艙室超壓建立的物理模型分析

喻俊峰，楊海燕

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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艙室超壓建立的物理模型分析

喻俊峰，楊海燕

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：通過研究建立船用艙室超壓的原理，推導(dǎo)艙室增加的空氣質(zhì)量的計(jì)算公式，分析兩種艙室空氣輸入形式和空氣泄露形式，得到節(jié)流閥開口面積與超壓目標(biāo)的特性關(guān)系，指出通風(fēng)機(jī)的選型原則和縮短超壓建立時(shí)間的方式。

關(guān)鍵詞：艙室超壓；輸入形式；泄露形式

為保證某些特殊的船用作業(yè)環(huán)境安全，需要在艙室內(nèi)建立比外界大氣壓高的超壓環(huán)境。建立超壓的前提艙室結(jié)構(gòu)具有氣密性，方法是使用離心風(fēng)機(jī)將過濾后的潔凈空氣持續(xù)鼓入艙室，通過調(diào)整安裝在艙室周界上的節(jié)流閥件的開口大小，控制對(duì)外空氣泄放量。在輸入條件不變的情況下，當(dāng)節(jié)流閥開口穩(wěn)定，艙室對(duì)外超壓能夠穩(wěn)定在某數(shù)值(如0～1 000 Pa)，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，流入艙室的空氣質(zhì)量流量qmx與艙室流出的空氣質(zhì)量流量qmy相同。節(jié)流閥件的開口大小決定不同程度的超壓。

艙室建立超壓的原理見圖1。

圖1　艙室超壓建立原理

圖中，大氣環(huán)境的靜壓p0，溫度T0可以視為常量。

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，離心風(fēng)機(jī)往艙室鼓入新風(fēng)，風(fēng)量為qmx，此時(shí)qmx>qmy,艙室超壓開始上升;

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，艙室超壓可維持在某一設(shè)定值附近，此時(shí)離心風(fēng)機(jī)鼓入風(fēng)量和泄露至大氣的風(fēng)量相等，即qmx=qmy。

1艙室超壓方程

由于艙室內(nèi)的空氣絕對(duì)壓力相比艙外大氣壓力高0～1 000 Pa，此壓力差相對(duì)于101 325 Pa的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓較小，接近于常溫常壓，可以視為理想氣體。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

(1)

式中：p,V,T,m——分別為氣體的壓力、體積、溫度及質(zhì)量；

M,R——分別為空氣摩爾質(zhì)量和氣體常數(shù)。

(2)

在超壓建立之初，標(biāo)記艙室內(nèi)的空氣壓力、溫度、密度為p1,T1,ρ1，此時(shí)艙內(nèi)的空氣壓力、溫度與大氣環(huán)境狀態(tài)一致，即p1=p0,T1=T0。

超壓穩(wěn)定后，進(jìn)入艙室的空氣流量與排出艙室的空氣流量相同，艙室內(nèi)的空氣質(zhì)量為平衡狀態(tài)，標(biāo)記此時(shí)艙室內(nèi)的空氣狀態(tài)為p2,T2,ρ2，則有

(3)

式中：Δp——艙室對(duì)外超壓值，p2=p1+Δp。

則有

(4)

實(shí)際情況下，鼓入艙室的為空調(diào)風(fēng)，其溫度可受控，超壓形成前后艙內(nèi)溫度幾乎沒有變化，T2≈T1，可視為等溫變化過程。可見形成艙室壓力變化的主要原因是艙室總的空氣質(zhì)量的變化。艙室內(nèi)增加的總空氣質(zhì)量計(jì)算方程為：

(5)

若將穩(wěn)壓建立的時(shí)間記為Δt，則Δm應(yīng)當(dāng)是此時(shí)間內(nèi)(qmx-qmy)的積分：

(6)

2艙室空氣輸入模型

2.1定流量系統(tǒng)

定流量系統(tǒng)一般配置有流量傳感器和流量調(diào)節(jié)閥，流量調(diào)節(jié)閥根據(jù)流量傳感器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量，在系統(tǒng)工作的全過程中，能夠?qū)⑼L(fēng)機(jī)輸出的流量穩(wěn)定在某一固定數(shù)值附近，具體數(shù)值根據(jù)任務(wù)特性確定。在定流量系統(tǒng)中，qmx為常量。

2.2變流量系統(tǒng)

