一種船用大氣壓力探頭的設(shè)計與試驗

喻俊峰，金正濤，劉帥

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

在船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計中，在局部區(qū)域建立相對于外界大氣的正壓或負(fù)壓進(jìn)行空氣流通限制是較為常見的處理手段。當(dāng)實施艙室超壓或負(fù)壓測量時，首先要掌握外界大氣壓力的水平，作為艙室超壓或負(fù)壓測量的基準(zhǔn)。這個基準(zhǔn)往往通過一種采集大氣壓力的大氣壓力探頭建立。由于水面船舶在航行時，相對運行產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)帶來流場動壓的干擾， 不利于船舶艙室大氣壓力的采集與測量。需要一種具備有較強(qiáng)抗干擾能力的大氣壓力探頭，降低海洋環(huán)境或船舶運行所帶來的環(huán)境風(fēng)速對系統(tǒng)建壓的影響。常用的抗干擾措施是采用透氣阻尼材料，但在海洋高濕、鹽霧環(huán)境中，阻尼材料容易堵塞并喪失靜壓采樣能力。因此，需要一種能夠適應(yīng)船舶海洋環(huán)境，具有較強(qiáng)靜壓采集能力的大氣壓力探頭，即在相對較高的環(huán)境風(fēng)速條件下，能夠盡量消除環(huán)境風(fēng)脈動引起的動力變化，采集靜壓的誤差盡可能小，從而便于船舶系統(tǒng)建立起較為精確的壓力基準(zhǔn)，使船舶系統(tǒng)的壓力水平能夠與外界大氣相匹配，系統(tǒng)能夠正常工作。為此，提出一種大氣壓力探頭初步設(shè)計方案，采用數(shù)據(jù)仿真和性能試驗相結(jié)合的方法，探討大氣壓力探頭各種設(shè)計參數(shù)對靜壓采樣的影響。

1 設(shè)計約束

船用大氣壓力探頭作為船舶系統(tǒng)工作的壓力基準(zhǔn)，其采集的壓力值定義為0。當(dāng)大氣壓力探頭用于采集船舶所在海洋環(huán)境大氣靜壓時，一般安裝在船舶與外界大氣直接相通的部位或較有較大開口的艙室，常見的安裝部位是較寬敞的通風(fēng)圍阱、起錨系泊設(shè)備艙、艉甲板平臺、露天平臺等。在這些部位除有較高的環(huán)境風(fēng)速外，還面臨著低溫、高濕、霉菌、鹽霧、海水浸入等不利影響，這種環(huán)境條件不適宜電氣設(shè)備的安裝使用，故大氣壓力探頭往往設(shè)計為純機(jī)械設(shè)備?；诖?，在船舶系統(tǒng)的設(shè)計中，一般采用壓差式測量，將采集艙室大氣壓力和艙外大氣壓力的探頭設(shè)計為機(jī)械式，通過密性管路連接至電子儀表進(jìn)行壓差感知、顯示、報警，其工作原理見圖1。

圖1 船舶系統(tǒng)艙室壓力測量原理示意

一般定義6級海況為惡劣海況，在6級海況下風(fēng)力可達(dá)到8～9級(17.2 ～24.4 m/s)，是較多船舶能夠承受的最高等級海況，加之船舶航速的影響，逆風(fēng)航行時相對風(fēng)速可達(dá)到30 m/s，對大氣壓力的采集與艙室壓力的測量帶來較大的影響。因此，大氣壓力探頭的設(shè)計約束要求如下。

1)在空氣流場中采集到的艙室靜壓變化Δ盡可能小，Δ具體變化范圍應(yīng)根據(jù)船舶系統(tǒng)的工作要求提出，大氣壓力探頭用于船舶外界大氣壓力采集時，環(huán)境風(fēng)速高，一般不大于30 m/s，Δ的數(shù)值可以適當(dāng)提高；大氣壓力探頭用于艙內(nèi)大氣壓力采集時，環(huán)境風(fēng)速低，一般不大于10 m/s，可將Δ的數(shù)值可以適當(dāng)降低。

