艦船柴油主機(jī)尾氣排放特性及其尾流抑制應(yīng)用研究

張志友，金良安，苑志江

（海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧 大連 116018）

艦船柴油主機(jī)尾氣排放特性及其尾流抑制應(yīng)用研究

張志友，金良安，苑志江

（海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧 大連 116018）

通過檢測曼哈姆（TBD）型船用柴油機(jī)尾氣，總結(jié)不同負(fù)荷工況下柴油機(jī)尾氣排放特性的變化規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)利用尾氣氣體消除尾流微氣泡。針對實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，研究基于主機(jī)尾氣的艦船尾流消除技術(shù)的可行性，從主機(jī)尾氣的排量、排溫、溶解度、酸堿性、成分方面，分析尾氣能否滿足技術(shù)需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：尾氣氣體成分較穩(wěn)定，排溫為350℃以上，排量達(dá)1000kg/h以上，尾氣溶解度為0.12g/L，呈弱酸性；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，具有消除尾流微氣泡的作用，對于提升艦船尾流隱身及降低排氣危害具有重要意義。

艦船；尾氣特性；尾氣應(yīng)用；尾流抑制

0 引 言

尾流隱身技術(shù)有望消除或抑制水面艦船的氣泡尾流，從根源上徹底解決對尾流自導(dǎo)魚雷的防御問題[1]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對尾流隱身技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，取得了諸多技術(shù)成果，包括：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、邊界層控制技術(shù)，優(yōu)化船體型線、設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的螺旋槳等[2-3]。然而技術(shù)仍存在著諸多的問題，如隱身效果有限、對航行影響大、在實(shí)船上改造困難、裝置設(shè)計(jì)要求高、制造使用成本高等，都限制了現(xiàn)有尾流隱身技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。基于對艦船主機(jī)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(shù)的基礎(chǔ)上，作者首次提出“基于主機(jī)尾氣的艦船尾流消除技術(shù)”。

當(dāng)前中、小型現(xiàn)代艦艇、常規(guī)潛艇和軍輔船等大多數(shù)艦船，都使用柴油機(jī)作為主機(jī)設(shè)備，因此檢測柴油主機(jī)尾氣，分析研究其排放特性和應(yīng)用效果是該技術(shù)的首要任務(wù)。然而，目前研究主要是對不同轉(zhuǎn)速與負(fù)荷條件下，軍用、車用小型柴油機(jī)排氣成分的預(yù)測與分析[4]。鮮有關(guān)于艦船大型柴油主機(jī)尾氣檢測以及柴油主機(jī)運(yùn)行參數(shù)對尾氣影響的研究。在基于主機(jī)尾氣的艦船尾流消除技術(shù)中，尾氣排量、溶解度決定能否滿足消泡需求氣量，尾氣排溫、酸堿性影響艦船隱身性，以上尾氣排放特性決定技術(shù)可行性。但是，在對柴油主機(jī)尾氣排溫、排量、溶解度和酸堿性等尾氣特性的研究則極其有限[5]。

鑒于上述情況，本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)對大型艦船柴油主機(jī)排放尾氣特性進(jìn)行檢測分析，研究艦船柴油機(jī)尾氣成分、排溫、排量的排放規(guī)律，并分析柴油機(jī)尾氣溶解度、酸堿性與各影響因素間的變化關(guān)系?；谝陨吓欧盘匦裕瑢ε灤鳈C(jī)尾氣的應(yīng)用基礎(chǔ)進(jìn)行研究，為基于主機(jī)尾氣的艦船尾流消除技術(shù)的完善發(fā)展提供一定的參考依據(jù)。

1 艦船柴油主機(jī)尾氣排放特性分析

通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證柴油機(jī)尾氣排放規(guī)律，分析艦船柴油主機(jī)尾氣排放特性，總結(jié)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)對排氣物理特性的影響，為合理利用尾氣進(jìn)行消尾流提供理論依據(jù)。

1.1 實(shí)驗(yàn)取樣

1.1.1 實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)

實(shí)驗(yàn)測試機(jī)器為4臺船用柴油機(jī)，測試機(jī)型分別為：TBD234V12、TBD316V16、TBD620L6、TBD620V16，其重要參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)主要參數(shù)

