船舶機艙壁面油膜揮發速率研究

章葉川，冷文軍，余 濤,2，趙俊濤，施紅旗，王世忠

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205；2.北京航空航天大學，北京 100083)

0 引 言

船舶上大量使用和貯存著用于動力、發電和工作的燃油和維護機械運轉的滑油，其揮發出的油氣，以及機械運動產生的油霧會在隨空氣流動的過程中，與壁面碰撞而沉積形成油膜，沉積后的油膜又會在艙室環境中進一步揮發出大量的油氣，高濃度的油氣會在狹小的機艙環境中難以消散，不斷積聚，對設備運行和人體健康產生極大危害[1]，甚至在高溫環境下會引起機艙爆燃[2]，因此有必要對機艙壁面油膜的揮發速率進行研究，進而能準確預測機艙壁面油膜揮發速率的變化趨勢，從而為凈化設備的配置和運行優化提供輸入，改善機艙空氣品質，降低各類爆燃事故的發生危險。

液體蒸發的動力源自液體表面蒸汽壓與周圍空氣中的蒸汽分壓之差[3]。Boyadjiev等[4]根據擴散理論、邊界層理論等，建立了描述揮發過程的偏微分方程，建立了單組分液體的揮發預測模型。潘旭海等[5]對單組份液體蒸發動力學特征進行了理論分析，并設計了風洞實驗，得到了相關的實驗數據。栗元龍等[6-7]對船舶機艙燃料泄漏到熱表面后的著火過程進行了研究，建立泄漏燃料在熱表面的蒸發模型，描述了熱壁上方油氣運動過程。

由于船舶機艙壁面的油膜是油氣沉積所致，其存在形式主要是分布式小粒徑液滴和連續的薄層液膜，油料內部基本可忽略溫度梯度，由于這些特點，可以對原有的液體在熱表面的蒸發模型進行簡化，并結合機艙壁面有空氣對流傳質的特點，建立適用于船舶機艙壁面的油膜揮發模型。本文主要通過理論分析建立單組分油料在機艙壁面的揮發速率模型，計算并研究環境因素對揮發速率的影響規律。

1 模型建立

1.1 研究對象

船舶機艙內的油料在揮發過程中，大量的油氣和油霧會隨著空氣流動，與機艙壁面撞擊后會形成分布式小粒徑液滴和連續的薄層液膜，由于分布式小粒徑液滴分布致密，因此本文將沉積至壁面的油料均視為連續的薄層液膜，如圖1所示。油膜在機艙20 ℃～60 ℃的環境溫度中受熱后揮發出油氣，擴散至液體表面，與周圍空氣中的油氣分壓產生壓差，從而導致油氣不斷地向空氣中擴散，而機艙內的空氣流速為0.2～1 m/s，在通風口出的風速達到5 m/s，機艙壁面油膜在流動的空氣中會發生對流傳質。

圖1 機艙壁面油膜Fig.1 Oil film on the engine compartment wall

1.2 數學模型

根據機艙油膜的實際揮發情況和環境特點，為簡化分析過程，可做以下假設：

1）揮發過程為穩態過程，機艙內環境背景濃度保持不變；

2）揮發氣體視為理想氣體；

3）油膜在水平方向上的長度為0.5 m，風速始終保持水平方向；

4）空氣與壁面/液體溫度一致（無溫差傳熱）；

5）油膜為單一化合物，按照油料中最輕組分正十二烷物性參數進行計算。

根據傳質學原理[8]和質量守恒定律，油膜與空氣之間進行的對流傳質速率如下：

式中：NA為油膜表面處的擴散通量（kmol/（m2·s）；hm為對流傳質系數；CAS為蒸汽飽和濃度，kg/m3；CA∞為背景濃度，kg/m3。

由相似原理[9]，可確定對流傳質系數的計算公式：

其中：ReL為雷諾數；Sc為施密特數。

式中：L為平板長度，m；ρ為空氣密度，kg/m3；μ為空氣動力粘數，m2/s；

空氣擴散系數DAB可采用Fuller經驗公式[10]計算：

其中：T為溫度，K；P為大氣壓力，atm；M1，M2為油和空氣的分子量；Vc1，Vc2油氣和空氣的擴散體積，可通過查表獲得。

飽和蒸汽濃度CAS用下列公式計算：

飽和蒸汽壓PAS（Pa）可根據雷德爾式[11-12]計算：

2 計算結果及分析

2.1 溫度對油膜揮發速率的影響

由數學模型分析可知，機艙環境溫度會對艙室油氣的飽和濃度、空氣擴散系數和空氣物理特性產生影響，這里假設機艙大氣環境壓力為101 325 Pa，艙室表面表面風速為0.5 m/s，利用上述公式計算了機艙壁面油膜在艙室環境里的揮發速率，計算結果如圖2～圖4所示。

