艦船主機尾氣抑制尾流技術可行性分析

張志友，金良安，苑志江

(海軍大連艦艇學院 航海系,遼寧 大連 116018)

艦船主機尾氣抑制尾流技術可行性分析

張志友，金良安，苑志江

(海軍大連艦艇學院 航海系,遼寧 大連 116018)

針對尾流微氣泡特點及尾氣危害，提出利用艦船主機尾氣抑制尾流技術，分析尾氣氣體作為消除尾流微氣泡媒介的可行性，證明尾氣氣體的排氣量充足，消泡速率高，對艦船次生危害少，實驗驗證該技術有效且可行，裝置便捷實用。

艦船；主機尾氣；排放危害；應用性

艦船主機尾氣排放具有成分復雜、排量大[1]、排溫高，以及部分氣體可溶解[2]、呈酸性等排放特性，因此會引起紅外輻射、可視化暴露、著艦環境惡化及環境污染等危害。對水面艦船航行安全構成嚴重威脅的尾流自導魚雷的探測、跟蹤、攻擊，依賴于艦船航行產生的尾流氣泡場[3]。因此，有效消除或抑制艦船的氣泡尾流的艦船隱身技術有望從根源上徹底解決對尾流自導魚雷的防御問題，然而當前研究較多的幾種技術，如人工大氣泡消泡法、超聲消泡法、釋放消泡劑法、尾流能量吸收法等，普遍存在消泡效果差、對航行影響大、改造困難、設計要求高、成本高等缺點[4-5]，限制了現有尾流隱身技術在軍事領域的應用。

基于對艦船主機排放的眾多危害，以及有效抑制尾流微氣泡的考慮，研究利用主機尾氣消除尾流微氣泡具有重要意義。本文在多種消尾流技術的基礎上，提出“艦船主機尾氣抑制尾流技術”，以此實現艦船隱身及對主機尾氣綜合利用的目的，從排量、排溫、溶解性、酸堿性、成分5個角度積極探索艦船尾氣抑制尾流應用的可行性，并專門設計了靜水條件下的實驗裝置。實驗中消泡作用良好，證明了該技術的可行性和有效性。擴大該技術的使用范圍，可以真正實現艦船尾流隱身技術的裝備應用。

1 艦船尾氣排放危害及可應用性

1.1 尾氣的排放危害

1.1.1 紅外輻射

動力裝置是艦船產生熱源的主要部位，煙囪是主要的廢氣排放部位。煙囪暴露的金屬面積雖然只占全艦總面積的2%左右，但其溫度高，所處位置高，所以在該波段的紅外輻射量往往占全艦總熱輻射量的99%，其中主要是煙囪部位和煙羽的紅外輻射[6]。艦艇航行過程排熱量大，海面背景環境溫度低且范圍廣，溫差明顯，使艦艇紅外特征更容易被探測識別，紅外制導導彈在熱輻射信號較低的情況下便能有效打擊目標。

1.1.2 煙氣、噪聲暴露

艦船排放的煙氣將會成為艦船航行過程中的可視信號，敵方可以憑煙氣排放進行航跡跟蹤，而且由于排放大量煙氣很難對其進行隱身，雷達容易發現目標，從而進行探測、跟蹤、實施攻擊。

影響艦船隱身性還有艦船主機的振動噪聲和排氣噪聲。排氣噪聲是船舶主機的主要噪聲源之一，常規方法很難有效解決該問題。聲吶可以發現目標、探測跟蹤目標并提供信息。由此可見，因煙氣排放產生的煙氣信號及噪聲信號暴露都降低了艦船水下的隱蔽性及生存能力。

1.1.3 著艦環境惡化

艦載機著艦時操縱性下降，對飛機著艦環境要求較高，艦船尾氣排放量巨大，形成的尾氣氣流及煙霧會對艦載機形成擾動，留給駕駛員的反應時間縮短，一定程度上影響艦載機航跡的及時調整。如果不能很好地控制、消除尾氣擾動，很可能會造成機毀人亡。

1.1.4 環境污染

雖然與工業和汽車排放相比，船舶排放尚不屬于中國城市的主要大氣污染物排放來源，但對于腹地狹窄的海峽、港口城市而言，其環境影響不容忽視。

與國外發達港口城市相比，我國港口船舶污染控制不論從法律法規還是管理技術、控制水平方面，均存在較大的差距。

主機尾氣的排放還會對艦船艙室環境產生污染。通過管道直接空中排放的干式排煙方式，使得艦船后甲板上聚集很多油煙，而且因為擾動氣流的影響，排放的廢氣會被吸入船艙，從而對艦船上層建筑、工作及生活艙室造成污染腐蝕等[7]。

