裝備快速封存技術中的傳感器配置研究

鄭曉曦，張雨，張磊，羅劍

（裝甲兵工程學院，北京 100072）

裝備在長期封存過程中，由于受到周圍介質（如大氣、海水或微生物）的作用，會產生腐蝕和霉變，因而在監測封存環境狀態的過程中，最重要的物理量是封存裝備空間的溫度和濕度[1]。封存空間和外界環境沒有絕對隔離，在穩態情況下密封體與外界環境也存在透濕現象，甚至會出現結露問題，在動態除濕過程中溫濕度場的分布更加復雜[2]。首先，由于封存裝備空間較大，自身存在較大的溫濕度梯度，特別是在進行動態除濕的過程中溫濕度場的情況復雜，這就意味著不能隨意選擇傳感器布點位置。其次，由于裝備長期封存有特殊要求，所以封存過程中對封裝環境狀態監測技術也有特殊要求。

因而，傳感器最優配置（數目與布點位置）的合理與否將直接影響封裝裝備的狀態監測以及動態除濕的效果。

1 配置原則

1.1 放置位置的原則

1）確保監測數據的可信度。在對封存裝備進行動態除濕過程中，封存裝備內部存在較大的濕度梯度場，封裝裝備內部空間溫度、濕度分布不均勻，動態除濕的過程中內部溫度、濕度的分布情況更為復雜。因此，在選取傳感器布點位置時，要充分考慮該點溫濕度數據的代表性，使測量數據能很好地反應封裝環境的真實狀態，以便能夠準確地測量和精確地控制。

2）所選的監測位置要便于安裝傳感器。裝甲裝備內部空間結構復雜，要考慮到選點位置是否便于安裝溫濕度傳感器。

3）所選傳感器監測點使整個封裝空間沒有監測盲區。傳感器的有效感應范圍有限，封裝裝甲裝備內部空間較大，要充分考慮到監測盲區。

1.2 配置傳感器質量的原則

1）能夠實現系統自我糾錯功能。傳感器一旦布置在封存裝備內部進行使用，就不能再進行更換，這也是裝甲裝備快速封存技術的一項特殊要求。在封裝裝備狀態監測過程中，傳感器使用的環境比較惡劣，因而傳感器自身的使用可靠性不容忽視。為使監測系統能夠有效、可靠地工作，整個監測系統應具有自我糾錯功能。

2）確保狀態監測的精度。通過各監測點的數據比對，可提供精確的溫濕度數據，對模型的精度可達到最大，而對其他誤差估計可達到最小。

1.3 配置傳感器數目的原則

盡量降低成本與能耗，主要是指節約系統費用和降低能耗，包括在沒有監測盲區的前提下盡量減少傳感器的用量和降低運行過程中的電量消耗。因為封裝環境中監測設備在很長時間內不能進行電池更換，所以要盡可能降低系統的電量消耗，這就要求對于傳感器的數目要有所限制。

2 放置位置的確定

CFD 技術在計算室內流場、溫度場等方面被證明是一種有效的技術[3]。首先，利用CFD技術對某型封裝裝備動態除濕過程中的內部空間溫濕度場進行仿真分析，得到整個過程中封存空間的溫度、濕度分布情況，經過數據分析得到封存空間內部溫度值和濕度值的危險位置，并結合上文中提到的位置確定原則，確定傳感器的布置位置。

2.1 封存裝備溫濕度場仿真物理模型

依據某型實際裝備內部構造尺寸建立了三維模型，并結合CFD技術進行仿真條件限定，對所建立的三維模型進行了相應的簡化。將簡化后的模型導入面向CFD 的專業前處理器軟件（GAMBIT）中，利用GAMBIT 對封裝裝備仿真的物理模型進行相應的設定以及網格劃分[4]，計算模型網格劃分后如圖1所示。

圖1 裝備內部空間計算模型Fig.1 Equipment interior space calculation model

2.2 CFD仿真數學模型

CFD 技術通過求解普遍遵守的質量守恒、動量守恒、能量守恒方程,獲得計算區域的各種參數。仿真過程中選用標準的k-ε湍流模型?？紤]到水分子在擴散過程中伴隨著熱量的交換，為了減少溫濕度和氣流計算結果的誤差影響，依據CFD 技術的基礎知識和數值傳熱學理論[4—5]，得出關于封存裝備空間流體各變量，有以下微分控制方程組。

