水面舰船集防系统的超压值仿真分析

and each section of a surface ship's overpressure value should be set according to its pressure distribution.
收稿日期： 2017 - 07 - 27
作者简介 ： 陈红超 （通信作者） ， 男， 1984 年生， 硕士， 工程师。研究方向： 舰船暖通空调。
文献标志码： A DOI： 10.3969/j.issn.1673-3185.2018.02.005
Simulation analysis of overpressure value for collective protection system of surface ship
Shanghai Division， China Ship Development and Design Center， Shanghai 201108， China Abstract： ［Objectives］ The collective protection system is an essential part of surface ship defense. In order to solve the overpressure value of the collective protection system of surface ships， ［Methods］ the overpressure value of the collective protection system is carried out by simulating the pressure distribution CHEN Hongchao， SONG Kaohua， BAO Jian， LUO Wenjun
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2.2
集防区的数学模型
仿真模型的连续性方程为
小， 故仅保留大型的露天武器设备。
¶ρ ¶（ ρu） ¶（ ρv） + + =0 δt δx δy
（2）
反映全舰的压力分布情况， 故将舰体简化为二维 模型。 温度和密度变化不大， 故忽略热压作用的影响。 动的相对风速。 所示。
第2期
陈红超等： 水面舰船集防系统的超压值仿真分析
下简化：
建 立 该 型 护 卫 舰 的 1： 1 仿真模型， 并进行如 1）由 于 小 型 的 露 天 武 器 设 备 对 风 压 影 响 较 2）由 于 三 维 模 型 的 中 纵 剖 面 和 俯 视 面 足 以 3）由于舰体基本属于封闭结构， 舰内空气的 4）假设舰体静止， 将舰船航速等效为空气流 采用 Gambit 软件建立的仿真模型如图 2 和图 3
2
全舰集防系统超压值的仿真分析
在海上航行过程中， 水面舰船各处的风压将
有所差别， 迎风区域的风压较大， 背风局部区域则 可能出现负压。如果全舰都按照统一的标准设置 超压值， 必然会导致空气处理设备的负荷过重。 因此， 有必要针对全舰各个区域风压进行仿真分 析， 并考虑局部区域气流的叠加作用。
2.1
集防区的物理模型
p = 1 K ρv 2 （1） 2 式中：p 为风压， Pa；K 为空气动力学系数；ρ 为 v 为相对风速， 标准大气压的空气密度， kg/m3； m/s。
K 的数值取决于风向和航向的夹角， 舰船迎 风时为正值， 背风时为负值［12］。当舰船以最高航 速 30 kn 迎风前进时， 最高相对风速 v max =25.72 m/s。 设 K =1，ρ =1.2 kg/m3， 则 P =397 Pa。 考 虑 到 集 防 值， 则表面空气压力最大值 P max =407 Pa。 区内外温差的影响， 一 般 取 10 Pa 的 压 力 差 补 偿
水面舰船集防系统的超压值仿真分析
陈红超， 宋靠华， 包剑， 罗雯军
中国舰船研究设计中心， 上海 201108
摘 要： ［目的］集体防护系统是水面舰船防护的重要组成部分。为解决水面舰船集防系统的超压值设定问题，
［方法］ 通过理论分析集防系统的超压值， 并建立国外某护卫舰的简化物理模型和数学模型， 模拟不同风向和 风速下全舰的压力分布， 开展集防系统的超压值仿真分析。 ［结果］仿真结果表明， 从舰艏到舰艉的压力分布极 不均匀， 其中桅杆处的正压力最高， 之后迅速降低至负压， 且逐渐增加的负压一直延续到舰艉； 全舰超压值的设 定受风向和航速的影响， 应根据压力分布对超压值进行分段设置。 ［结论］研究成果可为我国水面舰船集防系统 的超压值设置和优化设计提供数据参考。 关键词 ：水面舰船； 集防系统； 超压值； 仿真分析 中图分类号 ： U674.7+03.7
第 13 卷 第 2 期 第2018 2期 年4月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal of Ship Research
Vol.13 No.2 Apr. 2018
引用格式： 陈红超， 宋靠华， 包剑， 等 . 水面舰船集防系统的超压值仿真分析 ［J］ . 中国舰船研究， 2018， 13 （2） ： 35-40. CHEN H C ，SONG K H ，BAO J， et al. Simulation analysis of overpressure value for collective protection system of surface ship ［J］ . Chinese Journal of Ship Research， 2018， 13 （2） ： 35-40.
