艙壁保溫層對深潛器艙內(nèi)溫度的影響

李 杰， 宋保銀

(南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

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艙壁保溫層對深潛器艙內(nèi)溫度的影響

李 杰， 宋保銀

(南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

通過數(shù)值模擬的方法，對深潛器下潛和巡航過程中的傳熱進(jìn)行分析，研究下潛速度、保溫層厚度、保溫層導(dǎo)熱系數(shù)對艙內(nèi)溫度和內(nèi)壁面溫度的影響。下潛速度的增加，從時間上考慮，對艙內(nèi)溫度影響較小。隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加，保溫層厚度變化對艙內(nèi)環(huán)境溫度影響程度減小。導(dǎo)熱系數(shù)一定時，保溫層厚度增加，艙內(nèi)環(huán)境溫度會線性上升，而環(huán)境溫度與艙內(nèi)壁面溫差則線性減小。隨著保溫層厚度的上升，導(dǎo)熱系數(shù)的變化對艙內(nèi)環(huán)境溫度影響程度變大。保溫層厚度一定時，導(dǎo)熱系數(shù)增加，艙內(nèi)環(huán)境溫度會加速下降，環(huán)境溫度與艙內(nèi)壁面溫差加速上升。因此，保溫層導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)盡量選取靠近0.1 W/(m·K)，而厚度以3 cm為宜。

載人深潛器；數(shù)值模擬；保溫層；艙內(nèi)溫度

0 引言

隨著時代的發(fā)展和科技水平不斷提高，人類探索自然的能力不斷加強(qiáng)，已將目光由大陸投向了深邃的海洋。目前，世界上只有少數(shù)國家擁有研發(fā)制造深潛器的能力[1-4]。其中:美國的“阿爾文”號是最早研制成功并實際應(yīng)用的深潛器，它于1964年制造完成，最深可下潛到4 500 m，如今已累計下潛5 000余次，也是世界上下潛次數(shù)最多的深潛器；俄羅斯則是擁有深潛器數(shù)量最多的國家，比較知名的是“和平一”號和“和平二”號，可在深海連續(xù)作業(yè)17個小時，最大下潛深度為6 000 m；日本的“深海6500”號深潛器最深下潛記錄為6 500 m；法國的“鸚鵡螺”號于1985年建成，最大下潛深度為6 000 m；中國的“蛟龍”號深潛器于2008年下海作業(yè)，最大下潛深度為7 000 m。

雖然“蛟龍”號深潛器成功地完成了先前的任務(wù)[5]，但在工作過程中也暴露了一些問題。因為載人艙內(nèi)部空間小、人員少，且為蓄電池供電，所以并沒有在艙內(nèi)安裝空調(diào)設(shè)備和隔熱設(shè)備。通過檢測發(fā)現(xiàn)，深潛器在整個下潛過程中，由于下潛作業(yè)時間長，隨著海水溫度的快速降低并維持在1 ℃左右，造成艙內(nèi)空氣溫度較低，最低達(dá)13 ℃。在狹小的密閉空間中，溫度過低將不利于人員開展工作。

本文從增加載人艙內(nèi)壁保溫層方案入手，采用數(shù)值模擬的方法，對深潛器在下潛和海底巡航的傳熱過程進(jìn)行模擬分析，研究保溫層厚度、保溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)對載人艙溫度的影響，提出保溫層設(shè)計的一些基本原則，可作為深潛器載人艙保溫層設(shè)計的參考。

1 深潛器的傳熱模型及計算狀態(tài)確定

1.1 深潛器的傳熱模型

深潛器由載人艙和大量電子設(shè)備組成，其載人艙的耐壓結(jié)構(gòu)由鈦合金制成[6]。本文主要關(guān)注載人艙內(nèi)的溫度變化。載人艙中熱源包括人和少量電子、照明設(shè)備。人和電子設(shè)備發(fā)出的熱量通過載人艙內(nèi)部的空氣對流帶走；與此同時，空氣與載人艙內(nèi)壁面對流換熱，熱源與壁面有輻射換熱，這些熱量通過壁面向深潛器軀體傳遞；最后，深潛器軀體與海水之間對流換熱和深潛器外殼與周圍環(huán)境輻射換熱將載人艙傳遞出來的熱量帶走。當(dāng)然，深潛器除了載人艙之外還有部分電子設(shè)備會發(fā)出熱量，但由于公開資料有限和本文的側(cè)重，這里不予以考慮。深潛器傳熱過程如圖1所示，忽略了艙內(nèi)空氣對輻射熱量的吸收，可得熱源與艙內(nèi)環(huán)境對流換熱為