測試機(jī)器涉及低功率及高功率柴油機(jī)、中等轉(zhuǎn)速及高轉(zhuǎn)速柴油機(jī)。可以更全面地對柴油機(jī)排放特性進(jìn)行分析。本次測試結(jié)果主要針對柴油機(jī)尾氣成分、排溫、排量、溶解度以及酸堿性進(jìn)行檢測研究。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用直接連續(xù)取樣法采集柴油機(jī)尾氣氣樣。

1）待測量：柴油機(jī)尾氣成分、尾氣排量、尾氣溫度、尾氣溶解度、尾氣酸堿性。

2）改變量：柴油機(jī)型號、柴油機(jī)負(fù)荷。

實(shí)驗(yàn)中排放分析儀如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)用排放分析儀

1.2 艦船柴油主機(jī)尾氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

艦船柴油主機(jī)尾氣進(jìn)行水下排放時(shí)，成泡特性主要受氣體成分影響；尾氣排量決定消除尾流微氣泡的大氣泡供應(yīng)量；尾氣氣體溶解度影響大氣泡上浮過程氣體形態(tài)變化；尾氣排溫、酸堿性可能會對艦船隱身安全性產(chǎn)生負(fù)面作用。為進(jìn)行艦船柴油主機(jī)尾氣可應(yīng)用性研究，因此有必要對尾氣成分、排量、排溫、溶解性、酸堿性進(jìn)行檢測。

1.2.1 尾氣成分

尾氣中的主要成分：N2和O2是過量空氣進(jìn)入燃燒室燃燒后的產(chǎn)物；CO2和H2O是碳?xì)淙剂贤耆紵漠a(chǎn)物。這4種氣體約占總成分91%～98%[6]。當(dāng)主機(jī)在正常工況下運(yùn)行時(shí)，改變負(fù)荷，主機(jī)排放廢氣主要成分的占比在一定范圍內(nèi)沒有較大的變動[7]。本次實(shí)驗(yàn)對O2及CO2進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出O2的含量占總廢氣成分14%～18%，CO2含量則為5%～10%。不同測試機(jī)型的尾氣中O2排放濃度、CO2排放濃度如圖2、圖3所示。

排氣中的有害氣體成分較為復(fù)雜，柴油機(jī)負(fù)荷的改變，會影響混合氣體組成，繼而影響尾氣成分。實(shí)驗(yàn)選取NOx氣體及碳煙煙度進(jìn)行測量。結(jié)果如圖4、圖5。

可見，柴油機(jī)負(fù)荷增加，節(jié)氣門開度增大，有利于燃燒室實(shí)現(xiàn)完全燃燒。所以當(dāng)最高燃燒溫度升高，循環(huán)供油量增加時(shí)，燃燒的過量空氣減少，使得排氣成分中NOx的生成量增大，煙度升高。

1.2.2 尾氣排量及排溫

圖2 尾氣中O2濃度

圖3 尾氣中CO2濃度

圖4 尾氣中NOx濃度

因動力及功率要求，艦船柴油主機(jī)排氣量巨大[8]。隨著負(fù)荷的增加，柴油機(jī)耗油量增加，柴油機(jī)排氣流量將會上升。柴油主機(jī)排氣流量如圖6所示。

尾氣在排氣口處的溫度可達(dá)350℃以上。被尾氣帶走的熱量約占燃燒總熱值的35%，排放氣體溫度由柴油機(jī)運(yùn)行負(fù)荷及燃燒狀況所決定，且與負(fù)荷間呈正相關(guān)性。柴油主機(jī)排氣溫度如圖7所示。

圖5 主機(jī)碳煙煙度

圖6 主機(jī)排氣流量

1.2.3 尾氣溶解性

圖7 主機(jī)尾氣溫度

由前文對尾氣成分的分析知，尾氣成分復(fù)雜，其溶解性也存在較大差異[9]。尾氣中的主要?dú)怏wN2、O2難溶于水，CO2可溶于水且可發(fā)生反應(yīng)，水蒸氣則直接液化。尾氣有害排放物中，CO、NO等不溶于水，SO2、NO2等可與水發(fā)生反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)處于298.15 K環(huán)境中，主要?dú)怏w在298.15K，101.325kPa環(huán)境下氣體體積溶解度如下：N2：14.34mL/L，O2：31.61mL/L，CO2：759mL/L，CO：21.42mL/L，NO：43.23mL/L，SO2：33.5L/L。

