环境水温对舰船甲板升温效果影响的实验研究

环境水温对舰船甲板升温效果影响的实验研究
解从伟;迟卫;金良安;安中昌
【摘要】舰船甲板平台区域的气流牵引式循环升温新技术是为解决其防冻和除冰等相关问题研究的.该文利用专用的原理性验证模拟实验装置,初步研究环境水温对甲板区域升温效果的影响,对环境水温为8.1～8.3℃、5.0～5.2℃和1.1～1.3℃进行升温效果的对比实验.结果表明:在甲板表面初始温度相同的情况下,环境水温会明显影响甲板平台区域的升温效果；环境水温越高,即水面与甲板表面的初始温差越大,甲板平台区域的升温幅度就越大,其升温效果也就越好.
【期刊名称】《中国测试》
【年(卷),期】2013(039)003
【总页数】5页(P10-13,69)
【关键词】舰船甲板;升温技术;环境水温;实验研究
【作者】解从伟;迟卫;金良安;安中昌
【作者单位】海军大连舰艇学院研究生管理大队,辽宁大连116018;海军大连舰艇学院航海化系,辽宁大连116018;海军大连舰艇学院航海化系,辽宁大连116018;海军大连舰艇学院研究生管理大队,辽宁大连116018
【正文语种】中文
【中图分类】U672;U663.6;X834;P716+.12
舰船甲板平台区域的防冻和除冰，在当今仍然是亟待解决的一个技术难题。

现有常用的一些除冰方法不仅费时、费力而且危险，有时还要用棒槌、大锤和消防斧等人
工方法[1-5]来除冰，显然难以满足高科技条件下对作战的要求。

虽然有些现代化舰船装有用于除冰的电加热或蒸汽加热设备，可这些设备往往需要连续消耗大量的电能；而且，排水孔和疏水管道都极易结冰，融化后的冰水囤积在甲板上也很有可能重新结冰[4-8]，难以达到彻底除冰的效果。

为此，本文提出了基于舰船周围气流牵引式循环的甲板平台区域升温技术研究。

鉴于气流牵引式循环升温技术受环境水温、气体牵引设备的取气口、吹气口以及牵引气体流量、风速等多种因素影响，本文将专门就环境水温对甲板平台区域升温效果存在的影响进行实验研究，利用专门研制的原理性验证模拟实验装置，分析环境水温对甲板平台区域升温效果的影响情况。

1.1 实验原理
根据气流循环理论，特提出舰船甲板气流牵引式循环升温的思想——利用专用气体牵引设备，对积聚于舰船甲板平台区域内的温度较低气体和近海面表层的温度较高气体进行人工牵引，使两者在舰体周围形成微环流，从而使温度较低气体不再积聚于舰船甲板平台区域，能够自动回落到海面；与此同时，作上升运动的近海面表层的温度较高气体，将被牵引回填到甲板平台区域，进而实现该区域升温的目的。

该技术思想的核心内容，是通过人工牵引的方法使得因舰船甲板的存在而被阻隔的海面气体对流运动得以恢复，其原理示意如图1所示。

如图1所示，其实现方法是：启动气体牵引设备，将气体经吹气口送到甲板平台区域，以扰动该区域原有的气体平衡，驱散在该区域积聚的温度较低气体，使其降落至海面，从而在船体周围形成新的气流微循环，即舰船微环境气流牵引式循环。

由于温度较低气体回落到海面，使甲板平台区域表面压强降低，因此，作上升运动的温度较高气体被牵引回填到该区域，使该区域的温度明显上升，从而达到对该区域进行升温、防冻和除冰等目的。

本文旨在考察环境水温不同时对甲板平台区域升温效果的影响规律，为此，可根据
上述气流牵引式循环的升温思想，针对不同的环境水温进行相应实验，即可考察环境水温对甲板平台区域升温效果的具体影响。

1.2 实验装置
为研究环境水温对甲板平台区域升温效果的影响，设计制作了一套封闭式的原理性验证模拟实验装置，如图2所示。

该实验装置由实验区域和温度指示区域两大部
分组成。

实验区域部分主要包括水池（1.2m×1m×1.5m）、模拟的甲板、气体牵引设备、挡板、3支温度传感器、控温冰块等，该部分可模拟寒冷海区舰船甲板平台区域温度的变化。

实验中水池用以模拟舰船所在的海上环境；气体牵引设备的主要功能是驱散模拟甲板表面的低温气体，使其从模拟甲板表面回落到水面；挡板的作用是调节模拟甲板表面的面积，以在深入研究时考察甲板面积大小对升温效果的影响；温度传感器用来测量模拟甲板表面的温度和水温；控温冰块的作用是使模拟甲板表面上方形成低温环境，以模拟舰船甲板平台区域上方的气体环境。

温度指示区域主要由温度显示器和温度显示器固定装置等组成。

该区域主要是显示模拟甲板表面的温度和水温，以通过记录和分析温度传感器显示的读数来研究环境水温对甲板平台区域升温效果的影响。

1.3 实验方法
实验在3种不同环境水温下进行，启动气体牵引设备后记录不同时刻下模拟甲板
表面温度的数据，进而考察分析其升温情况。

实验中，模拟甲板的长24 cm，宽
20 cm，水深约为36 cm，模拟甲板与水面的高度约为34 cm，牵引气体的流量
约为1.5 L/min。

实验的具体步骤如下：
（1）把气体牵引设备固定在模拟甲板表面，并把3支温度传感器分别布置在指定位置（如图3所示），其中，①距离挡板5 cm；②距离挡板18cm；③位于水中，④位于密闭环境中。