圖1 深潛器傳熱示意圖

式中：hs為熱源與艙內(nèi)空氣的對流換熱系數(shù)；A1為各個熱源面積之和；Ts和Te分別為熱源表面溫度和艙內(nèi)空氣溫度。

壁面與艙內(nèi)環(huán)境的對流換熱為

式中：hw為載人艙壁面與艙內(nèi)空氣的對流換熱系數(shù)；A2為載人艙內(nèi)壁面的面積；Tw為載人艙壁面溫度。

熱源與艙壁的輻射換熱為

式中：εs是熱源的輻射率；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。

深潛器與外環(huán)境的對流換熱為

式中：hp為深潛器與海水的對流換熱系數(shù)；A3為深潛器與海水的換熱面積；Tp為深潛器壁面溫度；Th為外界環(huán)境溫度。

深潛器與外環(huán)境的輻射換熱為

式中：εp是深潛器外壁面的輻射率。

艙內(nèi)空氣熱平衡方程為

式中：c1為載人艙內(nèi)空氣的比熱容；m1為載人艙空氣質(zhì)量；dT為載人艙內(nèi)空氣的溫度在dt時間的增加值。

將深潛器艙壁導(dǎo)熱看作空心圓柱一維徑向?qū)?，則其導(dǎo)熱方程為

式中：ρ為艙壁密度；cP為其定壓比熱容；λ為其導(dǎo)熱系數(shù)。

深潛器載人艙內(nèi)壁面熱邊界條件為

深潛器軀體外表面的熱邊界條件為

式中：rin為艙壁內(nèi)壁半徑；rout為深潛器外壁面半徑。

根據(jù)傳熱理論[7]，對流換熱系數(shù)為

深潛器外殼表面的平均Nu數(shù)，在層流狀態(tài)為

在湍流狀態(tài)則為

式中：Pr為海水的普朗特數(shù)；ReL為深潛器外殼的平均雷諾數(shù)。

艙內(nèi)自然對流換熱的Nu數(shù)可以確定為

式中：RaD為以艙內(nèi)直徑為定型長度的瑞利數(shù)。

1.2 深潛器的計算狀態(tài)和參數(shù)

本文模型根據(jù)“蛟龍”號尺寸[8]設(shè)計長8.2 m，寬3 m，高3.2 m,，載人艙內(nèi)徑2.1 m，耐壓結(jié)構(gòu)厚度[9]為102.76 mm，載人艙內(nèi)表面保溫層厚度分別為1 mm，3 mm，5 mm。

由于現(xiàn)在文獻(xiàn)極少涉及深潛器保溫層材料、厚度、傳熱量等信息[10]，無法直接獲得相關(guān)確切參數(shù)?！膀札垺碧柹顫撈鞴灿腥藛T3人[8]，故設(shè)置人體恒壁面溫度為310 K。

載人艙內(nèi)為密封環(huán)境，需人為控制氣體含量，艙內(nèi)主要有N2、O2和少量的其他氣體，其中O2濃度必須嚴(yán)格控制在20%左右。本文忽略其他氣體影響，只考慮N2和O2。依據(jù)混合氣體熱物性加權(quán)計算準(zhǔn)則[11]，計算得到艙內(nèi)空氣導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 1 W/(m·K)，密度為1.139 kg/m3，比熱容為1 007 J/(kg·K)，動力黏度為1.78×10-5kg/(m·s)。深潛器耐壓結(jié)構(gòu)鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)[12]為20 W/(m·K)，密度為4 500 kg/m3，比熱容為520 J/(kg·K)；保溫層導(dǎo)熱系數(shù)[13]分別為0.1 W/(m·K),0.5 W/(m·K),1 W/(m·K)，密度為2 400 kg/m3,比熱容為660 J/(kg·K)。

海水溫度在水深0～300 m的范圍內(nèi)變化劇烈[5]，大于300 m后變化放緩，并在2 000 m時達(dá)到1℃左右，之后維持此低溫。根據(jù)文獻(xiàn)[14]得知下潛共用時160 min，且基本為勻速下潛，可得出“蛟龍”號下潛速度為0.729 m/s。根據(jù)深潛器下潛速度和海水溫度的變化特點，本文模擬的深潛器工作過程分為下潛和巡航兩個過程。其中，下潛過程分3個階段，第1階段時間400 s，海水平均溫度為293 K；第2階段時間2 400 s，海水平均溫度為278 K；第3階段時間7 200 s，海水平均溫度為274 K。之后的3 000 s為巡航階段，巡航過程速度[8]為0.5 m/s,海水溫度1 K。

