取氣位置對艦船甲板升溫效果影響的實驗研究

解從偉，遲 衛，金良安，安中昌

(海軍大連艦艇學院航海系，遼寧 大連116018)

對于艦船甲板上方的氣體，其大部分氣流下沉時因有艦船甲板的阻隔而無法再到達海面，于是不斷地在甲板表面積聚，進而也就無法與海水發生后續的海氣耦合作用，進行熱量交換［1-2］。在寒冷海區，隨著冷氣流的不斷積聚，艦船甲板表面溫度會隨之不斷降低，當降至冰點以下時，艦船甲板就十分容易結冰，從而帶來諸多不便和危險［3］。然而當前艦船甲板的除冰技術相對落后，為此，本文提出了基于艦船周圍氣流牽引式循環的甲板升溫技術。

鑒于氣流牽引式循環升溫技術受氣體牽引設備的取氣位置、吹氣位置等多種因素影響，前期實驗結果表明取氣位置相對吹氣位置，其對甲板平臺區域升溫效果的影響更為明顯，因此，本文將就取氣位置對甲板平臺區域升溫效果存在的影響進行實驗研究，分析取氣位置對甲板平臺區域升溫效果的影響情況。

1 實驗設計與實現

1.1 實驗原理

艦船甲板氣流牽引式循環升溫的技術是利用專用氣體牽引設備，對積聚于艦船甲板平臺區域內的溫度較低氣體和近海面表層的溫度較高氣體進行人工牽引，使兩者在艦體周圍形成微環流，進而使溫度較低氣體不再在艦船甲板平臺區域積聚，能夠自動回落到海面;與此同時，作上升運動的近海面表層的溫度較高氣體，將被牽引回填到甲板平臺區域，從而實現該區域升溫的目的。

該技術的核心內容，是通過人工牽引的方法使得被艦船甲板阻隔的海面氣體對流運動得以恢復，其原理見圖1。

圖1 艦船甲板平臺區域升溫防凍原理示意

其實現方法是:啟動氣體牽引設備1，將取氣口1a從甲板平臺區域或海面到甲板平臺區域間取到的氣體，經出氣口1b送到甲板平臺區域，以擾動該區域原有的氣體平衡，驅散在該區域積聚的溫度較低氣體4a，使其降落至海面，從而在船體周圍形成新的氣流微循環，即艦船微環境氣流牽引式循環。由于溫度較低氣體4a回落到海面，使甲板平臺區域表面壓強降低，因此，作上升運動的溫度較高氣體4b會自動填到該區域，使該區域的溫度明顯上升，從而達到對該區域進行升溫、防凍和除冰等目的。

根據上述氣流牽引式循環的升溫原理，針對不同的取氣位置進行相應實驗，即可考察取氣位置對甲板平臺區域升溫效果的具體影響。

1.2 實驗裝置

根據升溫原理，特設計制作了一套封閉式的原理性驗證模擬實驗裝置，見圖2，該實驗裝置由實驗區域和溫度指示區域兩大部分組成。

圖2 甲板平臺區域升溫的實驗原理示意

1)實驗區域主要包括水池(長1.2 m、寬1.0 m、高1.5 m)和模擬的甲板、氣體牽引設備以及擋板、三支溫度傳感器、控溫冰塊等。該部分可模擬寒冷海區艦船甲板平臺區域溫度的變化;實驗中水池用以模擬艦船所在的海上環境;氣體牽引設備的主要功能是驅散模擬甲板表面的低溫氣體，使其從模擬甲板表面回落到水面;擋板的作用是調節模擬甲板表面的面積，以在深入研究時考察甲板面積大小對升溫效果的影響;溫度傳感器用來測量模擬甲板表面的溫度和水溫;控溫冰塊的作用是使模擬甲板表面上方形成低溫環境，以模擬艦船甲板平臺區域上方的氣體環境。

2)溫度指示區域主要由溫度顯示器和溫度顯示器固定裝置等組成。該區域主要是顯示模擬甲板表面的溫度和水溫，以通過記錄和分析溫度顯示器的讀數來研究取氣位置對甲板平臺區域升溫效果的影響情況。

