艦船微環(huán)境氣流牽引式循環(huán)升溫防凍技術(shù)研究

解從偉，金良安，余軍浩，遲 衛(wèi)，安中昌，王 涌

（1.海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧 大連 116018；2.61741部隊，北京 100097）

0 引 言

艦船甲板平臺區(qū)域的防凍和除冰，在當(dāng)今仍然是亟待解決的一個技術(shù)難題。現(xiàn)有甲板平臺區(qū)域除冰方法[1-7]主要包括兩大類：（1）熱力融冰法，其除冰的主要原理是焦耳熱原理，包括過電流密度法、電磁波法、微波法和激光法等；（2）機械破冰法，即基于機械裝置的除冰方法，包括強力振動法、電脈沖除冰法、電斥分離系統(tǒng)除冰法和電磁應(yīng)力線法等。

然而，這兩類方法都存在明顯的不足[1，8]，歸納起來主要有：（1）除冰效率低，現(xiàn)行方法不僅浪費時間、人力和物力，而且融化后的冰水積聚在甲板上很有可能重新結(jié)冰；（2）除冰成本高，熱力融冰法的能量損耗大，而且使用范圍小，機械破冰法的工作強度大且難以實現(xiàn)快速除冰的目的；（3）除冰危險性大，比如因艦船甲板平臺區(qū)域結(jié)冰后表面非常滑，人員在除冰過程中易發(fā)生危險甚至可能危及生命等。

現(xiàn)有除冰方法存在的這些不足，由于一直未能找到合適的辦法加以克服，因而被看成是甲板平臺區(qū)域除冰技術(shù)中的“瓶頸”，如何盡快設(shè)法解決，是當(dāng)前急需研究的重要課題。為此，本文特提出艦船微環(huán)境氣流牽引式循環(huán)升溫防凍理論，研究其升溫防凍原理，制作專用的原理性驗證模擬實驗裝置，進而利用該實驗裝置驗證氣流牽引式循環(huán)升溫防凍技術(shù)應(yīng)用于甲板平臺區(qū)域防凍和除冰的可行性和有效性。

1 技術(shù)思想的提出

本文研究的氣流牽引式循環(huán)升溫防凍的技術(shù)思想是基于氣象學(xué)基礎(chǔ)和艦船甲板平臺區(qū)域的低溫形成機理而提出的。

1.1 氣象學(xué)基礎(chǔ)

大氣經(jīng)常處于不斷的運動之中，其主要運動方式包括有規(guī)則的大氣環(huán)流運動和無規(guī)則的大氣亂流運動[9]。有規(guī)則的環(huán)流運動又分為空氣的水平方向運動和垂直方向運動，其中垂直運動又稱為空氣對流運動。對流在氣象學(xué)上通常指有規(guī)則的升降運動，它包括空氣的上升運動和下沉運動。

根據(jù)對流成因的不同，對流可分為熱力對流和動力對流。熱力對流中的氣塊在垂直方向上形成垂直加速度為

式中：T′——氣塊內(nèi)部的溫度；

T——氣塊周圍環(huán)境的溫度。

在海面上由于存在海氣耦合現(xiàn)象，因此氣流在垂直方向上也存在較有規(guī)律的運動。在廣闊的海面，上方低溫氣團因密度較大將在重力作用下逐漸下沉；當(dāng)其沉到海平面時，將與海水發(fā)生感熱、潛熱、動量和水汽等交換，氣溫上升，隨之又作上升運動。而當(dāng)溫暖氣團上升到一定高度時，氣團又因輻射冷卻，溫度不斷降低，直至氣團又作前述的下沉運動[10]。

1.2 艦船甲板平臺區(qū)域的低溫形成機理

根據(jù)上述分析，在海平面上方，通常存在著有規(guī)律的氣體上升、下降又上升的循環(huán)對流運動。而當(dāng)海面上存在艦船時，艦船甲板以外的海面仍然進行著上述的氣流循環(huán)運動；對于艦船甲板上方的氣體，其大部分氣流下沉?xí)r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(fā)生后續(xù)的海氣耦合作用進行熱量交換。