2 計算結(jié)果分析與討論

影響深潛器艙內(nèi)溫度的因素有很多，如艙內(nèi)發(fā)熱量、深潛器設(shè)計以及深潛器工作環(huán)境等。本文根據(jù)“蛟龍”號深潛器7 000 m海試的試驗數(shù)據(jù)，研究深潛器下潛速度的變化、保溫層的設(shè)計即保溫層的厚度與保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)對深潛器艙內(nèi)環(huán)境溫度的影響。

首先，將模型模擬的數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖2所示。可知，試驗值與模擬所得結(jié)果基本一致，證明該模型較為合理。

圖2 模型模擬數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比

2.1 下潛速度對艙內(nèi)溫度的影響

受制于技術(shù)原因，深潛器下潛速度較慢，這意味著浪費了不少寶貴的深海作業(yè)時間。通過下潛速度對深潛器艙內(nèi)溫度的影響進(jìn)行研究。圖3a)為下潛深度和艙內(nèi)溫度的關(guān)系。圖3b)展示了下潛時間與艙內(nèi)溫度的關(guān)系。從圖3a)可以發(fā)現(xiàn)，下潛速度快，達(dá)到相同深度時，艙內(nèi)溫度越高，隨著下潛深度的增加，不同速度下的溫差也逐步拉大。隨著速度的增加，下潛過程中，艙內(nèi)溫度隨深度的變化逐步減小。圖3b)顯示下潛速度的變化對于某一下潛時間下的溫度影響相對較小。速度增加，下潛過程中，艙內(nèi)溫度略有下降。這是由于隨著深潛器下潛速度的增加，深潛器經(jīng)過溫度相對較高的淺海區(qū)域的時間縮短，其快速到達(dá)溫度較低的深海區(qū)域。

圖3 下潛速度對艙內(nèi)溫度的影響

2.2 保溫層厚度和導(dǎo)熱系數(shù)對艙內(nèi)溫度的影響

當(dāng)下潛速度為0.729 m/s時，對保溫層厚度及導(dǎo)熱系數(shù)對艙內(nèi)溫度的影響進(jìn)行分析。需要指出的是，圖4～圖6中10 000 s之前的階段均為深潛器下潛過程，之后為7 000 m深度的巡航階段。圖4反映了在相同導(dǎo)熱系數(shù)下保溫層厚度對艙內(nèi)溫度的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)：在較低的導(dǎo)熱系數(shù)下(見圖4a))，保溫層厚度對艙內(nèi)溫度影響顯著；隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加，保溫層厚度的變化對艙內(nèi)溫度的影響越來越小(見圖4c))。同樣地，圖5反映了在相同保溫層厚度下導(dǎo)熱系數(shù)對艙內(nèi)溫度的影響。可以發(fā)現(xiàn)：隨著厚度的增加，導(dǎo)熱系數(shù)的變化對艙內(nèi)溫度的影響越來越大；厚度一定的情況下，導(dǎo)熱系數(shù)變化對艙內(nèi)溫度影響并非是線性的，導(dǎo)熱系數(shù)越靠近低值，艙內(nèi)溫度增大得越迅速，導(dǎo)熱系數(shù)在0.5 W/(m·K)和1 W/(m·K)時，其艙內(nèi)溫度差距較小，但均明顯低于導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W/(m·K)的情況。

圖4 保溫層厚度對艙內(nèi)溫度的影響

圖5 保溫層導(dǎo)熱系數(shù)對艙內(nèi)溫度的影響

2.3 艙內(nèi)空氣和壁面溫差

艙內(nèi)壁面溫度對載人艙內(nèi)的環(huán)境影響至關(guān)重要。一方面，艙內(nèi)溫度與壁面溫度的溫差影響著艙內(nèi)與外界的換熱；另一方面，如果壁面溫度低于艙內(nèi)環(huán)境的露點溫度，會有水在內(nèi)壁面析出，這不僅影響到作業(yè)人員的舒適感，也影響到電子設(shè)備的安全穩(wěn)定。所以，兩者溫差不宜過大。

