劉秀峰，喻俊峰，張益誠,于立慶

(1.海軍駐武漢701所軍事代表室，武漢 430064;2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064; 3.大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116005)

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集體防護(hù)區(qū)超壓建立過程分析

劉秀峰1，喻俊峰2，張益誠2,于立慶3

(1.海軍駐武漢701所軍事代表室，武漢 430064;2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064; 3.大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116005)

將集體防護(hù)區(qū)按照壓力不同劃分為3個區(qū)域，推導(dǎo)超壓建立過程中壓力場不均勻分布的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合該模型對超壓建立過程中壓力變化試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，集體防護(hù)區(qū)建成后，可根據(jù)調(diào)試試驗結(jié)果對高壓區(qū)、中壓區(qū)、低壓區(qū)之間流通面積進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改善超壓建立過程的效率。此外，防護(hù)區(qū)超壓建立后，有必要對壓力穩(wěn)定的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，縮短達(dá)到超壓穩(wěn)定的時間。

集體防護(hù)區(qū)；超壓建立；數(shù)學(xué)模型

集體防護(hù)區(qū)是水面艦艇核生化防御體系的重要組成部分。美國海軍從上世紀(jì)80年代開始在水面艦艇上配置集體防護(hù)系統(tǒng)[1]。全防護(hù)集體防護(hù)系統(tǒng)[2]通過建立密閉周界、向集體防護(hù)區(qū)提供過濾處理后的潔凈空氣來建立超壓，并及時補(bǔ)充潔凈空氣以維持防護(hù)內(nèi)正壓狀態(tài)。此時，集體防護(hù)區(qū)內(nèi)的人員不再需要采取個人防護(hù)措施，進(jìn)而有效提高了艦船及人員應(yīng)對外界空氣污染狀況的能力。安全性和舒適性是設(shè)計集體防護(hù)區(qū)需要考慮的重要問題。集體防護(hù)區(qū)通過建立超壓，使空氣只能從船體內(nèi)部集體防護(hù)區(qū)周界上向外排出或泄漏空氣，從而避免了外界污染物進(jìn)入防護(hù)區(qū)內(nèi)。超壓值需要合理設(shè)置，過高或過低均會造成不利影響[3]。在多艙室集體防護(hù)區(qū)內(nèi)建立超壓的過程中，不同位置的壓力和壓力變化速率會存在差異，有必要在多個特征位置設(shè)置艙室壓力計對壓力進(jìn)行監(jiān)測，以確保整個集體防護(hù)區(qū)的壓力達(dá)到超壓設(shè)定值。

1 超壓建立過程數(shù)學(xué)模型

集體防護(hù)區(qū)通常由多個艙室組成，其內(nèi)部壓力沿著空氣流動的方向壓力呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，艙室與艙室之間的壓力有時候會出現(xiàn)比較明顯的差異。一般情況下，有空調(diào)送風(fēng)的艙室壓力較高，而集體防護(hù)區(qū)周界上將空氣排出集體防護(hù)區(qū)外的艙室內(nèi)壓力較低。為對整個超壓建立過程進(jìn)行分析，將集體防護(hù)區(qū)劃分為高壓區(qū)、中壓區(qū)和低壓區(qū)等3個區(qū)域，見圖1。

考慮到集防區(qū)內(nèi)的壓力變化是一個非均勻的動態(tài)過程，需要在集防區(qū)內(nèi)選擇特征位置作為壓力監(jiān)測點，對不同區(qū)域的壓力進(jìn)行監(jiān)測。

在超壓建立的過程中，通風(fēng)機(jī)向集體防護(hù)區(qū)中高壓區(qū)輸送空氣的流量為q1，集體防護(hù)區(qū)在低壓區(qū)的排風(fēng)量和空氣泄漏量總和為q4，q2、q3分別為由高壓區(qū)向中壓區(qū)流動的風(fēng)量和由中壓區(qū)向低壓區(qū)流動的風(fēng)量。p1、p2、p3分別為高壓區(qū)、中壓區(qū)、低壓區(qū)的壓力。

假設(shè)集體防護(hù)區(qū)模型滿足下列條件：

1)高壓區(qū)、中壓區(qū)、低壓區(qū)內(nèi)壓力差分布均勻；

2)集體防護(hù)區(qū)與外界的溫度一致；

3)空氣按照理想氣體處理。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

pV=mRT

(1)

式中：p,V,T,m分別為氣體的壓力、體積、溫度、質(zhì)量；R為空氣氣體常數(shù)。

集體防護(hù)區(qū)內(nèi)，高壓區(qū)、中壓區(qū)和低壓區(qū)的壓力變化率分別為

(2)