2)應(yīng)便于安裝和維護(hù)，避免在海洋環(huán)境條件下?lián)p壞、堵塞。

3)純機(jī)械設(shè)備，采用耐腐蝕材料。

2 設(shè)計方法

2.1 測量原理

大約有十幾種不同結(jié)構(gòu)的全向大氣壓力探頭，其中比較有代表性的是圓盤靜壓探頭，其核心原理是通過圓盤式探頭消除水平風(fēng)向脈動引起的氣壓變化。此外，為了消除垂直風(fēng)脈動引起的動壓變化，探頭截面必須適于使垂直風(fēng)脈動在圓盤兩側(cè)中心引起的動壓變化大致相等且符號相反。

基于圓盤靜壓探頭的特點，結(jié)合船舶的環(huán)境條件和船舶系統(tǒng)的使用要求，從伯努利方程機(jī)理出發(fā)，參考皮托管靜壓采樣方式，設(shè)計一種船用大氣壓力探頭，見圖2。該大氣壓力探頭由采集圓盤、平行圓盤、套筒、連接件等四部分組成。連接件一端為外部接口，與船舶系統(tǒng)的空氣采集管路連通，連接件另一端為內(nèi)部接口，內(nèi)設(shè)取壓管與采樣圓盤通過采樣孔連通。采樣孔設(shè)在采樣圓盤上，平行圓盤與采樣圓盤保持相對平行，間距由套筒長度決定。

圖2 船用大氣壓力探頭結(jié)構(gòu)示意

船用大氣壓力探頭基于壁面靜壓測量的原理，采樣孔位于采樣圓盤和平行圓盤之間。當(dāng)有外界空氣流場通過大氣壓力探頭時，采樣圓盤和平行圓盤的存在可使空氣平行流過采樣圓盤，從而在采樣孔處消除了垂直風(fēng)向脈動引起的動壓變化，使采樣孔采集的壓力基本為靜壓。在安裝時應(yīng)將船用大氣壓力探頭的圓盤盡量與外界空氣流場相平行，使環(huán)境對大氣壓力采集的影響降至最低。

對大氣壓力探頭的采樣性能有較大影響的是采樣圓盤與平行圓盤的大小、套筒長度、采樣孔直徑、來流空氣與平行圓盤的夾角，其中前三項與設(shè)備設(shè)計有關(guān)，后一項與安裝使用環(huán)境關(guān)系大。

2.2 設(shè)計過程

在圓盤尺寸大小的取值方面，根據(jù)船用大氣壓力探頭的應(yīng)用場景，在測量空氣流場中的靜壓力時，應(yīng)將空氣流動對大氣壓力探頭采集造成的影響降到最低。根據(jù)伯努利方程，流體動壓為

(1)

從式(1)可見：環(huán)境風(fēng)速越大，代表著空氣動壓越大，同時動壓對靜壓測量的干擾也越大，為了抵消動壓對靜壓測量的影響，需要的采集圓盤尺寸越大。但圓盤過大會產(chǎn)生不利影響，使設(shè)備整體外形尺寸、重量偏大，不利于設(shè)備的安裝固定，需要的安裝空間大，由于船舶艙室空間小、設(shè)備布置較為密集，過大的圓盤尺寸會造成與艙室結(jié)構(gòu)、其他設(shè)備間距小，對流場產(chǎn)生擾動，帶來測量不準(zhǔn)確的問題；另外，圓盤尺寸過小則不能完全消除風(fēng)向垂直脈動方向的動壓變化影響，同樣使測量不準(zhǔn)確。根據(jù)某系統(tǒng)設(shè)計約束和大氣壓力探頭擬安裝的流場房間大小，綜合考慮重量等因素，圓盤外徑取值100～200 mm較為合理。

關(guān)于套筒長度的取值，由于套筒長度決定著采樣圓盤與平行圓盤的間距，間距取值應(yīng)合理，間距過小時加工制造難度增加，且在海洋的鹽霧環(huán)境中容易堵塞，不利于長期使用，維護(hù)保養(yǎng)也較為困難；間距過大時，容易使流經(jīng)大氣壓力探頭采樣孔的平行風(fēng)產(chǎn)生回流擾動，影響靜壓采樣。根據(jù)某系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)束，取值2～10 mm較為合理。

