劉輝，浦金云，李其修，吳向君

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

潛艇的應(yīng)急挽回手段主要包括車(chē)、舵、高壓氣吹除壓載水艙、拋棄可棄壓載物和浮力調(diào)整水艙調(diào)水進(jìn)行均衡等，其中車(chē)舵是潛艇正常機(jī)動(dòng)時(shí)的操縱手段［1-2］，而當(dāng)潛艇在水下較高航速發(fā)生尾卡大下潛舵角、潛艇艙室通海管路破損進(jìn)水以及耐壓艙室破損進(jìn)水等重大險(xiǎn)情事故時(shí)，在現(xiàn)有的應(yīng)急操縱技術(shù)條件下，只能利用高壓氣吹除主壓載水艙獲取正浮力和校正力矩實(shí)施應(yīng)急起浮使?jié)撏细≈了妫?］.

通過(guò)對(duì)高壓氣吹除主壓載水艙的過(guò)程進(jìn)行分析，在推導(dǎo)并建立了高壓氣吹除主壓載水艙數(shù)理模型基礎(chǔ)上，為了更好地研究潛艇高壓氣吹除主壓載水艙系統(tǒng)的吹除規(guī)律，分析高壓氣吹除的效率和影響高壓氣吹除能力的因素，并驗(yàn)證建立的高壓氣吹除主壓載水艙數(shù)理模型和數(shù)值仿真結(jié)果，本文通過(guò)設(shè)計(jì)潛艇高壓氣吹除主壓載水艙系統(tǒng)的小比例模型進(jìn)行原理實(shí)驗(yàn)，分析高壓氣吹除主壓載水艙過(guò)程中主要性能參數(shù)的變化情況以及影響高壓氣吹除效率的各種影響因素.

1 潛艇高壓氣吹除主壓載水艙數(shù)理模型

1.1 高壓氣在吹除過(guò)程中釋放的流量

當(dāng)高壓氣吹除主壓載水艙時(shí)，高壓氣直接流經(jīng)管道進(jìn)入壓載水艙，可不考慮管路的摩擦和壓降.拉瓦爾噴管即先縮后放的縮放噴管，可以使氣流從亞聲速加速到超聲速，因此可將高壓氣從高壓氣瓶流經(jīng)高壓管道流向壓載水艙的流動(dòng)模擬為拉瓦爾(Laval)噴管［4］.設(shè):PF、TF、ρF分別表示高壓氣瓶中氣體壓力、溫度和密度;PB、TB分別表示壓載水艙中氣體壓力和溫度;c為高壓氣流動(dòng)速度;P1為氣瓶噴嘴截面處壓力;˙mF為高壓氣流量;At為噴嘴的噴口面積;Ct為閥流量系數(shù)(0≤Ct≤1)，k為等熵常數(shù)，取k=1.4;R為氣體常數(shù)287.1J/(kg·K).經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得:

考慮流量限制閥因素Ct=A/At，則

1.2 高壓氣吹除主壓載水艙排水模型

將吹入到壓載水艙中的高壓氣作為研究對(duì)象，此研究對(duì)象是一個(gè)變能量、變質(zhì)量的熱力系統(tǒng)，在建立高壓氣吹除排水模型時(shí)作出以下基本假設(shè)［5-6］:

1)進(jìn)入壓載水艙的高壓氣與海水瞬時(shí)完成質(zhì)量和能量的交換，將吹除過(guò)程按時(shí)間劃分為若干個(gè)均勻的時(shí)間計(jì)算點(diǎn)，并且將每個(gè)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的氣體狀態(tài)變化看作準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程;

2)不考慮壓載水艙內(nèi)氣液兩相的混合流動(dòng)過(guò)程，假設(shè)壓載水艙中高壓氣和海水具有水平的氣液分界面;

3)高壓氣吹入壓載水艙過(guò)程中由于高壓氣吹除系統(tǒng)吸收和高壓氣與海水之間熱傳遞的能量損失，用能量損失系數(shù)考慮，并且在高壓氣吹除主壓載水艙整個(gè)過(guò)程中是一個(gè)常數(shù).

