水面艦船集防系統(tǒng)的超壓值仿真分析

陳紅超，宋靠華，包劍，羅雯軍

中國艦船研究設計中心，上海201108

0 引 言

目前，核生化（Nuclear，Biological and Chemical，NBC）武器的發(fā)展愈演愈烈，已有30多個國家宣稱擁有化學武器［1］。未來，NBC武器有可能在戰(zhàn)爭和恐怖襲擊中投入使用，并導致難以預估的嚴重后果。例如，一枚攜帶肉毒桿菌的飛毛腿導彈彈頭的污染面積可達 2.288×109m2［2］。而核動力艦船和潛艇則可能存在核泄漏隱患，英國國防部于2009年承認，在過去的12年內(nèi)，英國核潛艇共計發(fā)生了9次核泄漏事故［3］。

正因為如此，各國海軍均非常重視水面艦船的NBC綜合防護能力，其中美國海軍明確要求新研水面艦船應具備完善的NBC綜合防護能力，甚至要求海岸警衛(wèi)隊新研的127 m級海警船應具備在NBC污染環(huán)境下至少運行36 h的防護能力［4］。統(tǒng)計結(jié)果表明，現(xiàn)代艦船執(zhí)行任務的時間一般超過出航時間的80%。如果艦船不具備NBC防護能力，則將會在短時間內(nèi)迅速喪失戰(zhàn)斗力［4］。針對NBC污染環(huán)境，水面艦船必須設置集防系統(tǒng)，用以保障水面艦船集防區(qū)的環(huán)境安全。該集防區(qū)應具有密閉和正壓的特點，集防區(qū)設定的正壓值即為集防系統(tǒng)超壓值。超壓值過高，則艦船的空調(diào)系統(tǒng)配置需隨之提高，同時也將影響艦員的舒適性；超壓值過低，則將不能有效抵御外來NBC污染物的入侵。

目前，國內(nèi)外學者針對集防系統(tǒng)開展了廣泛的研究工作。楊光等［5］通過對波浪動壓值、重力、慣性力、靜水壓等因素導致的結(jié)構(gòu)形變進行仿真，分析了艦體集防區(qū)對外通道的結(jié)構(gòu)變形和氣密門密封圈的接觸壓力分布情況，但并未得出具體的集防系統(tǒng)超壓值，也未從空氣動力學的角度分析集防系統(tǒng)超壓值的設定原則。林芃等［6］指出我國艦船在有限防護區(qū)域的超壓可達250～400 Pa，波動范圍為控制指標的±20%，但并未進行詳細的分析論證。在歐美相關的海軍設計規(guī)范中，集防系統(tǒng)超壓值一般設定為 300～500 Pa［7-9］，而國內(nèi)尚未開展這方面的分析論證工作。因此，本文擬結(jié)合我國水面艦船的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，通過理論和仿真的方法對全艦集防系統(tǒng)超壓值進行分析論證，提出具體的超壓設定值，用以為集防系統(tǒng)優(yōu)化設計提供參考。

1 全艦集防系統(tǒng)超壓值的理論分析

水面艦船集防系統(tǒng)的作用是避免空氣中的NBC污染物進入集防區(qū)，理論上只要艦船外壁保證絕對氣密，污染物就無法入侵艦船內(nèi)部。然而，在實際應用中不可能實現(xiàn)絕對的氣密，因為艦船外壁總會存在一些微小的泄漏點。當艦船在惡劣海況下航行時，流動的空氣將在艦體表面形成正壓，這樣NBC污染物有可能通過艦船外壁泄漏點進入艦船內(nèi)部，從而造成污染。因此，在集防區(qū)內(nèi)設置超壓環(huán)境（必須大于艦體外部表面的空氣風壓值）才能有效阻止?jié)撛诘臐B透威脅。

水面艦船外壁的表面風壓是由外界空氣相對于艦船外表面的相對流速所致，其中海面風向與艦船航行方向相反時的相對流速最大。根據(jù)相關資料可知，當海上相對風速超過6.7 m/s時，污染物將被迅速沖淡從而威脅性明顯降低［10-11］。目前，國內(nèi)外普遍認為在4級海況（平均風速為8.00～17.1 m/s）以下才能形成有效的NBC污染區(qū)，而處于污染區(qū)內(nèi)的艦船可迎風前進以迅速駛離。

