高壓氣底吹進(jìn)氣吹除主壓載水艙過程分析

羿 琦，林博群，張萬良

(中國船舶科學(xué)研究中心深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇無錫214082)

0 引 言

高壓空氣是潛艇上重要的抗沉資源，高航速下的卡舵和低航速下艙室破損進(jìn)水是潛艇常見的兩類事故。當(dāng)發(fā)生事故時，采用高壓空氣吹除相應(yīng)主壓載水艙內(nèi)的壓載水減輕重力、調(diào)整姿態(tài)并配合操舵可以使?jié)撏?yīng)急上浮轉(zhuǎn)危為安[1]。高壓氣吹除主壓載水艙過程的研究方法主要有試驗方法、CFD數(shù)值仿真和數(shù)理模型研究。楊晟等[2–3]進(jìn)行了潛艇應(yīng)急燃?xì)獯党到y(tǒng)的小比例模型原理實驗，模擬了水下100m深度時燃?xì)獯党呐潘阅芘c規(guī)律以及燃?xì)獯党^程中的主要性能參數(shù)變化情況。劉輝等[4–5]設(shè)計了潛艇高壓氣吹除主壓載水艙小比例模型，進(jìn)行不同模式下高壓氣吹除壓載水艙小比例模型原理實驗，得到了高壓氣吹除壓載水艙排水性能以及吹除過程中主要性能參數(shù)變化情況。王曉峰等[6]在壓載水艙高壓氣體吹除數(shù)理模型中考慮重力對吹除過程的影響，通過高壓氣體吹除系統(tǒng)模型試驗，驗證改進(jìn)數(shù)理模型的可靠性。然而，實艇試驗價格昂貴、不易操作且危險系數(shù)較高；小尺度模型試驗由于尺度效應(yīng)的存在對實艇操作并不具有直接指導(dǎo)意義；數(shù)理模型根據(jù)理論基礎(chǔ)和實際經(jīng)驗對吹除過程進(jìn)行簡化，計算精度較低；與試驗研究和數(shù)理模型研究相比，CFD仿真成本較低，且能根據(jù)研究工況邊界條件的變動及時變化，較試驗研究方法靈活，較數(shù)理模型精度要高，日益成為高壓吹除過程的主流研究方法[7]。

在開展試驗前預(yù)先對高壓氣吹除主壓載水艙過程進(jìn)行CFD數(shù)值仿真可以提前獲取吹除過程的關(guān)鍵參數(shù)，對試驗裝置的設(shè)計具有指導(dǎo)作用。對高壓氣吹除主壓載水艙的物理模型進(jìn)行簡化，根據(jù)高壓空氣進(jìn)入主壓載水艙的不同方式，簡化方法主要有3種，分別為側(cè)吹，頂吹和底吹。側(cè)吹的進(jìn)氣方式，高壓氣由主壓載水艙側(cè)壁進(jìn)入水艙[7–8]。頂吹的進(jìn)氣方式，高壓氣由主壓載水艙頂部進(jìn)入水艙[9–10]。底吹進(jìn)氣方式高壓氣由主壓載水艙底部進(jìn)入水艙，這種進(jìn)氣方式在潛艇低壓氣吹除上有應(yīng)用，為最接近真實吹除情況的模型簡化。

目前，側(cè)吹進(jìn)氣吹除和頂吹進(jìn)氣吹除的研究已十分廣泛且深入，而針對高壓氣底吹進(jìn)氣吹除主壓載水艙的過程還鮮有研究，且研究多側(cè)重主壓載水艙在吹除過程中相關(guān)特性參數(shù)的變化，忽視了高壓吹除管路特性參數(shù)隨時間的變化，而高壓吹除管路特性參數(shù)是管路閥門、儀表選型的重要依據(jù)。本文采用直接求解流動控制方程的CFD方法研究底吹進(jìn)氣高壓吹除過程，獲取吹除過程關(guān)鍵參數(shù)，著重分析通?？酌娣e、氣源壓力對吹除過程的影響，并對吹除過程中管路特性參數(shù)進(jìn)行研究。