圖2 油膜揮發速率隨溫度的變化規律Fig.2 The variation of oil film evaporation rate with temperature

由圖2可知，在20 ℃～60 ℃的機艙環境溫度范圍內，隨溫度的增加，壁面油膜揮發速率呈指數增長趨勢，這是因為隨著溫度的增加，飽和蒸汽濃度呈指數增長，對流傳質系數也基本呈正比例增長，溫度從20 ℃上升至60 ℃時，油膜揮發速率增加了23倍，可見溫度的變化是導致油膜揮發速率快速增加的主要原因。

2.2 環境壓力對油膜揮發速率的影響

機艙環境大氣壓力會使飽和蒸汽濃度和對流傳質系數產生影響，這里假設環境溫度一定，設為25 ℃，壁面油膜的表面風速為0.5 m/s，計算在室內風速方向上0.5 m長度的壁面油膜的揮發速率，計算結果如圖5～圖7所示。

圖3 飽和蒸汽濃度對溫度變化規律Fig.3 Saturated vapor concentration versus temperature

圖4 對流傳質系數隨溫度變化規律Fig.4 Variation law of convective mass transfer coefficient with temperature

圖5 油膜揮發速率隨壓力變化規律Fig.5 Law of evaporation rate of oil film with pressure

圖6 對流系數對隨壓力變化規律Fig.6 The law of convective coefficient versus pressure

圖7 飽和蒸汽濃度隨壓力變化規律Fig.7 Variation of saturated vapor concentration with pressure

由圖可知，壁面油膜揮發速率隨環境壓力的增大而減小，這是因為其對流傳質系數和飽和蒸汽壓都隨著壓力的增加呈現指數級的遞減，當機艙大氣環境壓力降低20%時，其壁面油膜揮發速率會增加1倍以上，當機艙大氣環境壓力上升20%時，其壁面油膜揮發速率會降低30%。

2.3 油膜表面風速對揮發速率的影響

機艙內的空氣流速會隨著艙室內的風機、以及相關的空氣凈化設備的運行狀況改變而發生變化，而空氣流速風速會對壁面附近氣流的雷諾數產生影響，進而會對油氣-空氣對流傳質系數產生影響，這里此時假設機艙環境壓力不變，保持101 325 Pa，溫度為25 ℃，壁面表面風速在0.2～5 m/s內變化，計算結果如圖8～圖9所示。

圖8 油膜揮發速率隨風速變化規律Fig.8 Change of evaporation rate of oil film with wind speed

圖9 對流傳質系數隨風速變化規律Fig.9 Variation law of convective mass transfer coefficient with wind speed

由圖可知，油膜揮發速率隨風速的增加，呈對數級增長，其原因是因為表面風速的增加，對流傳質系數會隨著風速的增加呈指數增加對數級增長趨勢，進而導致油膜的揮發速率呈對數級增長。機艙空氣流速從0.2 m/s增加到5 m/s時，其油膜揮發速率會增加5倍，可見機艙內的空氣流速對油氣的揮發產生影響很小。

3 結 語

本文對船舶機艙壁面沉積油膜的揮發速率進行了數值研究，結合船舶機艙的環境特點和油膜揮發方式，應用傳質原理，建立了油膜在機艙壁面的揮發速率數值模型，并通過對機艙典型環境的計算分析證明，油膜揮發速率隨油膜機艙環境溫度的增加呈指數級增長、隨環境壓力的減小呈指數級增長，隨空氣流速的增加呈對數級增長。其中，在機艙環境范圍內的環境溫度對揮發速率的影響最大。該研究成果可為船舶機艙內的各類油氣凈化配置和優化運行提供輸入，從而改善機艙空氣品質，降低各類爆燃事故的發生危險，為船員營造更舒適和安全的工作空間。后續將進行針對性的實驗，對本文發展的船舶機艙壁面油膜揮發數值模型進行驗證和修正。