關(guān)于采樣孔直徑的取值，從理論上講，采樣孔的直徑越小，對靜壓測量越有利；采樣孔直徑越大時，會使流經(jīng)大氣壓力探頭的流場在采樣孔內(nèi)部形成回流，影響靜壓采樣。采樣孔直徑越小時，在海洋的鹽霧環(huán)境中容易堵塞。經(jīng)綜合考慮，取值0.5～2.0 mm較為合理。

3 初步設(shè)計

某型大氣壓力探頭根據(jù)應(yīng)用場景和系統(tǒng)的設(shè)計約束，設(shè)計模型見圖3。

圖3 某船用大氣壓力探頭模型

采樣圓盤與平行圓盤采用螺栓連接并通過套筒固定圓盤之間的距離，連接件通過螺釘與采樣圓盤連接。大氣壓力探頭測量靜壓的測點位置位于流動的平穩(wěn)區(qū)，如圖4所示，其中探頭距墻面的距離、至少取400 mm，距離進(jìn)口的距離至少取500 mm，距離出口的距離至少取500 mm；圓盤與氣流來流方向平行;出口處連接一個垂直于圓盤的長度至少為100 mm的直導(dǎo)壓管。

圖4 大氣壓力探頭安裝示意

在設(shè)計選材上，圓盤、連接件等均選用耐腐蝕不銹鋼，大氣壓力探頭外觀為不銹鋼本色。

4 仿真分析

為了評估大氣壓力探頭的采集能力，需要引入測量誤差Δ，用于表示大氣壓力探頭采集的靜壓偏差，其計算公式為：

Δ=-

(2)

式中：為大氣壓力探頭采集的靜壓；為大氣壓力探頭所在環(huán)境中的標(biāo)準(zhǔn)大氣靜壓。

|Δ|越小，表示大氣壓力探頭的靜壓采樣能力越強(qiáng)。

對圖3的設(shè)計結(jié)果進(jìn)行CFD模擬仿真計算，建立二維模擬模型見圖5。

圖5 大氣壓力探頭二維模擬示意

圖5中，中間為大氣壓力探頭的模型，周圍為流體域。設(shè)定流體域為4 000 mm×4 000 mm。設(shè)定流體域的左邊界為速度入口，右側(cè)為壓力出口，上下兩側(cè)均為壁面。設(shè)定壓力出口的表壓為0，針對不同的入口速度條件，進(jìn)行二維CFD模擬，工況條件見表1。

表1 二維模擬工況表

運用CFD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，得到的靜壓力結(jié)果見圖6。

圖6 靜壓力云圖

圖6表明，不同工況下大氣壓力探頭內(nèi)部及附近的靜壓分布趨勢相似。大氣壓力探頭圓盤下方左側(cè)形成正壓區(qū)，右側(cè)形成負(fù)壓區(qū)。圓盤上方左側(cè)形成負(fù)壓區(qū)，且負(fù)壓區(qū)的大小隨著速度夾角的增大而增大。壓力探頭圓盤之間的區(qū)域壓力從左到右逐漸由正壓變?yōu)樨?fù)壓。接管內(nèi)部形成局部的負(fù)壓。且負(fù)壓的絕對值隨著速度夾角的增大而減小。

為了進(jìn)一步確定壓力探頭上下圓盤之間的靜壓值，在壓力采集模型中設(shè)置2個靜壓采集面，靜壓采集面的位置見圖7。

圖7 靜壓力采集面位置示意

計算結(jié)果見表2。

表2 不同入口速度的靜壓力采集值 Pa

由表2可見，各工況下采壓面1的平均負(fù)壓大小均小于采壓面2的平均負(fù)壓大小。對于不同的工況，隨著速度夾角的增大，相應(yīng)采壓面的平均負(fù)壓大小逐漸減小。