此系統(tǒng)不配置任何流量調(diào)節(jié)設(shè)備，通風(fēng)機(jī)全程保持額定轉(zhuǎn)速，在建壓過程中，根據(jù)通風(fēng)機(jī)壓力與流量特性曲線，流量下降，全壓上升。在超壓穩(wěn)定后，流量與全壓同樣保持穩(wěn)定。

根據(jù)通風(fēng)管道阻力損失特性曲線方程[1]：

(7)

式中：H——通風(fēng)管壓力損失；

qmx——風(fēng)量；

K——常數(shù)(當(dāng)通風(fēng)管確定后，K基本上是常數(shù))。

在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，通風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)應(yīng)為管道阻力損失特性曲線與通風(fēng)機(jī)性能曲線的交點(diǎn)，見圖2。

圖2　通風(fēng)機(jī)與管道的性能關(guān)系

由于通風(fēng)機(jī)通電后，電機(jī)由靜態(tài)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間很短，忽略此時(shí)間內(nèi)通風(fēng)機(jī)流量的變化，假設(shè)本系統(tǒng)開始工作時(shí)通風(fēng)機(jī)即在最大流量開始工作。對(duì)于固定型號(hào)的風(fēng)機(jī)，其流量與全壓的特性曲線是確定的，以某公司生產(chǎn)的CLQ系列風(fēng)機(jī)為例，流量與全壓的關(guān)系可用二次多項(xiàng)式擬合，即

(8)

式中：A，B，C——系數(shù)，與具體的風(fēng)機(jī)型號(hào)和性能曲線相關(guān)。

若忽略超壓艙室的泄露量，將視為送風(fēng)管道的一部分，由于其空間足夠大，管道風(fēng)速幾乎為0，動(dòng)壓也幾乎為0，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)通風(fēng)機(jī)的全壓H即等于超壓艙室的靜壓Δp。

3艙室空氣泄露模型

艙室空氣的泄露由2部分組成：通過節(jié)流閥件的泄放量qmy1；艙室船體結(jié)構(gòu)的泄露量qmy2，即有

(9)

在流體力學(xué)中，可以將節(jié)流閥件抽象成為一種節(jié)流小孔來計(jì)算[2]，然后作修正。節(jié)流閥件的前后壓差即為艙室超壓Δp，艙室內(nèi)空氣初始速度為0，空氣經(jīng)過節(jié)流閥件處于紊流狀態(tài)，根據(jù)伯努利方程有

(10)

式中：ρ——節(jié)流閥件出口空氣密度；

ν——節(jié)流閥件出口空氣速度；

ξ1——節(jié)流閥件的阻尼系數(shù)。

設(shè)節(jié)流孔出口截面積為S1，得到

(11)

泄放口壓力與流量的關(guān)系同樣符合圖2描述的管道性能曲線。

對(duì)于艙室結(jié)構(gòu)的泄露，在泄露口空氣流速緩慢，流道斷面細(xì)小而復(fù)雜，其流動(dòng)狀態(tài)處于紊流和層流之間，流量qmy2可表述為

(12)

式中：k——流動(dòng)系數(shù)，介于0.5和1.0之間；

ξ2——泄露口的阻尼系數(shù)；

S2——當(dāng)量孔口面積。

綜合式(6)～(8)得到：

(13)

4節(jié)流閥開口面積

超壓艙室建造時(shí)，設(shè)計(jì)師對(duì)艙室結(jié)構(gòu)泄露量有嚴(yán)格的要求。系統(tǒng)工作時(shí)，大部分的空氣從節(jié)流閥泄放，結(jié)構(gòu)泄露量所占比重較小，qmy1/qmy≈1，則有

(14)

超壓穩(wěn)定時(shí)qmx=qmy，H=Δp。

對(duì)于定流量系統(tǒng)，qmx=常量；對(duì)于變流量系統(tǒng)，qmx應(yīng)當(dāng)是在風(fēng)機(jī)曲線上與H=Δp時(shí)對(duì)應(yīng)的流量。結(jié)合式(8)和式(14)對(duì)節(jié)流面積進(jìn)行求解計(jì)算得到S1[3]。

在相同的系統(tǒng)的中，不同的節(jié)流閥開口對(duì)應(yīng)著不同的節(jié)流面積S1，決定著不同的Δp。Δp與S1的特性關(guān)系見圖3。