隨著高壓氣進(jìn)入壓載水艙，壓載水艙中氣體壓力高于壓載水艙外的環(huán)境壓力，從而使壓載水艙中的水排出，壓載水艙中排水的速度隨壓載水艙內(nèi)壓力變化而變化，壓載水艙的排水量計(jì)算可以根據(jù)等量體積法計(jì)算，該方法依據(jù)壓載水艙中氣體體積之和等于高壓氣吹除壓載水艙的排水體積，由于壓載水艙在吹除過(guò)程中與外界海水相通，則壓載水艙的壓力為

式中:Phi為各壓載水艙外環(huán)境壓力;Pat為大氣壓力;z0為潛艇潛深;隨吹除過(guò)程中隨潛艇實(shí)時(shí)狀態(tài)變化而變化;xBi為壓載水艙中心縱向坐標(biāo)，θ為潛艇瞬時(shí)縱傾角，d為潛艇殼體直徑.VT為吹除壓載水艙總體積;VTi為單個(gè)壓載水艙體積;VB為壓載水艙總的氣體體積;VBi為單個(gè)壓載水艙的氣體體積;VB0為壓載水艙初始?xì)怏w容積，Buoy為壓載水艙總的排水量.

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

潛艇高壓氣吹除主壓載水艙系統(tǒng)小比例模型由高壓氣瓶、壓載水艙、高壓管道以及閥件、測(cè)量裝置等組成.為了確切地研究高壓氣的吹除效果，將實(shí)驗(yàn)壓載水艙置于實(shí)驗(yàn)水池中，利用實(shí)驗(yàn)壓載水艙的吃水形成壓載水艙排水孔的背壓［7-8］.為了保證實(shí)驗(yàn)壓載水艙在高壓氣吹除過(guò)程中的穩(wěn)定性，在壓載水艙兩側(cè)分別附加一個(gè)艙室用于壓載來(lái)提高實(shí)驗(yàn)艙的穩(wěn)度［9］，具體設(shè)計(jì)如圖1所示，壓載水艙底面中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)O.

圖1 實(shí)驗(yàn)艙總體設(shè)計(jì)Fig.1 The general design chart of experimental compartment

實(shí)驗(yàn)艙主尺度為:長(zhǎng) L=1.1 m，寬 B=0.3 m，高H=0.8 m，共分3個(gè)艙，包括一個(gè)吹除壓載水艙和2個(gè)附加艙.中部的壓載水艙在距實(shí)驗(yàn)艙底部0.7 m處設(shè)置一甲板進(jìn)行分割，目的是使吹除實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)壓載水艙能注滿(mǎn)水，并給實(shí)驗(yàn)艙足夠的儲(chǔ)備浮力，防止實(shí)驗(yàn)艙在壓載水艙注水或吹除過(guò)程中傾覆.為了保證壓載水艙在吹除實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前注滿(mǎn)水，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)艙在吹除實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)吃水T≥0.7 m.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)設(shè)定不同的高壓氣瓶氣體壓力初始條件，利用不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，設(shè)定不同的排水孔大小(圓形排水孔直徑分別為3 cm和4 cm)，進(jìn)行高壓氣吹除壓載水艙實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證高壓氣吹除主壓載水艙排水模型以及吹除壓載水艙排水過(guò)程中的氣液流動(dòng)規(guī)律，并分析排水孔大小對(duì)高壓氣吹除效果的影響以及影響高壓氣吹除效率的因素.

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓力氣瓶的壓力變化范圍為1～5 MPa，表1和表2分別給出了排水孔直徑分別為30 mm和40 mm時(shí)不同工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;圖2和圖3分別給出了氣瓶初始?jí)毫? MPa和2 MPa，排水孔直徑為30 cm和40 cm時(shí)壓載水艙排水量、實(shí)驗(yàn)艙吃水、實(shí)驗(yàn)艙縱傾、高壓氣流量、氣瓶出口壓力以及壓載水艙壓力的實(shí)時(shí)變化曲線.