使用溶解度測定方法，注射器吸入20mL尾氣氣體及20mL水，常溫常壓下振蕩混合，測定溶解度。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行15次，取10次有效實(shí)驗(yàn)平均值，可得20mL水在298.15 K，101.325 kPa環(huán)境下所能溶解尾氣的最大體積約為1.8mL（2.4×10-3g）。因此可近似推算尾氣在常溫常壓下溶解度為0.12g/L（90.76mL/L）。

尾氣氣體在海水中的溶解速率還受溫度、排量、排放速度、排氣深度等影響。溫度越高，溶解的尾氣量越少[10]。當(dāng)尾氣大氣泡在深海中向上運(yùn)動時(shí)，海水溫度會呈升高趨勢，導(dǎo)致尾氣氣泡的溶解能力減弱；主機(jī)氣體排量、排放速度、排氣深度都將影響尾氣大氣泡運(yùn)動條件下的溶解性，氣泡在上升過程中，需要有充足時(shí)間與水充分溶解，主機(jī)尾氣排量與排放速度增大都將減少溶解時(shí)間，而增大排氣深度有助于氣液溶解。

1.2.4 尾氣酸堿性

尾氣中主要成分為中性氣體N2、O2，水蒸氣以及酸性氣體 CO2、SO2、NO2等。

酸性氣體溶解于水及海水溶液，會發(fā)生不同溶解反應(yīng)：

在海水溶液中，海水因含有強(qiáng)堿弱酸鹽而呈弱堿性，酸性氣體會與弱堿性海水發(fā)生中和反應(yīng)：

在0.101 MPa、298.15 K時(shí)，CO2飽和水溶液pH值為3.9，體積約占總氣體成分7.1%；雖然SO2飽和水溶液pH值為0.89，而且NO2可與水完全反應(yīng)生成強(qiáng)酸，但SO2和NO2分別約占總體積的0.06%、0.08%，對尾氣整體酸堿性影響微弱。

將過量尾氣氣體分別通入淡水與海水中進(jìn)行pH值檢測實(shí)驗(yàn)，通氣時(shí)間為1～5min，保證尾氣氣體與液體充分接觸混合。測量數(shù)據(jù)如圖8所示。

尾氣在進(jìn)入水溶液后，pH值降低速率呈先快后慢的趨勢，主要因?yàn)殡S著提高尾氣進(jìn)氣量，水對酸性氣體逐漸趨于飽和狀態(tài)，水酸化速率降低。

圖8 pH值變化圖

當(dāng)尾氣進(jìn)入海水溶液后，酸性氣體與海水中電離出OH-迅速反應(yīng)，因此pH值降低速度較快。

2 應(yīng)用尾氣抑制尾流研究

顯然，柴油機(jī)尾氣排放對艦船航行安全性及環(huán)境都產(chǎn)生一定的負(fù)面效應(yīng)，比如紅外輻射、煙氣及噪聲暴露、艦載機(jī)著艦環(huán)境惡化、環(huán)境污染等[11]。因此有必要分析尾氣可應(yīng)用性降低尾氣排放危害，更重要的是，實(shí)現(xiàn)艦船尾流氣泡的有效隱身[12-13]，保障航行安全，以達(dá)到對尾氣利用最大化。

2.1 尾氣可應(yīng)用性的提出

基于有效抑制尾流微氣泡以及對艦船主機(jī)排放的眾多危害的考慮，首次提出基于主機(jī)尾氣的艦船尾流消除技術(shù)。該技術(shù)作為艦船尾流隱身技術(shù)的重要研究方向，是將主機(jī)排放的尾氣，直接或經(jīng)適度增壓處理后，由水下進(jìn)行排放，從而：一方面可以利用尾氣施放的大量氣泡，通過與尾流微氣泡發(fā)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(qiáng)尾流隱身效果；另一方面可以利用海水對主機(jī)的高溫尾氣進(jìn)行快速冷卻，實(shí)現(xiàn)紅外隱身的目的，同時(shí)從根本上消除艦船周圍空間的可視煙跡暴露問題，對降低環(huán)境污染也有一定作用。其系統(tǒng)裝置如圖9所示。