1.2 尾氣可應用性

艦船尾流的范圍大，持續時間長，不易消除，不易偽裝。尾流自導魚雷主要基于尾流的眾多物理場進行探測、跟蹤。在現有研究中，氣泡場是最易被發現的。這嚴重影響了艦船的安全性。針對尾流的特點、主機尾氣的排放危害和對艦船主機排放的眾多危害，以及有效抑制尾流微氣泡的考慮，在多種消尾流技術的基礎上，提出“艦船主機尾氣抑制尾流技術”。該技術作為艦船尾流隱身技術的重要研究方向，是將主機排放的尾氣，直接或經適度增壓處理后，由水下進行排放。一方面，艦船主機尾氣成分主要為不溶解與水的N2、O2和可溶性酸性氣體NOx、SOx等，經處理后由水下進行排放，可以迅速釋放形成大量、大范圍的尾氣氣泡，通過與尾流微氣泡發生聚并、攜帶、中和等作用，使尾流微氣泡快速上浮至水面，破裂或者溶解消失，有效消除尾流微小氣泡，以增強尾流隱身效果；另一方面，可以利用海水對主機的高溫尾氣進行快速冷卻，實現紅外隱身的目的，同時從根本上消除艦船周圍空間的可視煙跡，對降低環境污染也有一定作用。其裝置見圖1。

其具體實施方法如下。

1)在艦船底部設置尾氣排放裝置。尾氣在排放時可根據排氣背壓要求選擇是否加裝增壓裝置。

2)艦船主機尾氣通過排放裝置進行排放，在艦船尾流下方形成大量的尾氣大氣泡，能快速消除尾流中微小氣泡。

3)排氣裝置末端設有多個噴氣孔，通過控制加壓裝置或排放角度，使尾氣氣泡群完整覆蓋尾流氣泡區域。

2 技術可行性分析

利用艦船主機尾氣抑制尾流技術，其實質就是對主機所排放的大量尾氣的一種綜合應用，而主機尾氣的排量、排溫、溶解度、酸堿性、成分等能否滿足其需求，則是決定該技術可行性的關鍵。

2.1 排量

在相同航速條件下，產生大氣泡的供氣量越大，快速消除微氣泡的效果越好。利用大氣泡群“當量厚度”作為抑制艦船尾流氣泡場的標準[8]。

(1)

式中：H為當量厚度，m；q為驅動氣體流量，m3·h-1；v為拖帶速度，m·h-1；B為大氣泡生成裝置的產泡寬度，m。

在實船測試中，航速穩定在6.6 kn、6.7 kn，氣泡生成裝置寬度為4.85 m的條件下，當大氣泡當量厚度H=6×10-3m時，可使目標艦船尾流聲特征強度最大衰減5 dB，尾流中的氣泡數密度減少70%左右。柴油主機尾氣排氣量因機型及工況不同可達到1 000～10 000 kg/h(752～7 520 m3/h)，在相同實驗條件及理想狀況下，對應當量厚度為83.7～837×10-3m，消泡效果更佳。因此可證明，利用主機尾氣形成的氣泡排量大、可抑制多種量級的微氣泡消泡效果好的特點，作為消除尾流微氣泡的新媒介的可行性很高[9]。

2.2 排溫

氣泡在上浮過程中，高排溫的主機尾氣將會與低溫海水發生傳熱作用。符合下面公式。

(2)

式中：Q為單位時間熱流量，J；c為比熱，J·kg-1·K-1；ρg為氣體密度，kg·m-3；ρl為液體密度，kg·m-3；V為氣泡體積，m3；Δt為氣液溫差，K。

其中，ρl=1.026×103kg/m3；ρg=1.332 kg/m3。

雖然氣液間溫差大，但因海水密度遠遠大于尾氣氣體，因此在傳熱量一定的情況下，海水升溫幅度有限，且流動海水間會發生熱傳導作用，基本不會對海水溫度造成影響。

2.3 溶解性

主機尾氣因為成分的復雜性，大氣泡在上浮運動過程中，會發生溶解于海水的反應。氣泡體積主要受溶解引起的體積減小、上浮壓強減小引起的體積變大的影響。

由氣泡上浮與傳質耦合過程的仿真及實驗數據可知，難溶性氣體如N2(溶解度為14.34 mL/L)，上浮過程體積呈現緩慢增大的趨勢。對易溶性氣體如半徑為0.3 mm的NH3氣泡(溶解度約為700 L/L)上浮0.35 m完全溶解[10]。由本研究實驗數據可知，尾氣中主要成分難溶氣體約占90%，溶解度約90.76 mL/L，在氣體整個上浮過程中，氣泡整體仍緩慢增大，因此不會影響尾流微氣泡的消除效果。

2.4 酸堿性

尾氣氣泡在上浮過程中，因為酸性氣體與海水作用，尾氣氣泡將改變尾氣周圍微環境的酸堿性。從實驗中對尾氣酸堿性的研究發現，尾氣與靜止海水溶液長時間、大面積充分接觸，可以使微環境的pH值降低到6。但是當尾氣在真實海況下進行水下排氣時，上浮時間不足1 min，且海水流動迅速，因此對艦船周圍海水pH值改變有限。