為了更準(zhǔn)確地模擬大氣壓力探頭內(nèi)部靜壓力場，建立大氣壓力探頭在管道中的三維模型，將大氣壓力探頭模型置于1個直徑為1 000 mm，高度為4 500 mm的流體域中?？紤]到壓力探頭對流場的擾動，壓力探頭后方尾流較長，故壓力探頭距離流體域的右邊緣較長。設(shè)定圓柱形流體域的上邊緣為速度入口，下邊緣為壓力出口，兩側(cè)為壁面。

設(shè)定入口氣流方向為平行于水平方向，得到的數(shù)值模擬結(jié)果見圖8。

圖8 三維模擬探頭局部靜壓力

對比表2工況一的局部靜壓圖可知，三維模擬的局部靜壓分布更均勻，壓力探頭接管附近的正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)更小，且在接管內(nèi)部的平均靜壓偏差Δ為4 pa。

當(dāng)來流方向為正對大氣壓力探頭的采樣圓盤方向時，見圖9，氣流的速度方向為水平方向，與大氣壓力探頭的采樣圓盤平面垂直。

圖9 流體速度方向正對圓盤模型

運用CFD軟件進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖10。

圖10 來流正對圓盤三維模擬局部靜壓

由圖10可見，當(dāng)來流方向正對大氣壓力探頭圓盤，在設(shè)定的來流速度下，大氣壓力探頭采樣圓盤與平行圓盤之間的靜壓力低于-20 Pa，而大氣壓力探頭采樣孔內(nèi)部的靜壓力為-73 Pa，偏差較大。

由二維和三維的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，采用圖3所示方案的大氣壓力探頭可以滿足在來流10 m/s的速度，壓力探頭圓盤面與水平面夾角在0°～10°變化的條件下，靜壓采集波動與采集位置的靜壓偏差Δ在20 Pa內(nèi)。在設(shè)定的來流速度下，來流方向與大氣壓力探頭圓盤面垂直時，Δ明顯增大，故不可使大氣壓力探頭的圓盤面與來流速度方向垂直。在系統(tǒng)設(shè)計中需要注意此約束，將船用大氣壓力探頭的圓盤盡量與外界空氣流場相平行，使環(huán)境對大氣壓力采集的影響降至最低。

5 性能實驗

5.1 實驗原理

為了進(jìn)一步探究大氣壓力探頭的靜壓采樣能力，進(jìn)行實驗分析。實驗裝置由高速離心風(fēng)機(jī)和風(fēng)管出口段兩部分組成，風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)不同風(fēng)速，出口風(fēng)速精確值及出口段靜壓力由皮托管標(biāo)定，利用變頻器對出口段射流風(fēng)速進(jìn)行無極調(diào)速。實驗裝置提供風(fēng)機(jī)近出口處為0～30 m/s的風(fēng)速，實驗裝置及原理示意于圖11。

圖11 實驗裝置及原理

根據(jù)射流的卷吸作用和擴(kuò)散作用原理，自由圓射流的截面沿射程方向逐漸增大，形成錐形流場，錐形流場的核心區(qū)氣流速度分布均勻，數(shù)值相等?；谶@一特點，實驗裝置的離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的空氣流在風(fēng)管出口處形成高速射流，在本實驗利用射流近出口核心區(qū)速度分布均勻原理，模擬大氣壓力探頭在不同環(huán)境風(fēng)速下，通過測量采集到的靜壓偏差Δ，從而進(jìn)行靜壓采集能力實驗。

實驗分為兩組進(jìn)行。實驗一用于分析圓盤間距及環(huán)境風(fēng)速對大氣壓力探頭靜壓采樣的影響；實驗二用于分析空氣來流方向角度對大氣壓力探頭靜壓采樣的影響。

5.2 圓盤間距與風(fēng)速實驗

實驗一主要針對大氣壓力探頭的圓盤間距、環(huán)境風(fēng)速兩個參數(shù)開展，測量大氣壓力探頭在不同圓盤間距、不同環(huán)境風(fēng)速下的靜壓變化。采樣圓盤和平行圓盤用螺栓連接并通過套筒來調(diào)節(jié)兩圓盤距離，記兩圓盤之間的距離為ε。實驗時ε值通過調(diào)節(jié)套筒長度(實驗時由M5的平墊圈疊加)來實現(xiàn)，從而調(diào)節(jié)氣流進(jìn)入探頭的進(jìn)口面積。環(huán)境風(fēng)速通過變頻器驅(qū)動離心風(fēng)機(jī)實現(xiàn)調(diào)節(jié)。