水面艦船受到NBC戰(zhàn)劑威脅的表面空氣壓力為

式中：p為風壓，Pa；K為空氣動力學系數(shù)；ρ為標準大氣壓的空氣密度，kg/m3；v為相對風速，m/s。

K的數(shù)值取決于風向和航向的夾角，艦船迎風時為正值，背風時為負值［12］。當艦船以最高航速30 kn迎風前進時，最高相對風速vmax=25.72 m/s。設K=1，ρ=1.2 kg/m3，則P=397 Pa?？紤]到集防區(qū)內(nèi)外溫差的影響，一般取10 Pa的壓力差補償值，則表面空氣壓力最大值Pmax=407 Pa。

2 全艦集防系統(tǒng)超壓值的仿真分析

在海上航行過程中，水面艦船各處的風壓將有所差別，迎風區(qū)域的風壓較大，背風局部區(qū)域則可能出現(xiàn)負壓。如果全艦都按照統(tǒng)一的標準設置超壓值，必然會導致空氣處理設備的負荷過重。因此，有必要針對全艦各個區(qū)域風壓進行仿真分析，并考慮局部區(qū)域氣流的疊加作用。

2.1 集防區(qū)的物理模型

以國外某護衛(wèi)艦為研究對象，開展全艦集防系統(tǒng)的壓力仿真分析。該艦長124 m，寬14 m，如圖1所示。

建立該型護衛(wèi)艦的1：1仿真模型，并進行如下簡化：

1）由于小型的露天武器設備對風壓影響較小，故僅保留大型的露天武器設備。

2）由于三維模型的中縱剖面和俯視面足以反映全艦的壓力分布情況，故將艦體簡化為二維模型。

3）由于艦體基本屬于封閉結(jié)構(gòu)，艦內(nèi)空氣的溫度和密度變化不大，故忽略熱壓作用的影響。

4）假設艦體靜止，將艦船航速等效為空氣流動的相對風速。

采用Gambit軟件建立的仿真模型如圖2和圖3所示。

2.2 集防區(qū)的數(shù)學模型

仿真模型的連續(xù)性方程為

式中：x和y為二維坐標系下的方向坐標，m；t為時間，s；u和v分別為x方向和y方向上的相對風速，m/s。

動量守恒方程為：

式中：U為速度矢量；μ為粘性系數(shù)，Pa·s。

湍流模型選用低雷諾數(shù)的k-ε模型，該模型對于近壁面壓力梯度的適應性較為良好，且其在湍流區(qū)的預報精度與標準k-ε模型非常接近。仿真計算的邊界條件為：入口邊界Velocity-inlet，出口邊界Pressure-out，艦體面為Wall壁面。

選擇氣流出口末端的0 Pa表壓為參考點，分析不同相對風速和風向?qū)ε烍w表面壓力場的影響，具體工況的邊界條件如表1所示。

表1 不同工況下邊界條件Table 1 Boundary conditions for different working conditions

3 全艦集防區(qū)超壓值仿真結(jié)果分析

4種工況下全艦表面壓力場分布的仿真計算結(jié)果如圖4所示，其中工況1和工況2的全艦表面壓力為-1 200～650 Pa，工況3和工況4的則為-400～300 Pa。由圖4可知，相對風速對艦體壓力分布的影響很大，同時迎風航行時（風向為0°）全艦壓力分布的區(qū)間較大。因此，設置全艦集防系統(tǒng)超壓值時，應重點考慮迎風航行且相對風速最大時的全艦壓力分布情況。

由圖4（a）可知：

1）駕駛室和桅桿前部處于正壓區(qū)，壓力值為250～650 Pa；桅桿后部為負壓區(qū)，壓力值為-300～-700 Pa。

2）艉部直升機平臺附近的壓力最低，約為-700～-1 200 Pa。

3）艦艏至桅桿處均處于正壓區(qū)，壓力從低到高（艏柱處除外）。其中桅桿前壁的壓力最高，之后迅速減小。桅桿頂部處于過渡區(qū)，之后變成負壓，并一直延伸到艦艉?？梢?，全艦的壓力分布極不均勻，從艦艏到艦艉呈下拋物線趨勢。