綜上分析，尾氣的高溫及酸堿性都不足以改變艦船航行周邊海水物理環境，更不會造成艦船隱身的次生危害。

2.5 成分

炭煙顆粒的存在總體上引起了氣泡聚并時間的減少，而且直徑較大的固體顆粒的存在對氣泡聚并時間的影響大[11]；主機排放的尾氣有一部分酸性氣體，酸堿中和反應有助于減小氣泡聚并時使液膜變薄的作用力。

因此尾氣中炭煙顆粒、酸性氣體會縮短尾氣大氣泡與微氣泡的聚并時間，且可有效實現對炭煙的可視化隱身。

由上述分析，尾氣氣體滿足消除尾流微氣泡技術的現實要求，可以作為對尾氣自隱及它隱的新技術加以推廣。

3 技術的實現效果

為論證該技術的可行性，專門設計制作實驗室條件下的高溫尾氣氣體抑制微氣泡實驗裝置，見圖2。尾流消泡效果可以通過水中微氣泡的存留時間來證明。

通過改變尾氣氣泡的半徑來測量其消泡影響效果，力求從實驗角度證明主機尾氣抑制尾流技術思想的可行性和有效性。尾氣大氣泡半徑大小通過氣量控制閥的調整來實現，經多次實驗探索，尾氣大氣泡的半徑產生范圍為1～3 mm。在尾氣大氣泡持續放氣時間為10 s的情況下，尾氣大氣泡消泡效率見表1。

表1 尾氣大氣泡半徑對消泡效果影響實驗

實驗結果顯示，尾氣大氣泡在半徑為2 mm時，對微氣泡的消泡效率最高。這與文獻[11,13]的研究結論也相符合。實驗基本達到尾氣大氣泡使尾流微氣泡加速消失的效果。

該技術可以規避當前艦艇尾流隱身技術的問題，有效利用主機尾氣形成大氣泡消除尾流氣泡，且將高溫尾氣進行隱身，降低危害。應用該技術可以獲得如下效果。

1)尾流隱身。艦船主機尾氣直接或進行適度處理后水下排放，會加速尾流微氣泡破裂消失，達到消尾流的目的。

2)紅外隱身。主機尾氣排氣管路安裝在吃水線以下來降低排氣系統熱量的散發，控制船體紅外輻射能量，避免在船體表面形成明顯的紅外熱點，能夠使紅外探測器的發現距離縮短50%以上，以達到更好的艦船紅外隱身效果。

3)煙氣隱身、噪聲隱身。主機尾氣排氣管路上游和管路噴口產生的氣體湍流噪聲及排氣振動得到有效抑制，而且因為排放方式的改變，可從根本上消除艦船周圍空間的可視煙跡暴露問題。

4)環境保護。海水呈弱堿性特征，而主機尾氣中酸性氣體與海水融合，使得尾流氣泡周圍的原弱堿性海水環境發生明顯變化,尾氣大氣泡與海水間的中和反應，有助于加速尾氣中有害氣體NOx、HC、COx、SOx和顆粒物(PM)等污染物的溶解。而且此技術可以避免尾氣被吸入船艙，污染艙室環境和上層建筑，減少尾氣對船體的傷害。

尾氣供應量充足，保證了消泡效果的持續性；排氣管道與艦船一體性保證快速響應，對航行幾無影響；只需改變尾氣排放管道進行水下排氣，對艦船結構改動小，減少艦船空間占用，設計簡單；消泡過程可以在無需供能的情況下進行，使成本降低，此舉為真正實現艦船氣泡尾流抑制這一新技術的應用，提供更直接、更便捷的途徑。

4 結論

尾氣大氣泡可以作為消除尾流微小氣泡新媒介，以達到增強艦船尾流隱身的功能，同時可以有效實現艦船紅外隱身、煙氣隱身、噪聲隱身，以及環境保護等作用，對于提升艦船生命力及降低排氣危害具有重要的意義和良好的應用前景。

本文主要是針對尾氣應用于尾流消除的前期設想和初步研究，在今后的工作中需對尾氣大氣泡在海水中的運動特性及其消除尾流微氣泡作用機理進行深入研究，在此基礎上，研制成熟的技術裝置，以滿足背壓要求及降低尾氣對螺旋槳效率的影響等需求。

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On the Wake Elimination Technology via Engine Exhaust for Warship

ZHANG Zhi-you, JIN Liang-an, YUAN Zhi-jiang

(Dept. of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian Liaoning 116018, China)

According to the characteristics of the wake bubble and exhaust hazard, the warship wake elimination technology via engine exhaust was put forward. The applicability of using exhaust as the medium of eliminating wake bubble was analyzed. The exhaust has been proved sufficient emission, higher de-foaming efficiency and less hazard to the warship. The experimental results proved that the technology is feasible and effective, and the device is convenient and practical.

warship; engine exhaust; emission hazard; applicability

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.044

2016-07-14

海軍國防預研課題“水面艦艇隱身技術”(401040301)

張志友(1989—)，男，博士生

E925.6

A

1671-7953(2017)02-0188-04

修回日期：2016-08-19

研究方向:軍事航海安全保障與防護技術