1 物理模型和數(shù)學(xué)描述

1.1 物理模型

底吹進(jìn)氣簡化后的物理模型及網(wǎng)格如圖1所示。為了在仿真計算中考慮通海孔出口射流收縮對排水速率的影響，在通?？壮隹谕庠偌右欢魏Ｋ饔?，稱為艙外海域。本文主要研究底吹進(jìn)氣過程通?？酌娣e（A）和氣源壓力（P）對吹除過程的影響，6種計算工況參數(shù)如表1所示，其中，工況1、工況2、工況3設(shè)置2個DN90的通?？祝r4、工況5、工況6設(shè)置4個DN90的通?？?。

圖1 底吹進(jìn)氣物理模型及網(wǎng)格Fig.1 Physical model and grid of bottom blowing

表1 底吹進(jìn)氣計算工況參數(shù)Tab.1 Calculated operating parameters of bottom blowing

1.2 邊界條件和求解設(shè)置

高壓空氣瓶、主壓載水艙、管路、艙外海域圓柱面的邊界設(shè)置為壁面邊界（wall），通海孔的邊界設(shè)置為內(nèi)部邊界（interior），艙外海域底部設(shè)置為壓力出口邊界（pressure-outlet）。求解采用瞬態(tài)的壓力基求解器，求解算法采用PISO算法，考慮重力的影響，設(shè)置重力的大小和方向，并設(shè)置操作密度為0。為獲得清晰的氣液分界面，使用顯式VOF模型，并設(shè)置Volume Fraction的空間離散格式為Geo-Reconstruct格式。

2 計算結(jié)果分析

2.1 主壓載水艙中的氣體體積分?jǐn)?shù)（αv）

當(dāng)主壓載水艙中的氣體體積分?jǐn)?shù)大于99.5%時，認(rèn)為吹除完成。水艙中氣體體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化曲線如圖2所示。由圖可見，通?？酌娣e越大，氣源壓力越高，吹除用時越短。

圖3為工況6吹除過程中Z=0中截面處氣相分布云圖?？梢钥闯?，底吹進(jìn)氣高壓氣出流方向與通?？姿鞣较蛳喾矗邏簹庥赏ê？仔孤┹^少，高壓氣在出流的同時膨脹上浮，將壓載水排出主壓載水艙。

圖3 吹除過程氣液相體積分布，A=0.0255m2，P=18MPaFig.3 Air-liquid volume distribution in the blowing process,A=0.0255m2,P=18MPa

2.2 氣瓶內(nèi)的壓力變化

圖4 氣瓶內(nèi)壓力隨時間的變化Fig.4 Changes of pressure in air bottle with time

圖5 吹除50%和99.5%壓載水的高壓氣消耗Fig.5 High pressure air consumption for blowing50%and99.5%ballast water

圖4 為瓶內(nèi)氣體壓力隨時間的變化曲線。當(dāng)氣源壓力相同時，瓶內(nèi)氣體壓力變化曲線基本重合，與通?？酌娣e關(guān)系不大。圖5為吹除50%壓載水和吹除99.5%壓載水的高壓氣耗氣質(zhì)量?？梢钥闯觯焊邏簹夂臍饬侩S氣源壓力的增加而增加；通?？酌娣e增加，高壓氣耗氣量略有下降，通?？酌娣e增大2倍，吹除艙內(nèi)99.5%壓載水高壓氣消耗量工況4減小1.35kg；工況5減小2.74kg；工況6減小6.48kg。通?？酌娣e增加有效減小了吹除過程中高壓氣的消耗，且氣源壓力越大，減小效果越明顯。

