潜艇高压气吹除系统流量模型的构建与实验分析

刘 辉，李其修，吴向君，李志辉

(海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033)

0 引言

潜艇在水下以较高航速航行时，若发生尾卡大下潜舵角、舱室通海管路破损进水及耐压舱室破损进水等重大险情事故时，在现有应急挽回操纵技术条件下，只能利用高压气吹除主压载水舱获取正浮力和校正力矩实施应急起浮使潜艇快速上浮至水面［1－2］。潜艇获取正浮力的大小取决于压载水舱的吹除排水量，而吹除排水量取决于单位时间内进入压载水舱的高压气量。因此潜艇高压气吹除系统模型建立的准确与否严重影响潜艇事故时挽回判定成功与否，而高压气吹除系统模型构建的关键是确定高压气系统吹除流量模型，有必要开展潜艇高压气吹除系统的理论研究、仿真研究和物理模型实验研究，通过不同研究手段获取高压气吹除系统的高压气流量模型。论文在建立高压气吹除系统高压气流量数理模型的基础上，通过设计高压气吹除系统管路流动原理实验装置，进行多种工况管路流动实验分析高压气系统高压气吹除流量的影响因素，并验证所建数理模型的准确性。

1 高压气吹除系统高压气流量数理模型

潜艇高压气应急吹除压载水舱系统的工作过程中，高压气通过管道从高压气瓶快速流入潜艇主压载水舱，此高压气释放过程可比作拉瓦尔喷管的气体流动过程，因此可将高压气从高压气瓶流经高压管道流向压载水舱的流动模拟为拉瓦尔 (Laval)喷管［3－4］，经过分析推导可得:

试验研究表明，高压气在吹除过程中温度基本保持不变，可将此流动视为绝热流动，根据绝热过程表达式，高压气吹除系统中的气体压力和温度变化如下式:

式中:P1和T1分别为气瓶喷嘴截面处压力和温度;PF和TF分别为气瓶中气体的压力和温度，Pb为吹除压载水舱的压力;PF0，mF0和TF0分别为气瓶中气体初始压力、质量和温度;为高压气流量;At为喷嘴的喷口面积;Ct为吹除流量系数(0≤Ct≤1);k为等熵常数，取k=1.4;R为气体常数287.1 J/(kg·K)。

2 高压气吹除系统高压气流量验证实验

2.1 实验的设计

实验设计所用气瓶的容积为12 L，为保证高压气瓶气体的释放速率，实验设计的高压气瓶压力范围为2～10 MPa［5］。高压气瓶喷嘴口直径为Φ3 mm，高压气瓶和吹除压载水舱之间联接高压管道的内径为Φ3 mm，高压气瓶上可安装压力表，用来测量高压气瓶中气体的压力。气瓶出口处安装气体流量计和压力传感器，气体流量计用来测量高压气瓶释放气体的实时流量，压力传感器用来测量高压气瓶释放气体过程中的压力气瓶出口管道中的压力，具体设计图和装置图如图1和图2所示［6－7］。

图1 高压气吹除系统设计图Fig.1 The design chart of blowing system

图2 高压气流量模型验证实验装置图Fig.2 The experimental setup of flow model validation

2.2 实验结果

实验环境温度为25℃，高压管道长2 m，直径3 mm，管壁阻力系数f=0.15，材质与实艇使用相同［8］。实验根据不同初始条件测定了气瓶出口管道中的压力和流量，由于高压气流量变化很快，将高压气瞬时流量采样频率取0.1 s，实验数据由数据采集系统获取并处理，对测量结果依据高压力流量数理模型拟合得到了吹除流量系数，实验工况和流量系数测量结果如表1所示。工况1～工况5是将气瓶中的气体通过高压管道直接释放到空气中，工况6和工况7通过在气瓶出口安装阻力装置形成30 bar的背压环境释放高压气。从表1中可看出，流量系数随不同初始压力变化而变化，但基本保持在0.7左右。图3～图6给出了不同气瓶压力时实验和数理模型仿真时气瓶出口压力和流量变化情况，仿真时的流量系数取0.7，阀全开时间取2 s。

表1 不同实验工况下吹除流量系数的拟合结果Tab.1 The regression results of blowing flowing coefficient

图3 气瓶压力为3 MPa时气瓶出口压力和高压气流量历程图Fig.3 The change of pipeline pressure and flow when the cylinder pressure 3 MPa

图4 气瓶压力为6 MPa时气瓶出口压力和高压气流量历程图Fig.4 The change of pipeline pressure and flow when the cylinder pressure 6 MPa

图5 气瓶压力为8 MPa时气瓶出口压力和高压气流量历程图Fig.5 The change of pipeline pressure and flow when the cylinder pressure 8 MPa

图6 背压为30 bar时气瓶压力分别为8 MPa和9 MPa时高压气流量历程图Fig.6 The pipeline flow under 30 bar's resistance pressure when the cylinder pressure 8 MPa and 9 MPa

2.3 实验结果分析

根据实验测得的数据可知，在气体释放初期，高压气瓶出口管道压力迅速下降，高压气流量的衰减速度很快，管道出口气体流动速度均能达到声速，实验结果与建立的数量模型的计算结果比较接近，高压气每秒流量误差在8%以内，满足工程精度要求，因此依托拉瓦尔喷管理论建立的高压气流量数理模型能较好描述高压气流量释放过程，仿真过程中将高压气吹除的流量系数取0.7是比较合理的。对比仿真和实验结果，误差出现原因主要有以下3点:

1)高压气体流动过程中传热、管壁吸收等带来的能量损失考虑不充分;

2)高压气瓶容量和气瓶喷口直径等特征参数差异对高压气流动的影响;

3)高压气流动速度过快，受测量装置的影响采样频率过大。

3 结语

在建立高压气吹除系统高压气流量数理模型的基础上，通过设计高压气吹除系统小比例实验装置模拟高压气吹除的流动过程，将数据测量结果与模型仿真结果相比较，并利用数理模型对实验结果进行回归拟合，结果表明将吹除流量系数取0.7较为合适。对实验结果进一步分析可知，高压气流量主要取决于高压气的吹除率及其随时间的衰减率。高压气吹除率是高压气每秒进入主压载水舱的质量，取决于高压气的初始工作压力，吹除管路的直径，吹除阀门，吹除管道的特性以及高压气吹除的方式等;而高压气随时间的衰减率取决于潜艇上高压气的储备量，也就是参加吹除的气瓶数量，参加吹除的气瓶数量越多，吹除率的衰减越慢。因此在潜艇设计过程中，可以通过提高高压气瓶的工作压力和吹除气瓶的数量，以及在潜艇吹除主压载水舱系统基础之上建立一套应急吹除系统，提高高压气吹除能力。

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