其具體實(shí)施方法：

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

2）艦船主機(jī)尾氣通過排放裝置進(jìn)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(shè)有多個(gè)噴氣孔，通過控制加壓裝置或排放角度，使尾氣氣泡群可以完整覆蓋尾流氣泡區(qū)域。

圖9 主機(jī)尾氣消除尾流裝置

2.2 技術(shù)的可行性研究

基于主機(jī)尾氣的艦船尾流消除技術(shù)，其實(shí)質(zhì)就是對主機(jī)所排放的大量尾氣的一種綜合應(yīng)用，而主機(jī)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(shù)可行性的關(guān)鍵。

2.2.1 排量

在相同航速條件下，產(chǎn)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(dāng)量厚度”作為抑制艦船尾流氣泡場的標(biāo)準(zhǔn)[14]：

式中：H——當(dāng)量厚度，m；

q——驅(qū)動氣體流量，m3/h；

ν——拖帶速度，m/s；

B——大氣泡生成裝置的產(chǎn)泡寬度，m。

在實(shí)船測試中，航速穩(wěn)定在（6.6，6.7 kn（1 kn=1.852km/h）），氣泡生成裝置寬度為4.85m的條件下，當(dāng)大氣泡當(dāng)量厚度H=6×10-3m時(shí)，可使目標(biāo)艦船尾流聲特征強(qiáng)度最大衰減5 dB，尾流中的氣泡數(shù)密度減少70%左右。柴油主機(jī)尾氣排氣量因機(jī)型及工況不同可達(dá)到約 1 000～10 000 kg/h（752～7 520 m3/h），在相同實(shí)驗(yàn)條件下，理想狀況下，對應(yīng)當(dāng)量厚度為（83.7～837）×10-3m，消泡效果更佳。

因此可證明利用主機(jī)尾氣形成的氣泡，排量大，可抑制多種量級的微氣泡，作為消除尾流微氣泡的新媒介可行性高[15]。

2.2.2 排溫

氣泡在上浮過程中，高排溫的主機(jī)尾氣將會與低溫海水發(fā)生傳熱作用。符合公式：

式中：Q——單位時(shí)間熱流量，J；

c——比熱容，J/（kg·K）；

ρg——?dú)怏w密度，kg/m3；

ρl——液體密度，kg/m3；

V——?dú)馀蒹w積，m3；

ΔT——?dú)庖簻夭?，K。

其中：

雖然氣液間溫差大，但因海水密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fā)生熱傳導(dǎo)作用，基本不會對海水溫度造成影響。

2.2.3 溶解性

主機(jī)尾氣因?yàn)槌煞值膹?fù)雜性，大氣泡在上浮運(yùn)動過程中，會發(fā)生溶解于海水的反應(yīng)。氣泡體積主要受溶解引起的體積減小、上浮壓強(qiáng)減小引起的體積變大的影響。

海水中尾氣氣泡上浮與傳質(zhì)過程的耦合模型[14]如下：

式中：CA——液相主體中的氣體質(zhì)量濃度，kg/m3；

CD——黏性阻力系數(shù)；

CI——?dú)庖航缑嫣幍臍怏w質(zhì)量濃度；kg/m3；

DAB——?dú)怏w分子在液體中擴(kuò)散速率，m2/s；

Patm——?dú)庖簝上囿w系外界壓強(qiáng)，Pa；

R——?dú)馀莅霃?，m；

νb——?dú)馀萆细∷俣龋琺/s；

μ——?jiǎng)恿︷ざ认禂?shù)，Pa·s；

σ——表面張力系數(shù)，N/s；

ρg0——壓力Patm對應(yīng)的氣體密度，kg/m3。

氣泡上浮與傳質(zhì)耦合過程的仿真及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對難溶性氣體如N2（溶解度為14.34mL/L），上浮過程體積呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢。對易溶性氣體如半徑為0.3mm的NH3氣泡（溶解度為700L/L）上浮0.35m完全溶解。經(jīng)本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，尾氣中主要成分難溶氣體約占90%，溶解度約90.76mL/L，在氣體整個(gè)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。

