牵引气体流量对舰船甲板升温效果影响实验

解从伟，金良安，迟 卫，韩云东，安中昌

(1.海军大连舰艇学院航海系，辽宁 大连 116018;2.海军大连舰艇学院装备自动化系，辽宁 大连 116018)

0 引言

在海平面上方，通常存在着有规则的气体上升、下降又上升这样循环的对流运动。而当海面上存在舰船时，舰船甲板以外的海面仍然进行着上述的气流循环运动;对于舰船甲板上方的气体，其大部分气流下沉时因有舰船甲板的阻隔而无法再到达海面，于是不断地在甲板表面积聚，进而也就无法与海水发生后续的海气耦合作用，进行热量交换［1－3］。

在寒冷海区，随着冷气流这样的不断积聚，舰船甲板表面温度就会随之不断降低，当降至冰点以下时，舰船甲板就可能十分容易结冰，从而带来诸多不便和危险［4－7］。为改善这一现状，课题组特提出了基于舰船周围气流牵引式循环的甲板平台区域升温技术研究。

鉴于气流牵引式循环升温技术受气体牵引设备的牵引气体流量、吹气位置和取气位置等多种因素影响，同时考虑有关吹气位置和取气位置对甲板平台区域升温效果的影响规律等内容在后续进行深入研究，本文将专门就牵引气体流量对甲板平台区域升温效果存在的影响进行研究，利用专门研制的原理性验证模拟实验装置，在水面与甲板表面的初始温差相同情况下，对牵引气体流量为0.5，1.5和3 L/min进行实验比对，分析牵引气体流量对甲板平台区域升温效果的影响情况。

1 实验设计与实现

1.1 实验原理

根据气流循环理论，特提出舰船甲板气流牵引式循环升温的思想——利用专用气体牵引设备，对积聚于舰船甲板平台区域内的温度较低气体和近海面表层的温度较高气体进行人工牵引，使二者在舰体周围形成微环流，进而使温度较低气体不再在舰船甲板平台区域积聚，能够自动回落到海面;与此同时，作上升运动的近海面表层的温度较高气体，将被牵引回填到甲板平台区域，从而实现该区域升温的目的。

该技术思想的核心内容，是通过人工牵引的方法使得被舰船甲板阻隔的海面气体对流运动得以恢复，其原理示意如图1所示。

图1 舰船甲板平台区域升温防冻原理示意图Fig.1 Temperature rising principles of ship deck

参见图1，其实现方法是:启动气体牵引设备(1)，将取气口(1a)从甲板平台区域或海面到甲板平台区域间取到的气体，经出气口(1b)送到甲板平台区域，以扰动该区域原有的气体平衡，驱散在该区域积聚的温度较低气体(4a)，使其降落至海面，从而在船体周围形成新的气流微循环，即舰船微环境气流牵引式循环。由于温度较低气体(4a)回落到海面，使甲板平台区域表面压强降低，因此，作上升运动的温度较高气体(4b)被牵引回填到该区域，使该区域的温度明显上升，从而达到对该区域进行升温、防冻和除冰等目的。

本文旨在考察牵引气体流量不同对甲板平台区域升温效果的影响规律，为此，可根据上述气流牵引式循环的升温思想，针对不同的牵引气体流量进行相应实验，即可考察牵引气体流量对甲板平台区域升温效果的具体影响情况。

1.2 实验装置

根据上述的升温原理，特设计制作了1套封闭式的原理性验证模拟实验装置(如图2所示)，本次实验主要就牵引气体流量对甲板平台区域升温效果的影响进行研究。该实验装置由实验区域和温度指示区域两大部分组成，各部分细述如下。

1)实验区域部分主要包括水池 (长1.2 m、宽1 m、高1.5 m)和模拟的甲板、气体牵引设备以及挡板、3个温度传感器、控温冰块等。该部分可模拟寒冷海区舰船甲板平台区域温度的变化;实验中水池用以模拟舰船所在的海上环境;气体牵引设备的主要功能是驱散模拟甲板表面的低温气体，使其从模拟甲板表面回落到水面;挡板的作用是调节模拟甲板表面的面积，以在深入研究时考察甲板面积大小对升温效果的影响;温度传感器用来测量模拟甲板表面的温度和水温;控温冰块的作用是使模拟甲板表面上方形成低温环境，以模拟舰船甲板平台区域上方的气体环境。

2)温度指示区域主要由温度显示器和温度显示器固定装置等组成。该区域主要是显示模拟甲板表面的温度和水温，以通过记录和分析温度显示器的读数来研究牵引气体流量对甲板平台区域升温效果的影响情况。