表1 不同初始工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(排水孔直徑30 mm)Table 1 The experimental results of different initial conditions(drainage hole diameter 30 mm)

表2 不同初始工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(排水孔直徑40 mm)Table 2 The experimental results of different initial conditions(drainage hole diameter 40 mm)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從表1和表2中實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及圖2和圖3中的測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論模型計(jì)算結(jié)果比較接近，誤差較小.除此之外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還有以下現(xiàn)象:

1)高壓氣吹除壓載水艙過(guò)程中，壓載水艙水未被排盡時(shí)高壓氣則出現(xiàn)溢出，并且氣瓶初始?jí)毫υ礁?，高壓氣溢出出現(xiàn)時(shí)間越早，溢出時(shí)的剩余水量越多.如排水孔直徑為30 mm，當(dāng)氣瓶初始?jí)毫? MPa時(shí)，吹除28.3 s高壓氣出現(xiàn)溢出，溢出時(shí)壓載水艙剩余水量約0.005 m3;當(dāng)氣瓶初始?jí)毫? MPa時(shí)，吹除11.6 s高壓氣就出現(xiàn)溢出，溢出剩余水量約為0.02 m3.分析原因是由于氣瓶初始?jí)毫υ礁撸邏簹獯党试酱?，壓載水艙排水速度越快，由于壓載水艙內(nèi)氣體壓力過(guò)大，壓載水艙內(nèi)剩余一定水量后高壓氣從排水孔處流出艙外.

2)高壓氣吹除過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)艙并不是正直無(wú)縱傾上浮，吹除過(guò)程中實(shí)驗(yàn)艙出現(xiàn)縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)，并且隨著氣瓶初始?jí)毫υ礁?，出現(xiàn)縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)幅度越大.如排水孔直徑為30 mm，當(dāng)氣瓶初始?jí)毫? MPa時(shí)，實(shí)驗(yàn)艙的最大縱傾達(dá)4.68°;當(dāng)氣瓶初始?jí)毫? MPa時(shí)，實(shí)驗(yàn)艙的最大縱傾達(dá)9.05°.出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是由于吹除過(guò)程中壓載水艙內(nèi)出現(xiàn)不穩(wěn)定的自由液面，氣瓶壓力越高，高壓氣流入壓載水艙的速度越快，氣液摻雜混合越強(qiáng)烈，實(shí)驗(yàn)艙出現(xiàn)橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)幅度越大.

3)氣瓶初始吹除條件相同時(shí)，排水孔越大，壓載水艙排水速度越快，出現(xiàn)縱搖和橫搖幅度越大.如氣瓶壓力為3 MPa，排水孔直徑為30 mm時(shí)，排完壓載水艙內(nèi)的水需要21.6 s，實(shí)驗(yàn)艙的最大縱傾為5.94°;而排水孔直徑為40 mm時(shí)，排完壓載水艙內(nèi)的水需要16.7 s，實(shí)驗(yàn)艙的最大縱傾為7.29°.

4)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可知，氣瓶初始?jí)毫ο嗤?，流量限制閥的開(kāi)口不同，高壓氣的吹除率不同，壓載水艙排水速度也不同.流量限制閥開(kāi)口越大，高壓氣流量越大，壓載水艙排水速度越慢.如表1中，氣瓶壓力為2 MPa，流量閥開(kāi)口比例為1時(shí)，高壓氣溢出需要28.3 s，而氣瓶壓力為2 MPa，流量閥開(kāi)口比例為3/4時(shí)，高壓氣溢出則需要38 s.

5)從實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果中實(shí)驗(yàn)艙的縱傾可以看出，在壓載水艙吹除開(kāi)始階段，實(shí)驗(yàn)艙縱搖幅度迅速增大，吹除一段時(shí)間后，實(shí)驗(yàn)艙縱搖幅度趨于平緩，當(dāng)吹除后期高壓氣溢出后出現(xiàn)大量氣泡，實(shí)驗(yàn)艙出現(xiàn)劇烈縱搖運(yùn)動(dòng).實(shí)驗(yàn)艙出現(xiàn)縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)歸根結(jié)底是由于壓載水艙中自由液面引起的，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和CFD仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)和仿真出現(xiàn)的現(xiàn)象基本一致.

