng)急吹除系統(tǒng)，提高高壓氣吹除能力。

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