圖5所示為全艦流線分布圖（工況1）。由圖可見氣流在艦體艏部受到阻擋后，將向艦體上部移動直至桅桿頂部，由此形成較大的湍流，并卷吸桅桿后部的氣體流向艦體艉部。因此，艦艏至桅桿處均處于正壓區(qū)，且壓力從低到高。同時，桅桿后部沒有來自進口的氣流，故桅桿后部至直升機平臺均處于回流區(qū)，且負壓較大。

由圖4可知，全艦桅桿和駕駛室的壓力最大，全艦集防系統(tǒng)最大超壓值的設定應重點參考桅桿和駕駛室處的壓力分布（圖6和圖7）。

由圖6可知，桅桿處壓力分布極不均勻，桅桿前后分別為正壓區(qū)和負壓區(qū)，頂部也為負壓區(qū)。桅桿前部的最大正壓力為650 Pa。在桅桿頂部存在一個過渡區(qū)，即靠近桅桿前壁頂部的壓力為0 Pa，并隨即轉(zhuǎn)變?yōu)樨搲?。在桅桿后壁從上到下的區(qū)域，其負壓呈現(xiàn)先變大后變小的趨勢，其中桅桿頂部壓力約為-400 Pa，中部壓力約為-900 Pa，下部壓力約為-500 Pa。

由圖7可知，駕駛室前方的壓力比其頂部略低，前方壓力約為420 Pa，頂部約為490 Pa。這是因為桅桿面的氣流向下壓縮和駕駛室前方的氣流向上壓縮導致駕駛室頂部壓力比桅桿前壁高。

圖8所示為駕駛室俯視面的壓力分布圖。其迎風面的最大壓力為423 Pa，與圖7的420 Pa靜壓相當，驗證了采用二維模型代替三維模型的可行性。同時，該仿真結(jié)果與式（1）計算所得的407 Pa接近，偏差為3.97%，驗證了仿真方法的準確性。其中，駕駛室側(cè)面處于微負壓區(qū)，壓力為-200～450 Pa，而其側(cè)面拐角處負壓力則約為-1 000 Pa，這是由于拐角處風速過高所致。

為進一步分析駕駛室和桅桿的平均壓力場，選取如圖9所示的14個典型面，其平均壓力分布如圖10所示。由圖10可知，桅桿和駕駛室迎風面的平均壓力均在650 Pa以內(nèi)，其中桅桿頂部區(qū)域的壓力達到643 Pa，桅桿前部其他區(qū)域的壓力為500～590 Pa；桅桿后部區(qū)域的壓力為-856～-427 Pa；駕駛室前部和頂部的壓力分別為428和505 Pa。因此，整個艦體在桅桿迎風面的壓力最高，其值為520～650 Pa；駕駛室區(qū)域的壓力次之，其值為428～505 Pa。該仿真結(jié)果與歐美海軍的相關規(guī)范相當，進一步驗證了仿真結(jié)果的準確性。

4 結(jié) 論

針對全艦集防系統(tǒng)超壓值，在理論分析的基礎上對國外某護衛(wèi)艦開展了超壓值仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）當艦船在4級海況（風速為8.0～17.1 m/s）以30 kn最大航速迎風前進時，全艦集防系統(tǒng)的超壓理論值為407 Pa。

2）全艦壓力分布受風向和相對風速的影響，在迎風航行（風向為0°）且相對風速最大時，全艦壓力分布的區(qū)間最大。從艦艏到艦艉的壓力變化規(guī)律是：首先由低到高，在桅桿處壓力升至最高，之后迅速減小，在桅桿后壁至艦艉為負壓。

因此，設定全艦集防系統(tǒng)超壓值時應重點參考桅桿和駕駛室處的壓力分布。當艦船在4級海況以30 kn最大航速迎風前進時，全艦超壓值的分段設置方法如下：

1）建議艦艏至駕駛室區(qū)域的超壓值約為450～500 Pa。

2）桅桿一般處于無人區(qū)域，可不設置超壓，采取密閉結(jié)構(gòu)即可。

3）桅桿后壁至艦艉的超壓值可以適當降低，由于在最大橫向風速（17.1 m/s）下的理論壓力為175 Pa，故建議超壓值為200～300 Pa。

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