實驗中，將ε的取值分別設(shè)為2、6、8 mm以及去掉上蓋板(即ε無窮大)，環(huán)境風(fēng)速分別取值0、5、8、10、12、16、18、25、27.5、30 m/s。在各種工況下分別測量Δ，結(jié)果見表3。

表3 不同間距和風(fēng)速時探頭靜壓偏差

分析表3數(shù)據(jù)可知，在間距ε為2及6 mm時探頭靜壓偏差較小，在低風(fēng)速(18 m/s以下)的情況下，間距2和6 mm時探頭靜壓偏差相近，而高風(fēng)速(18 m/s以上)的情況下，間距2 mm時的探頭靜壓偏差小于6 mm時的探頭靜壓偏差。間距8 mm時，探頭靜壓偏差與無窮大時的探頭靜壓偏差基本相當(dāng)。由此可見，間距ε大于8 mm時，對于探頭性能提升有限。

從實際使用，日常維持保養(yǎng)等維度綜合考慮，認(rèn)為大氣壓力探頭取值6 mm較為合理。

5.3 來流風(fēng)向與風(fēng)速實驗

基于試驗一結(jié)果，固定大氣壓力探頭2圓盤的間距為6 mm，將大氣壓力探頭的圓盤與來流風(fēng)向形成不同的角度，分別測量在不同角度、不同風(fēng)速條件下的靜壓偏差。

實時中，以來流風(fēng)向與圓盤平行為0°，以來流風(fēng)向與圓盤垂直為90°，分別試驗0°、10°、20°、30°、45°、60°、90°共7中工況，環(huán)境風(fēng)速分別取值0、5、8、10、12、16、18、25、27.5、30 m/s。實驗結(jié)果見表4。

表4 間距6 mm時不同角度及風(fēng)速靜壓力偏差

分析試驗結(jié)果，在各種風(fēng)速下，風(fēng)向與大氣壓力探頭的夾角大于45°時，Δ有明顯偏大；夾角90°時的Δ明顯大于夾角60°時的Δ，分析認(rèn)為是圓盤的迎風(fēng)面結(jié)構(gòu)的影響；而風(fēng)向與大氣壓力探頭的夾角低于30°時，Δ相差不大。因此實際使用時，應(yīng)根據(jù)大氣壓力探頭安裝的環(huán)境條件，充分利用艙室氣流組織，盡量使圓盤與來流風(fēng)向不大于30°，盡可能降低對大氣靜壓采樣的影響。

6 結(jié)論

針對船舶系統(tǒng)的具體應(yīng)用需求，提出一種無阻尼材料的圓盤式的大氣壓力探頭的設(shè)計方案。通過CFD軟件進(jìn)行數(shù)值仿真初探表明，環(huán)境風(fēng)動壓會造成雙圓盤的結(jié)構(gòu)的采樣孔內(nèi)部形成局部的負(fù)壓，環(huán)境空氣流速越大，采集到的靜壓偏差較大。實驗發(fā)現(xiàn)，雙圓盤的間距、空氣來流方向等的角度對探頭靜壓采集有影響，雙圓盤的間距控制在8 mm以內(nèi)較為合理，間距超過8 mm時大氣壓力探頭性能提升有限。空氣來流方向與圓盤的夾角不超過30°時，大氣壓力探頭的性能較為穩(wěn)定，在安裝大氣壓力探頭時，應(yīng)選擇氣流較為穩(wěn)定的艙室，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計條件選擇適應(yīng)的設(shè)計參數(shù)，圓盤的迎風(fēng)面結(jié)構(gòu)方式對靜壓采樣有影響，可采取優(yōu)化設(shè)計使流場導(dǎo)流，避免堵塞流場，降低靜壓偏差。