1.3 实验方法

图2 甲板平台区域升温的实验原理示意图Fig.2 The schematic diagram of experimental device

实验在3种不同牵引气体流量的情况下进行，启动气体牵引设备后，记录不同时刻下甲板表面温度的数据，进而考察分析其升温情况。实验中，模拟甲板长为24 cm、宽为20 cm，水深约为40 cm，模拟甲板与水面间的距离约为30 cm，模拟甲板的表面初始温度稳定在1.5～1.6℃，水温稳定在7.5～7.6℃。实验的具体步骤如下:

1)把气体牵引设备固定在模拟甲板表面，并把3支温度传感器布置在指定位置 (如图3所示)，其中，①距离挡板8 cm;②距离挡板18 cm;③位于水中。

2)将气体牵引设备的取气口S布置于离模拟甲板表面2 cm处，吹气口P离模拟甲板端点(L)13 cm处，其位置示意如图3所示。

3)打开电源，等温度显示器的读数稳定之后，记录此时显示器的读数。

图3 温度传感器、取气口及吹气口位置分布图Fig.3 Positions of temperature sensors，air intake and air vent

4)不启动气体牵引设备，每隔2 min记录显示器的读数。

5)约25 min后，启动气体牵引设备，每隔2 min记录显示器的读数，直至模拟甲板表面温度不再明显变化。

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

根据上述实验方法，测得牵引气体流量为0.5，1.5和3 L/min时的实验数据分别如表1～表3所示，其中T1和T2分别为图3中模拟甲板表面传感器①和②处的温度，初始温差是指水温减去初始时刻甲板表面温度所得的差。为了使实验结果尽可能精确，特将模拟甲板表面①和②处的2个温度取平均值作为甲板表面平均温度，即(T1+T2)/2。

表1 牵引气体流量为0.5 L/min时的实验数据Tab.1 Experimental data of 0.5 L/min

表2 牵引气体流量为1.5 L/min时的实验数据Tab.2 Experimental data of 1.5 L/min

表3 牵引气体流量为3 L/min时的实验数据Tab.3 Experimental data of 3 L/min

续表

2.2 实验结果分析

为了更直观地描述牵引气体流量对甲板平台区域升温效果的影响，特将甲板表面T时刻的温度减去初始时刻的温度所得的差定义为甲板表面的升温幅度。由此，结合表1～表3数据得出了不同牵引气体流量时甲板表面不同时刻的升温幅度，如表4所示，进而有如图4所示的升温幅度曲线。其中，升温幅度1、升温幅度2和升温幅度3表示牵引气体流量为0.5，1.5和3 L/min时甲板表面的升温幅度。

表4 甲板表面不同时刻的升温幅度数据表Tab.4 Experimental data of warming-up amplitude

由表4可知，牵引气体流量为0.5，1.5和3 L/min时，甲板表面升温的总幅度为0.5℃、1.2℃和1.7℃左右。可见，牵引气体流量会明显影响甲板平台区域的升温效果;牵引气体流量越多，甲板表面的升温效果就越明显。由图4可知，随着时间的变化，甲板表面温度不断升高;初始时其表面温度升高快，达到一定程度后不再升高。大约12 min后甲板表面升温幅度不再明显，也就是说大约前12 min是升温的主效时段，之后的时段对甲板表面升温的贡献不再明显。因此，在实际工作中，可按其主效时段来启动运行气体牵引设备，当甲板表面达到一定温度后即可间歇性停机，这样既能使甲板表面温度升高又能大大降低能量损耗。

图4 甲板表面不同时刻的升温幅度曲线Fig.4 The curves of warming-up amplitude

3 结语

本文利用专门设计的实验装置，对牵引气体流量为0.5，1.5和3 L/min进行升温效果的对比实验。通过综合分析甲板表面的升温幅度，初步研究了在水面与甲板表面的初始温差相同情况下牵引气体流量对甲板平台区域升温效果的影响。发现牵引气体流量会明显影响甲板平台区域的升温效果，牵引气体流量越多，甲板平台区域的升温幅度就越大，升温效果也就越好，如牵引气体流量为3 L/min时甲板表面升温幅度约为1.7℃，而牵引气体流量为0.5 L/min时其升温的总幅度仅为0.5℃左右。本结论可为气流牵引式循环升温技术的深入研究提供必要的理论和实验基础。但有关气体牵引设备的吹气位置和取气位置等影响甲板表面温度的具体规律等内容，有待于后续进一步深入研究。

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