6)從實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果中壓載水艙壓力可以看出，吹除初始階段由于高壓氣的快速流入，壓載水艙中的壓力迅速升高，出現(xiàn)一個(gè)壓力峰值，隨著壓載水艙不斷排水，壓載水艙的壓力緩慢下降，高壓氣出現(xiàn)溢出后壓載水艙內(nèi)壓力迅速下降，并且高壓氣吹除率越大，壓載水艙中壓力越高.

圖2 壓力為3 M Pa閥開(kāi)口比例為1時(shí)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Fig.2 The results of cylinder when pressure 3 MPa and valve opening percentage is 1

圖3 壓力為2 MPa閥開(kāi)口比例為3/4時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Fig.3 The results of cylinder pressure 2 MPa and valve opening percentage is 3/4

圖4 高壓氣吹除壓載水艙過(guò)程中實(shí)驗(yàn)艙的狀態(tài)變化過(guò)程Fig.4 The state change of experimental tank during gas blow ing ballast tank

4 結(jié)論

針對(duì)潛艇高壓氣吹除主壓載系統(tǒng)特點(diǎn)，論文在建立高壓氣吹除主壓載水艙系統(tǒng)數(shù)理模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了小比例高壓氣吹除裝置和壓載水艙排水實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)小比例實(shí)驗(yàn)裝置模擬了高壓氣吹除過(guò)程，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相同參數(shù)條件下的數(shù)理模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證建立數(shù)理模型的準(zhǔn)確性.從比較結(jié)果可以看出，數(shù)理模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表明通過(guò)熱力學(xué)方法建立數(shù)理模型中部分假設(shè)和簡(jiǎn)化是合理的，能對(duì)壓載水艙吹除過(guò)程進(jìn)行正確表述.

1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和數(shù)據(jù)可知，高壓氣吹除壓載水艙排水過(guò)程中，除用于排水做功外，還有其它能量損失，如壓載水艙中高壓氣與水摻混、傳熱，壓載水艙艙壁吸收等，因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行不同初始條件的實(shí)際排水量，壓載水艙氣體壓力等參數(shù)帶入建立的高壓氣吹除排水?dāng)?shù)理模型中進(jìn)行迭代推導(dǎo)，修正模型中的損失系數(shù)和流量系數(shù)，對(duì)數(shù)理模型進(jìn)行逐步擬合修正.

2)從不同條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，影響高壓氣吹除排水效率的因素很多，如高壓氣瓶的初始?jí)毫?，高壓氣瓶的容量，高壓氣瓶噴口直徑，高壓氣管道的長(zhǎng)度和直徑，壓載水艙排水孔大小等，但影響排水速度的關(guān)鍵是高壓氣吹除率，高壓氣吹除率與壓載水艙排水速度成正比，因此提高高壓氣吹除壓載水艙排水能力的有效措施就是提高高壓氣的吹除率和降低高壓氣吹除率的衰減率.

3)通過(guò)小比例實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CFD模擬壓載水艙排水過(guò)程的現(xiàn)象可知，吹除過(guò)程中壓載水艙內(nèi)并非穩(wěn)定的水平的氣液分界面，會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定自由液面，在吹除開(kāi)始階段和后期階段越明顯，并且高壓氣吹除率越高，壓載水艙高壓氣與水摻混的程度越劇烈.

4)由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文開(kāi)展的高壓氣吹除壓載水艙排水模擬實(shí)驗(yàn)還有一些不足，如實(shí)驗(yàn)沒(méi)有模擬潛艇不同航行深度時(shí)的高壓氣吹除能力，下一步通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)壓力平衡水艙來(lái)模擬壓載水艙的排水背壓環(huán)境.

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