在寒冷海區(qū)，隨著冷氣流的不斷積聚，艦船甲板表面溫度就會隨之不斷降低，當(dāng)降至冰點以下時，艦船甲板就十分容易結(jié)冰，從而帶來諸多不便和危險。

1.3 氣流牽引式循環(huán)升溫防凍的技術(shù)思想

當(dāng)前艦船甲板平臺區(qū)域的防凍和除冰技術(shù)相對落后，為改善這一現(xiàn)狀，根據(jù)前述分析，特提出氣流牽引式循環(huán)升溫防凍的技術(shù)思想——利用專用氣體牽引設(shè)備，對積聚于艦船甲板平臺區(qū)域內(nèi)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(huán)流，從而使溫度較低氣體不再積聚在艦船甲板平臺區(qū)域，能夠自動回落到海面；與此同時，近海面表層的作上升運動的溫度較高的氣體，將被牽引回填到甲板平臺區(qū)域，從而實現(xiàn)該區(qū)域升溫防凍的目的。

該技術(shù)思想的核心內(nèi)容，是通過人工牽引的方法使得因艦船甲板的存在而被阻隔的海面氣體對流運動得以恢復(fù)，其原理如圖1所示。

圖1 艦船甲板平臺區(qū)域升溫防凍原理示意圖

參見圖1，其實現(xiàn)方法是：啟動氣體牽引設(shè)備（1），將氣體經(jīng)吹氣口（1b）送到甲板平臺區(qū)域，以擾動該區(qū)域原有的氣體平衡，驅(qū)散在該區(qū)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(huán)，即艦船微環(huán)境氣流牽引式循環(huán)。由于溫度較低氣體（4a）回落到海面，使甲板平臺區(qū)域表面壓強降低，因此，作上升運動的溫度較高的氣體（4b）被牽引回填到該區(qū)域，使該區(qū)域的溫度明顯上升，從而達到對該區(qū)域進行升溫、防凍和除冰等目的。

2 原理性驗證實驗設(shè)計

為驗證艦船微環(huán)境氣流牽引式循環(huán)升溫防凍技術(shù)應(yīng)用于甲板平臺區(qū)域防凍和除冰的可行性和有效性，特設(shè)計了一套模擬實驗裝置，并提出了相應(yīng)的實驗方案。

2.1 實驗裝置

艦船微環(huán)境氣流牽引式循環(huán)升溫防凍的模擬實驗裝置，由實驗區(qū)域和溫度指示區(qū)域兩大部分組成，如圖2所示。

圖2 氣流牽引式循環(huán)升溫防凍的實驗原理示意圖

實驗區(qū)域部分主要包括水池（1.2m×1m×1.5m）和模擬的甲板、氣體牽引設(shè)備以及擋板、4支溫度傳感器、控溫冰塊等。該部分可模擬寒冷海區(qū)艦船甲板平臺區(qū)域溫度的變化；實驗中氣體牽引設(shè)備的主要功能是驅(qū)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(diào)節(jié)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防凍效果的影響；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(huán)境，以便較好地模擬艦船甲板平臺區(qū)域上方的氣體環(huán)境。

溫度指示區(qū)域主要由溫度顯示器和溫度顯示器固定裝置等組成。該區(qū)域主要是顯示模擬甲板表面的溫度和水溫，通過記錄和分析溫度傳感器顯示的讀數(shù)來較為全面地對艦船微環(huán)境氣流牽引式循環(huán)升溫防凍技術(shù)進行研究。

2.2 實驗方法

本實驗?zāi)M甲板表面在3種不同初始溫度下，對氣流牽引式循環(huán)升溫防凍技術(shù)的升溫防凍效果進行研究。

實驗中，模擬甲板的長為26cm、寬為24 cm，水深約為40cm，模擬甲板與水面的高度約為30cm，水溫穩(wěn)定在7.5～7.6℃，牽引氣體的流量約為1.3L/min。實驗的具體步驟如下：