2.2.4 酸堿性

尾氣氣泡在上浮過程中，因?yàn)樗嵝詺怏w與海水作用，尾氣氣泡將改變尾氣周圍微環(huán)境的酸堿性。從實(shí)驗(yàn)中對尾氣酸堿性的研究，可以發(fā)現(xiàn)，尾氣與靜止海水溶液長時(shí)間、大面積充分接觸，可以使微環(huán)境的pH值降低到6。但是當(dāng)尾氣在真實(shí)海況下進(jìn)行水下排氣時(shí)，上浮時(shí)間不足1min，且海水流動迅速，因此艦船周圍海水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(huán)境，更不會造成艦船隱身的次生危害。

2.2.5 成 分

柴油機(jī)碳煙顆粒的存在總體上引起了氣泡聚并時(shí)間的減小，而且直徑較大的固體顆粒的存在對氣泡聚并時(shí)間的影響大；主機(jī)排放的尾氣有一部分酸性氣體，酸堿中和反應(yīng)有助于減小氣泡聚并時(shí)使液膜變薄的作用力。因此尾氣中碳煙顆粒、酸性氣體會縮短尾氣大氣泡與微氣泡的聚并時(shí)間，且可有效實(shí)現(xiàn)對碳煙的可視化隱身。

經(jīng)過以上分析，尾氣氣體滿足消除尾流微氣泡技術(shù)的現(xiàn)實(shí)要求，可以作為對尾氣自隱及它隱的新技術(shù)加以推廣。

3 結(jié)束語

本文對船用柴油機(jī)尾氣進(jìn)行檢測，研究得到：柴油機(jī)尾氣成分較穩(wěn)定，排溫為350℃以上，排量達(dá)到1 000kg/h以上的排放規(guī)律。并對柴油機(jī)尾氣溶解度、酸堿性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，常溫常壓下，尾氣溶解度約0.12g/L、呈弱酸性。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)艦船柴油主機(jī)運(yùn)行參數(shù)對尾氣排放特性的影響規(guī)律。

基于尾氣排放特性，從成分、排量、排溫、溶解性、酸堿性5個(gè)角度對尾氣的應(yīng)用基礎(chǔ)進(jìn)行積極探索。通過研究，可以得到：尾氣供應(yīng)量充足，保證了消泡效果持續(xù)性；氣泡間聚并受尾氣溶解度影響?。晃矚獬煞钟兄诰鄄⑽馀荩晃矚馀艤?、酸堿性對艦船隱身的次生危害小。

尾氣大氣泡可以作為消除尾流微小氣泡新媒介，以達(dá)到增強(qiáng)艦船尾流隱身的性能，對于提升艦船生命力及降低排氣危害具有重要的意義。

本文主要是針對尾氣應(yīng)用于尾流消除的前期設(shè)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(yùn)動特性以及其消除尾流微氣泡作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)成熟的技術(shù)裝置，滿足背壓要求及降低尾氣對螺旋槳效率的影響等實(shí)際排放問題。

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（編輯：劉楊）

Warship diesel engine exhaust emission characteristics and its wake elimination applicability research

ZHANG Zhiyou， JIN Liang'an， YUAN Zhijiang
（Department of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）

Through testing on the characteristics of TBD-type marine diesel engine exhaust，the change rules of the diesel engine emission performance under different loads are summarized to eliminate wake micro bubbles by taking advantage of the exhaust.Based on the experimental test data，feasibility study of the warship wake elimination via engine technology is grounded upon to have the technical demand of whether the exhaust can meet analyzed from the aspects of the exhaust displacement， temperature， solubility， acid-base property， composition.The experimental results show that the exhaust composition is stable with exhaust temperature of above 350℃and displacement of above 1 000 kg/h and the solubility of 0.12 g/L，having slight acid property.It proves the sufficiency of exhaust displacement，higher defoaming efficiency and fewer hazards to the warship，being capable of eliminating wake micro bubbles and having the significance to warship wake stealth and exhaust hazard reduction.

warship； exhaust characteristics； exhaust applicability； wake elimination

A

1674-5124（2017）06-0016-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.004

2016-10-10；

2016-11-10

海軍國防預(yù)研課題（401040301）

張志友（1989-），男，遼寧大連市人，博士研究生，研究方向?yàn)檐娛潞胶０踩Ｕ吓c防護(hù)技術(shù)。