2.3 通?？踪|(zhì)量流量

表2為通?？踪|(zhì)量流量特性參數(shù)。隨氣源壓力增加，流經(jīng)通?？椎暮Ｋ畲筚|(zhì)量流量（mmax）和時均質(zhì)量流量（mavg）均增加。對比工況1和工況4，工況2和工況5，工況3和工況6發(fā)現(xiàn)，同一氣源壓力下，通?？酌娣e增加2倍，流經(jīng)通?？椎馁|(zhì)量流量僅稍有增加，流量特性與通?？酌娣e并不是簡單的線性關(guān)系。而且單孔的流通能力隨通?？卓偯娣e的增加而大幅度減小。

表2 通?？踪|(zhì)量流量特性參數(shù)Tab.2 Mass flow characteristic parameters of sea opening

2.4 主壓載水艙中的平均壓力

吹除過程中，主壓載水艙內(nèi)的壓力空間分布比較均勻，氣相的壓力略高于液相，圖6為主壓載水艙中平均壓力隨時間的變化曲線。在高壓氣由吹除管路剛進(jìn)入主壓載水艙時，水艙內(nèi)的壓力急劇上升，氣源初始壓力越大，壓力的上升越明顯。而通?？酌娣e的增加可以有效減小主壓載水艙內(nèi)的壓升，吹除過程中水艙內(nèi)的最大壓力（Pmax）和時均壓力（Pavg）均有所減小，通?？酌娣e增大2倍，工況4、工況5、工況6主壓載水艙內(nèi)的最大壓升分別減小0.01MPa，0.10MPa和0.15MPa，氣源壓力越大，通?？酌娣e增加對主壓載水艙內(nèi)的壓升降低越明顯，如表3所示。

圖6 主壓載水艙平均壓力隨時間變化曲線Fig.6 Average pressure of main ballast tank with time

表3 主壓載水艙壓力特性參數(shù)Tab.3 Pressure characteristic parameters of main ballast tank

2.5 高壓吹除管路特性參數(shù)

高壓吹除管路特性參數(shù)如表4所示。高壓吹除管路速度特性參數(shù)隨氣源壓力增加而增加，隨通?？酌娣e的增大而增大。工況2、工況3、工況5、工況6管路出口最大速度均超過1Ma，出口時均速度也在1Ma以上。隨氣源壓力增加，管路入口段溫降減小、出口段溫降增加，管路時均溫降也有所減小。入口段溫降減小是由于吹除時間減少，低溫還未從出口段傳遞到入口段；出口段溫降增加是由于高壓氣膨脹隨氣源壓力的增加而更加劇烈。在同一氣源壓力下，通?？酌娣e增加也可使入口段溫降減小。吹除過程中，由于管路出口段的溫降明顯大于管路入口段，應(yīng)將不耐低溫的閥門和儀表布置在管路入口段附近，且采用大壓力氣源吹除，增大通海孔的面積可減小入口段溫降，降低溫度對閥門、儀表的影響。

表4 高壓吹除管路特性參數(shù)Tab.4 Characteristic parameters of high pressure blowing off pipe

3 結(jié) 語

本文針對高壓氣吹除主壓載水艙過程，研究高壓氣底吹進(jìn)氣時主壓載水艙的排水性能以及吹除過程中主要性能參數(shù)變化。研究結(jié)果表明：

1）通海孔面積越大，氣源壓力越高，吹除用時越短。通?？酌娣e的增加可以有效減少吹除過程中高壓氣的消耗，且氣源壓力越大，減小效果越明顯。

2）在高壓氣剛進(jìn)入主壓載水艙時艙內(nèi)壓力急劇上升，通?？酌娣e的增加可以有效減小主壓載水艙內(nèi)的壓升，降低對主壓載水艙的承壓要求。

3）吹除管路內(nèi)的氣流速度隨氣源壓力增加而增加，隨通?？酌娣e的增大而增大，氣流速度在管路出口加速到最大。吹除過程中，由于管路出口段的溫降明顯大于管路入口段，應(yīng)將不耐低溫的閥門和儀表布置在管路入口段附近。