（1）把4支溫度傳感器分別布置在指定位置，再把氣體牽引設(shè)備固定在模擬甲板表面，位置如圖3所示。其中：①距離擋板5cm；②距離擋板10cm；③距離擋板20cm；④位于水中；

（2）將氣體牽引設(shè)備的取氣口m布置于離水面20cm處，吹氣口n離模擬甲板端點（N）14cm；

（3）打開溫度傳感器的電源，等溫度傳感器顯示的溫度讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄此時4支溫度傳感器顯示的讀數(shù)；

（4）啟動氣體牽引設(shè)備，每隔2min記錄各溫度傳感器的讀數(shù)，時間用T（min）表示。

圖3 溫度傳感器、取氣口、吹氣口位置分布圖

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

根據(jù)2.2所述的實驗步驟，測得實驗數(shù)據(jù)如表1、表2和表3所示，其中甲板表面①、②、③溫度表示溫度傳感器①、②、③處的模擬甲板表面溫度。

3.2 實驗結(jié)果分析

為了使實驗精度更加精確，本文將溫度傳感器位置①、②、③處的模擬甲板表面的3個溫度取平均值作為甲板表面溫度。甲板表面升溫幅度是由T時刻甲板表面溫度減去初始時刻甲板表面溫度所得的差。由此，特結(jié)合表1～表3數(shù)據(jù)得出了模擬甲板表面3種初始溫度下不同時刻的甲板表面升溫幅度數(shù)據(jù)如表4所示，升溫幅度曲線如圖4所示。其中，升溫幅度1、2和3分別表示模擬甲板表面初始溫度為-1.2～-1.1℃、0.2～0.3℃和1.5～1.6℃時甲板表面的升溫幅度。

由表4和圖4可知，在水溫相同的情況下，模擬甲板表面初始溫度為-1.2～-1.1℃時總的升溫幅度為2℃左右；模擬甲板表面初始平均溫度為0.2～0.3℃時總的升溫幅度為1.1℃左右；模擬甲板表面初始平均溫度為1.5～1.6℃時總的升溫幅度為0.54℃左右。

表1 初始溫度為-1.2～-1.1℃時實驗數(shù)據(jù)表

表2 初始溫度為0.2～0.3℃時實驗數(shù)據(jù)表

表3 初始溫度為1.5～1.6℃時實驗數(shù)據(jù)表

表4 升溫幅度數(shù)據(jù)表

圖4 升溫幅度曲線

可見，當(dāng)水溫高于模擬甲板表面溫度時（相當(dāng)于寒冷季節(jié)時海水溫度高于艦船甲板表面溫度），啟動氣體牽引設(shè)備后，氣流牽引式循環(huán)技術(shù)能使甲板表面的溫度升高，升溫幅度由水與模擬甲板表面的初始溫差和作用時間決定。在一定時間內(nèi)，如果水與模擬甲板表面的初始溫差越大，那么甲板表面的升溫幅度也就越大。因而也表明了氣流牽引式循環(huán)技術(shù)應(yīng)用于甲板平臺區(qū)域升溫防凍以及除冰是可行和有效的，這一實驗結(jié)果與前面理論分析的結(jié)果是相符的。

4 結(jié)束語

本文針對當(dāng)前艦船甲板平臺區(qū)域除冰技術(shù)普遍存在著效率低、代價高、危險性大等問題，提出了艦船微環(huán)境氣流牽引式循環(huán)升溫防凍理論，構(gòu)建了其升溫防凍的原理，設(shè)計并制作了專門的原理性模擬實驗裝置并進行了實驗驗證。結(jié)果表明氣流牽引式循環(huán)升溫防凍技術(shù)可有效地使甲板表面的溫度升高，從而使艦船甲板平臺區(qū)域結(jié)冰現(xiàn)象的發(fā)生率大大下降。對艦船甲板平臺區(qū)域升溫防凍和除冰技術(shù)的研究具有理論意義和實用價值。

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