（2）将气体牵引设备的取气口S布置于离模拟甲板表面0.5 cm处，吹气口P离
模拟甲板端点（N）12 cm，位置示意图如图3所示。

（3）打开温度传感器电源，当温度传感器位置③处的读数稳定在8.1～8.3℃后，记录此时3支温度显示器的读数。

（4）不启动气体牵引设备，每隔2min记录各温度显示器的读数。

（5）约20min后，启动气体牵引设备，每隔2min记录各温度显示器的读数，直到模拟甲板表面温度不再明显变化。

环境水温为5.0～5.2℃和1.1～1.3℃时的实验步骤与上述步骤一致。

2.1 实验结果
根据上述实验步骤，测得环境水温为8.1～8.3℃、5.0～5.2℃和1.1～1.3℃时的实验数据分别如表1、表2和表3所示，其中T1、T2分别为图3中模拟甲板表面传感器①、②处的温度，初始温差是指环境水温减去初始时刻甲板表面温度所得的差。

为使实验结果尽可能精确，将模拟甲板表面①、②处的两个温度取平均值作为甲板表面平均温度，即（T1+T2）/2。

2.2 分析与讨论
2.2.1 甲板表面不同时刻的升温情况
为了更直观地描述环境水温对甲板平台区域升温效果的影响，将甲板表面T时刻
的平均温度减去初始时刻的平均温度所得的差定义为甲板表面升温幅度。

由此，结合表1～表3数据得出了不同初始温差时甲板表面不同时刻的升温幅度曲线，如图4所示。

由图4可知，随着时间的变化，甲板表面温度不断升高；初始时其表面温度升高快，达到一定程度后不再升高。

而且，从时间上看，大约10min后甲板表面升温
幅度不再明显，也就是说前10min是升温的主效时段，之后时间对甲板表面升温
的贡献不再明显。

因此，在实际工作中，可按主效时段来启动运行气体牵引设备，当甲板表面达到一定温度后即可间歇性停机。

当初始温差没有足够大时，由于甲板表面的升温总幅度很小，其升温效果不明显，所以使用气流牵引式循环技术对甲板平台区域进行升温意义不大；而当存在足够大的初始温差时，使用该技术进行升温则有明显的效果。

因此，在实际应用中，可根据初始温差的大小来决定是否启动运行气体牵引设备。

2.2.2升温效率与初始温差
间的关系分析
为了进一步描述水温对甲板平台区域升温效果的影响，特引入升温效率的概念，即在同一水温条件下，甲板表面的升温总幅度与初始温差之比，显然从另一角度它可以更好地反映甲板平台区域升温效果的差异。

由此，综合表1～表3的数据得出了升温效率与不同初始温差间的关系曲线，如图5所示。

由图5可知，初始温差越大，甲板表面的升温效率就越高，其升温效果也就越明显；随着初始温差的增大，甲板表面的升温效率也不断升高，但升温效率随初始温差的变化存在快速增长区，即初始温差在一段区间内甲板表面的升温效率快速增长；初始时其表面升温效率的升高幅度大，达到一定程度后趋于平稳。

而且，从图中还可看出，气流牵引式循环升温技术存在升温效率的理想值，该理想值约为50%，
即达到该理想值时甲板表面的升温总幅度约为初始温差的一半。

2.2.3 环境水温对升温效果影响的原因
综合上述实验结果与分析表明，在甲板表面初始温度相同的情况下，环境水温越高，甲板平台区域的升温效果就越明显。

其原因解析如下。

根据气流牵引式循环技术的升温原理，环境水温是其能够使甲板平台区域升温的动力源泉所在；当甲板表面初始温度相同时，环境水温越高，即初始温差越大，相应的气体对流运动必然越强烈[9-10]。

在海面上，通常存在着有规律的气体上升、下降又上升的对流运动。

而当海面上有舰船时，舰船甲板周边以外的海面仍然进行着上述的气体对流运动；对于舰船甲板上方的气体，其大部分冷气流下沉时因有舰船甲板的阻隔而无法再到达海面，于是
不断地在甲板表面积聚；随着冷气流这样的不断积聚，舰船甲板表面温度必然会随之不断降低，当降至冰点以下时，舰船甲板就容易结冰，而通过人工牵引的方法使舰船甲板平台区域的对流运动被恢复后，如果该气体对流运动越强烈，那么填充到甲板平台区域的温度较高的气体就越多，从而使甲板表面的升温幅度就越大，其升温效果也就越好。

因此，初始温差越大，甲板平台区域的升温效果就越好。

本文利用专门设计的模拟实验装置，对环境水温为8.1～8.3℃、5.0～5.2℃和
1.1～1.3℃进行升温效果的对比实验。

结果表明环境水温会明显影响甲板表面升温的效果，环境水温越高，甲板平台区域的升温幅度就越大，其升温效果也就越好。

本结论可为气流牵引式循环升温技术的深入研究提供必要的实验和理论依据。

【相关文献】
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