圖6 艙內(nèi)空氣與艙內(nèi)壁面溫差變化曲線

圖6分別給出了保溫層厚度為8 cm和導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W/(m·K)的情況下艙內(nèi)空氣和壁面溫差隨下潛時間的變化曲線。結(jié)果顯示：在下潛過程中，剛開始溫差迅速擴(kuò)大，在下潛25 000 s后趨于恒定。當(dāng)保溫層厚度為8 cm時，導(dǎo)熱系數(shù)越小，艙內(nèi)溫度與壁面溫度溫差越小。隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加，溫差增大速度明顯減緩。這表明保溫層導(dǎo)熱系數(shù)越大，其對溫差影響越弱。本文中，導(dǎo)熱系數(shù)大于0.5 W/(m·K)后，導(dǎo)熱系數(shù)對溫差的影響已經(jīng)很小。

導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W/(m·K)時，隨著保溫層厚度的增加，環(huán)境與壁面溫差逐步減小。保溫層厚度對溫差的影響呈線性關(guān)系。

3 結(jié)論

本文建立了深潛器熱力學(xué)模型，用數(shù)值模擬的方法研究了深潛器下潛和巡航過程中載人艙內(nèi)環(huán)境溫度和壁面溫度的變化趨勢，考察了載人艙內(nèi)保溫層厚度、保溫層導(dǎo)熱系數(shù)以及下潛速度對艙內(nèi)溫度的影響。結(jié)果表明：

(1) 深潛器下潛過程中艙內(nèi)溫度下降迅速，進(jìn)入海底巡航階段后，隨著時間的推移其溫度下降減緩。深潛器下潛速度越大，艙內(nèi)環(huán)境溫度下降越慢。

(2) 在深潛器載人艙保溫層厚度3～8 cm，導(dǎo)熱系數(shù)0.5～1 W/(m·K)的情況下，其保溫效果并不明顯。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W/(m·K)時，保溫層厚度在3～8 cm，均可滿足人體長時間工作艙內(nèi)舒適環(huán)境溫度(288～300 K)要求[15]；

(3) 隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加，保溫層厚度變化對艙內(nèi)環(huán)境溫度影響程度減小。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)一定時，保溫層厚度增加，艙內(nèi)環(huán)境溫度線性上升，艙內(nèi)空氣與艙內(nèi)壁面溫差則線性減小。隨著保溫層厚度的上升，導(dǎo)熱系數(shù)的變化對艙內(nèi)環(huán)境溫度影響程度變大。當(dāng)保溫層厚度一定時，導(dǎo)熱系數(shù)增加，艙內(nèi)環(huán)境溫度加速下降，環(huán)境與艙內(nèi)壁面溫差加速上升。

由以上分析可知，導(dǎo)熱系數(shù)變化對艙內(nèi)溫度和艙內(nèi)空氣與壁面溫差的影響較為劇烈，所以設(shè)計保溫層時，應(yīng)首先確定保溫層導(dǎo)熱系數(shù)的大小?？紤]艙內(nèi)溫度要求，本文推薦導(dǎo)熱系數(shù)范圍為0.1～0.5 W/(m·K)，考慮到艙內(nèi)空氣與壁面溫差，在此范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)盡量靠近0.1 W/(m·K)。又因為艙內(nèi)空間有限，故保溫層厚度應(yīng)盡量減小，以3 cm為宜。

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Effect of Insulation Layer on Cabin Temperature of Deep-Diving Submersible

LI Jie, SONG Baoyin

(College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu, China)

An numerical simulation method is used to analyze the thermal performance of the submersible during its diving and cruising. The effects of diving velocity, the insulation layer thickness and its thermal conductivity on cabin temperature and wall temperature are investigated. The results show that the effect of diving velocity on cabin temperature is not obvious based on the diving time. With the increase of thermal conductivity, the effect of the insulation layer thickness on the cabin temperature is decreased. For a constant thermal conductivity, increase on insulation layer thickness will result in a linear increase of the cabin environment temperature and a linear decrease on the temperature difference between the cabin ambient and the inner wall. With the increase of the thickness of the insulation layer, the effect of the thermal conductivity of insulation layer on the cabin temperature is increased. For a constant thickness of insulation layer, increase of the thermal conductivity will lead to a rapid decrease in cabin temperature, and a rapid increase in the temperature difference between the cabin ambient and the inner wall. Therefore, 0.1 W/(m·K) is a better value for the thermal conductivity of the insulation material, and a value of 3 cm is a better choice for the insulation layer thickness.

manned deep-diving submersible; numerical simulation; insulation layer; cabin temperature

李 杰(1992-)，男，碩士，主要研究方向為流體的傳熱與傳質(zhì)

1000-3878(2017)03-0024-06

U663

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