連續性方程：

動量方程：

式中：Ui，Uj為各速度分量；ρ為氣體密度；P 為壓力；μ為氣體的動力黏度。

標準k-ε模型的湍動能k 和耗散率ε方程如下：

式中：μt為湍流黏性系數為由于平均速度梯度引起的湍動能；Gb為由于浮力影響引起的湍動能；YM為可壓縮湍流膨脹對總的耗散率的影響；Cμ=0.09；在fluent（商用CFD軟件包）中，G1ε，C2ε，C3ε，σk，σε為默認值常數，分別為1.44，1.92，0.09，1.0，1.3。

水汽的質量濃度計算公式：

式中：C為水汽的質量濃度；Γc為水汽的擴散系數，不考慮隨氣體溫度的變化時Γc=3.185×10-5m2/s。

2.3 CFD數值仿真的假設條件

在對封裝裝備穩態情況下溫濕度分布情況進行仿真分析時，設定CFD數值仿真的假設條件。

1）送風為來流速度、溫度恒定的穩態紊流干空氣，內部氣體為不可壓縮流體，且滿足Boussinesq 假設，認為流體密度的變化僅對浮力產生影響，出風口壓強與裝備內部相同。

2）計算流體為干空氣和水蒸氣的理想氣體混合物，液態水滴中不包含溶解的空氣?？諝獾拇嬖诓挥绊懰魵饧捌淠巯嗥胶?，平衡濕度和分壓力對應飽和溫度計算。

3）計算過程中不考慮裝備內的輻射傳熱。

4）流場具有高的紊流雷諾系數，流體的紊流黏性具有各向同性。

5）氣流為低速流動，可忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱。

6）不考慮漏風的影響，認為內部氣密性良好。

2.4 濕度分布的仿真結果

通過對封裝裝備整個除濕過程的動態仿真，得知在動態除濕過程中溫度場梯度不大，但是濕度場梯度較大。當有個別位置的濕度值達到控制值時，經過對此時裝備內部空間的濕度值比較得出測點位置分布情況如圖2所示A，B處。

圖2 裝備內部濕度分布及傳感器放置位置Fig. 2 Equipment distribution and the internal humidity sensors position

3 試驗驗證

通過對仿真數據的分析，從圖3 中可以看出整個封存空間內部溫度場梯度不大，濕度的最高值位置為圖2中所示A與B所處的邊緣帶狀區域，并且在該區域內部各點的相對濕度值均為60%，除2處邊緣帶狀區域外的其余部位濕度值都相差不大，相對濕度都集中在50%左右。結合上文中提出的傳感器配置原則，初步確定監測傳感器的數目為2個，布點位置與仿真結果一致。

通過對封裝裝備動態除濕過程的仿真，得知最先達到濕度控制范圍的為圖2中的C處區域（干燥空氣進風口）。試驗測量時，在C處布置一個溫濕度傳感器，當C 處的相對濕度值達到最優控制范圍50%以內時，采集其余2點溫濕度值，見表1。

圖3 裝備內部溫度分布Fig.3 Equipment temperature distribution

表1 仿真值與試驗值Table 1 Simulation value with the experimental comparison

經過實驗論證，動態除濕過程中的濕度和溫度仿真值與測量值基本吻合，但仍然存在一定的誤差。存在誤差的原因主要是：

1）在建立物理模型時，為了更方便地建立仿真模型而對封裝裝備內部進行了大量的簡化；

2）封裝裝備與外界環境存在熱交換，不是嚴格的密閉隔熱環境。

4 結語

1）提出了裝備快速封裝技術中傳感器配置的原則與具體實施方法。

2）應用CFD 技術對封裝裝備整個除濕過程進行了動態仿真，得出在動態除濕過程中溫濕度場的分布情況：溫度場梯度不大，但是濕度場梯度較大，分布情況較為復雜。

3）經過仿真研究和實驗論證確定了某型封裝裝甲裝備溫濕度傳感器配置的數目和位置。

對裝備快速封裝技術中傳感器的配置研究方法可推廣到其他裝備的封裝操作中，為進一步研究封裝裝備狀態監測奠定了基礎。

[1]王浚，黃本誠，萬才大，等.環境模擬技術[M].北京：國防工業出版社，1996：230—231.

[2]鄭鐵軍，張會奇，孟凡金.濕熱環境下裝甲裝備封存方法應用研究[J].裝備環境工程，2010，7（4）：95—96.

[3]YI Jiang, CHEN Qingyan. Study of Natural Ventilation in Buildings by Large Eddy Simulation[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2001，35（89）：1155—1178.

[4]王瑞金.FLUENT技術基礎與應用實例[M].北京：清華大學出版社，2007.

[5]陶文銓. 數值傳熱學[M]. 西安：西安交通大學出版社，2001：342—345.