1.3 實驗方法

選擇三種不同取氣位置，啟動氣體牽引設備后，記錄不同時刻下甲板表面溫度的數據，進而考察分析其升溫情況。實驗中，模擬甲板長26 cm、寬為22 cm，水深約為37 cm，模擬甲板與水面間的距離約為33 cm，模擬甲板表面初始溫度穩定在0.8～0.9℃，水溫穩定在6.3～6.4℃，牽引氣體流速約為6 m/s。

實驗的具體步驟如下。

1)把氣體牽引設備固定在模擬甲板表面，并把三支溫度傳感器布置在指定位置(見圖3)，①距離擋板6 cm;②距離擋板20 cm;③位于水中。

2)將氣體牽引設備的吹氣口S布置于離模擬甲板端點(L)12 cm處，取氣口P1、P2和P3離甲板表面1、8和15 cm處，位置示意見圖3。

圖3 溫度傳感器、取氣口、吹氣口位置分布圖

3)打開電源，等溫度顯示器的讀數穩定之后，記錄此時顯示器的讀數;

4)不啟動氣體牽引設備，每隔2 min記錄顯示器的讀數;

5)約25 min后，啟動氣體牽引設備，每相隔2 min記錄顯示器的讀數，直至模擬甲板表面溫度不再明顯變化為止。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

根據上述實驗方法，測得取氣位置離甲板表面1、8、15 cm時的實驗數據分別見表1～3。其中θ1、θ2分別為圖3中模擬甲板表面傳感器①、②處的溫度，初始溫差是指水溫減去初始時刻甲板表面溫度所得的差。為了使實驗結果盡可能精確，特將模擬甲板表面①、②處的兩個溫度取平均值作為甲板表面平均溫度，即(θ1+θ2)/2。

2.2 實驗結果分析

為了更直觀地描述取氣位置對甲板平臺區域升溫效果的影響，特將甲板表面t時刻的溫度減去初始時刻的溫度所得的差定義為甲板表面的升溫幅度。由此，結合表1～3數據得出不同取氣位置時甲板表面不同時刻的升溫幅度曲線(見圖4)，其中，升溫幅度1、升溫幅度2和升溫幅度3表示取氣位置離甲板表面1、8、15 cm時甲板表面的升溫幅度。

表1 取氣位置離甲板表面1 cm時的實驗數據

表2 取氣位置離甲板表面8 cm時的實驗數據

表3 取氣位置離甲板表面15 cm時的實驗數據

圖4 甲板表面不同時刻的升溫幅度曲線

由圖4可知，取氣位置離甲板表面分別為1、8、15 cm時甲板表面升溫的總幅度約為1.1、1.7和2.3℃。可見，取氣位置會明顯影響甲板平臺區域的升溫效果，取氣位置離甲板表面越遠，甲板平臺區域的升溫效果就越明顯;隨著時間的變化，甲板表面溫度不斷升高;初始時其表面溫度升高快，達到一定程度后不再升高。而且，從時間上看，大約12 min后甲板表面升溫幅度不再明顯，也就是說大約前12 min是升溫的主效時段，之后的時段對甲板表面升溫的貢獻不再明顯。因此，在實際工作中，可按其主效時段來啟動運行氣體牽引設備，當甲板表面達到一定溫度后即可間歇性停機，這樣既能使甲板表面溫度的升高又能大大降低能量的損耗。

3 結論

取氣位置對甲板平臺區域升溫效果的影響。結果表明取氣位置離甲板表面越遠，甲板平臺區域的升溫幅度就越大，其升溫效果也就越好。這可為氣流牽引式循環升溫技術的深入研究提供必要的理論和實驗基礎。有關氣體牽引設備的吹氣位置、牽引氣體流量以及水溫等影響甲板表面溫度的具體規律等內容，有待于后續進一步深入研究。

［1］劉大剛，張永寧.航海氣象學與海洋學［M］.大連:大連海事大學出版社，2011.

［2］陳魯愚，陳順懷，嚴新平.大型遠洋風帆助航船舶節能效率分析［J］.船海工程，2010，39(6):121-123.

［3］張 軍.軍事氣象學［M］.北京:氣象出版社，2011.