圖3　艙室超壓Δp與節(jié)流面積S1的關(guān)系

由圖3可見，在其他條件相同的情況下，節(jié)流面積S1決定著最終的艙室超壓Δp。節(jié)流面積S1越大，艙室超壓Δp越小，艙室超壓Δp的導(dǎo)數(shù)也越小。節(jié)流面積S1越小，艙室超壓Δp越大，艙室超壓Δp的導(dǎo)數(shù)也越大。實(shí)際情況下，為了便于調(diào)節(jié)艙室超壓，一般節(jié)流閥的開口應(yīng)當(dāng)適中，開口過大或過小時(shí)都不便于調(diào)節(jié)[4]。

5通風(fēng)機(jī)送風(fēng)量

根據(jù)式(6)和式(11)，有

(15)

在Δt時(shí)刻

(16)

當(dāng)節(jié)流閥泄放出口參數(shù)相同時(shí)，qmx越大，建立的壓差Δp越大。由于送風(fēng)管道和流量調(diào)節(jié)閥存在一定的壓力損失，通風(fēng)機(jī)額定全壓應(yīng)當(dāng)大于艙室超壓，且流量應(yīng)滿足超壓艙室人員生活和工作的需求。同時(shí)考慮艙室接口泄露量和通風(fēng)機(jī)性能，額定風(fēng)量應(yīng)大于式(16)理論計(jì)算量[5]。

6超壓建立時(shí)間

根據(jù)式(5)，當(dāng)艙室超壓Δp和艙室容積V確定時(shí)，超壓艙室需要增加的總的空氣質(zhì)量Δm是確定的，超壓建立的時(shí)間取決于超壓艙室空氣質(zhì)量增長(zhǎng)的速度[6]。

對(duì)于定流量系統(tǒng)，在超壓建立過程中，qmx是固定值，qmy是變化值，綜合式(6)和式(11)，有

在Δt時(shí)刻，Δp(Δt)=Δp。

對(duì)于變流量系統(tǒng)，在超壓建立過程中，qmx和qmy都是變化值，有

(18)

變流量系統(tǒng)在建壓過程中，送風(fēng)流量變小，全壓變大直至穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)前，變流量系統(tǒng)流量值大于定流量系統(tǒng)，其建壓的時(shí)間也較小。

為盡量縮短超壓建立的時(shí)間，空氣泄露量qmy應(yīng)盡可能小，一般的處理辦法是將節(jié)流閥做成可調(diào)式，使節(jié)流面積S1可變化，在建壓過程中，使節(jié)流面積S1由0調(diào)至穩(wěn)態(tài)面積。節(jié)流閥為開環(huán)控制時(shí)，節(jié)流面積S1的變化規(guī)律需由實(shí)際情況根據(jù)試驗(yàn)確定；節(jié)流閥為閉環(huán)控制時(shí)，還要注意將系統(tǒng)最大超調(diào)量和振蕩幅度控制在合理范圍內(nèi)。

7結(jié)論

艙室超壓建立的超壓值Δp，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的建壓時(shí)間Δt都是本系統(tǒng)工作的重要指標(biāo)。根據(jù)這些指標(biāo)可以對(duì)通風(fēng)機(jī)選型，對(duì)節(jié)流閥的開口面積S1進(jìn)行估算。實(shí)際系統(tǒng)中，由于存在送風(fēng)管道壓力損失和結(jié)構(gòu)泄露，加之系統(tǒng)控制需要一定的裕度，應(yīng)當(dāng)對(duì)估算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)男抻啞?/p>

參考文獻(xiàn)

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Analysis On Physical Model of Establishing Overpressure in Deckhouse

YU Jun-feng，YANG Hai-yan

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:Based on the theory of establishing overpressure in deckhouse is introduced, the formula to calculate the added air's mass is deduced. The two forms of air's input and leakage are analyzed to find out the relationship between leakage area and overpressure objective. The principle of selecting ventilator and the method to reducing the time of establishing overpressure are indicated.

Key words:overpressure in deckhouse; input mode; leakage mode

中圖分類號(hào)：U663.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)02-0109-04

第一作者簡(jiǎn)介：喻俊峰(1985-)，男，碩士，工程師。E-mail:junfory@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.028

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶輔助系統(tǒng)