以国外某护卫舰为研究对象， 开展全舰集防
系统的压力仿真分析。该舰长 124 m ， 宽 14 m ， 如 图 1 所示。
1
全舰集防系统超压值的理论分析
水面舰船集防系统的作用是避免空气中的
图1 Fig.1 国外某护卫舰 A foreign frigate
NBC 污染物进入集防区， 理论上只要舰船外壁保
［4］
在 NBC 污染环境下至少运行 36 h 的防护能力［4］。 统计结果表明， 现代舰船执行任务的时间一般超
对 NBC 污 染 环 境 ， 水面舰船必须设置集防系统， 用以保障水面舰船集防区的环境安全。该集防区 应具有密闭和正压的特点， 集防区设定的正压值 即为集防系统超压值。超压值过高， 则舰船的空 调系统配置需随之提高， 同时也将影响舰员的舒 适性； 超压值过低， 则 将 不 能 有 效 抵 御 外 来 NBC 污染物的入侵。 目前， 国内外学者针对集防系统开展了广泛 的研究工作。杨光等［5］通过对波浪动压值、 重力、 惯性力、 静水压等因素导致的结构形变进行仿真， 分析了舰体集防区对外通道的结构变形和气密门 密封圈的接触压力分布情况， 但并未得出具体的 集防系统超压值， 也未从空气动力学的角度分析 集防系统超压值的设定原则。林芃等［6］指出我国 舰船在有限防护区域的超压可达 250～ 400 Pa， 波 动范围为控制指标的 ±20% ， 但并未进行详细的分 析论证。在欧美相关的海军设计规范中， 集防系 统 超 压 值 一 般 设 定 为 300～ 500 Pa［7-9］， 而国内尚 未开展这方面的分析论证工作。因此， 本文拟结 合我国水面舰船的技术发展现状， 通过理论和仿 真的方法对全舰集防系统超压值进行分析论证， 提出具体的超压设定值， 用以为集防系统优化设 计提供参考。
基金项目 ： 国家部委基金资助项目； 上海市青年科技启明星基金资助项目 （17QB1404800）
网络出版时间： 2018-4-11 9:00
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中
国
舰
船
研
究
百度文库
第 13 卷
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引
言
证绝对气密， 污染物就无法入侵舰船内部。然而， 在实际应用中不可能实现绝对的气密， 因为舰船 外壁总会存在一些微小的泄漏点。当舰船在恶劣 海况下航行时， 流动的空气将在舰体表面形成正 压， 这样 NBC 污染物有可能通过舰船外壁泄漏点 进入舰船内部， 从而造成污染。因此， 在集防区内 压值） 才能有效阻止潜在的渗透威胁。 水面舰船外壁的表面风压是由外界空气相对 于舰船外表面的相对流速所致， 其中海面风向与 舰船航行方向相反时的相对流速最大。根据相关 资料可知， 当 海 上 相 对 风 速 超 过 6.7 m/s 时 ， 污染 物 将 被 迅 速 冲 淡 从 而 威 胁 性 明 显 降 低 ［10-11］。 目 前， 国 内 外 普 遍 认 为 在 4 级 海 况（平 均 风 速 为 而处于污染区内的舰船可迎风前进以迅速驶离。 力为 8.00~17.1 m/s） 以下才能形成有效的 NBC 污染区， 水 面 舰 船 受 到 NBC 战 剂 威 胁 的 表 面 空 气 压 设置超压环境 （必须大于舰体外部表面的空气风
overpressure value of the collective protection system of an entire ship is calculated by theoretical analysis， a simplified physical model and mathematical model of a foreign frigate are created，and an analysis of the of the entire ship under different wind directions and speeds.［Results］ The simulation results show that reaches the maximum ，then decreasing dramatically until it presents negative pressure after the stern. It ［Conclusions］ The simulation results of the overpressure value of a surface ship can provide data to support the design of collective protection systems；combined with the pressure distribution of a surface ship， it can also provide useful references for the design of collective protection systems. Key words： surface ship； collective protection system ； overpressure value； simulation analysis the pressure distribution of an entire ship is extremely non-uniform ，increasing from bow to mast until it can be concluded that the overpressure value of a surface ship is influenced by wind direction and speed，
2 ［2］
。而核动力
舰船和潜艇则可能存在核泄漏隐患， 英国国防部 于 2009 年承认， 在过去的 12 年内， 英国核潜艇共 计发生了 9 次核泄漏事故 。
［3］
正因为如此， 各国海军均非常重视水面舰船
的 NBC 综合防护能力， 其中美国海军明确要求新 研水面舰船应具备完善的 NBC 综合防护能力， 甚 至要求海岸警卫队新研的 127 m 级海警船应具备 过 出 航 时 间 的 80％ 。 如 果 舰 船 不 具 备 NBC 防 护 能力， 则将会在短时间内迅速丧失战斗力 。针
NBC） 武器的发展愈演愈烈， 已 有 30 多 个 国 家 宣
［1］
目前， 核生化 （Nuclear， Biological and Chemical，
称拥有化学武器 。未来， NBC 武器有可能在战 弹 头 的 污 染 面 积 可 达 2.288×10 m
9
争和恐怖袭击中投入使用， 并导致难以预估的严 重后果。例如， 一枚携带肉毒杆菌的飞毛腿导弹