(3)

(4)

假設(shè)超壓建立時間為Δt，超壓建立后集體防護(hù)區(qū)內(nèi)的空氣質(zhì)量增加了Δm，則

假設(shè)集體防護(hù)區(qū)的空氣來源為始終工作在額定轉(zhuǎn)速的通風(fēng)機(jī)，在超壓建立過程中，集體防護(hù)區(qū)內(nèi)壓力上升，空氣流量逐漸下降。假設(shè)通風(fēng)機(jī)的壓力與流量的關(guān)系曲線為

p1=Aq21+Bq1+C

(5)

式中：A，B，C為風(fēng)機(jī)流量與全壓關(guān)系曲線的二次多項式擬合系數(shù)。

假設(shè)由高壓區(qū)到中壓區(qū)的流通通道的綜合流動阻力系數(shù)為ξ1，該通道內(nèi)風(fēng)速為u1，則

(6)

同理可得

(7)

式中：ξ2為由中壓區(qū)到低壓區(qū)的流通通道的綜合流動阻力系數(shù)；u2為該通道內(nèi)風(fēng)速。

2 超壓建立過程試驗

選擇一個由多個艙室串聯(lián)組成的區(qū)域開展超壓建立過程試驗，使用風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械送風(fēng)代替空調(diào)送風(fēng)，在防護(hù)區(qū)周界配置有泄壓閥，風(fēng)機(jī)與泄壓閥均由控制箱進(jìn)行集中監(jiān)控，多個艙室中均配置有壓力計，多艙室之間設(shè)置節(jié)流閥。防護(hù)區(qū)模擬試驗中，特征艙室從建立超壓到恢復(fù)常壓的過程中，超壓值變化情況如圖2所示。其中，設(shè)計壓力值為P0。

在t=0 s時開始超壓建立過程，模擬防護(hù)區(qū)開啟通風(fēng)機(jī)向防護(hù)區(qū)內(nèi)送風(fēng)，并同時關(guān)閉泄壓閥。經(jīng)過幾秒鐘的風(fēng)機(jī)啟動時間后，艙室內(nèi)壓力開始迅速升高。該階段時間與艙室容積和風(fēng)機(jī)通風(fēng)能力有直接關(guān)系。根據(jù)通風(fēng)機(jī)壓力與流量特性曲線，隨著通風(fēng)機(jī)背壓升高，進(jìn)風(fēng)流量逐漸下降，進(jìn)而導(dǎo)致當(dāng)超壓值接近設(shè)定值后，壓力升高速率放緩。根據(jù)式(6)和式(7)，利用采集到的P1、P2、P3數(shù)據(jù)，可以得到高壓區(qū)與中壓區(qū)、中壓區(qū)和低壓區(qū)之間空氣的流通速率。若流速差較大，則有必要調(diào)節(jié)相鄰區(qū)域之間的流通面積。

在t=200～400 s之間，防護(hù)區(qū)處于壓力穩(wěn)定階段。該項試驗時，壓力泄放閥的啟閉策略為將超壓值限制在設(shè)定值較窄范圍內(nèi)。該控制策略導(dǎo)致閥門啟閉的次數(shù)較多，不利于形成較為穩(wěn)定的超壓值。通過改善該階段的控制策略，構(gòu)建系統(tǒng)增量方程線性化傳遞函數(shù)，通過傳遞函數(shù)確定PID參數(shù)以實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定及優(yōu)化控制，實現(xiàn)集體防護(hù)系統(tǒng)精確的定量控制[4]。集體防護(hù)系統(tǒng)在建壓超壓及運(yùn)行過程中產(chǎn)生的壓力波動，應(yīng)超過人體耐受閾限。除了超壓控制策略導(dǎo)致的集體防護(hù)區(qū)內(nèi)壓力波動外，集體防護(hù)區(qū)內(nèi)的壓力還受外界大氣壓力變化、人員進(jìn)出、壓力探測及控制設(shè)備的工作方式等因素的影響，在設(shè)計時應(yīng)一并考慮。

壓力趨于穩(wěn)定后，關(guān)閉通風(fēng)機(jī)，開啟泄壓閥，壓力開始逐漸降低，直至超壓值降低為0。在試驗過程中可以觀察到，在t=475 s左右時，艙室內(nèi)壓力出現(xiàn)略微升高的情況。造成該情況的原因為風(fēng)機(jī)沒有在關(guān)閉后立刻完全停止，而是由于慣性繼續(xù)向防護(hù)區(qū)內(nèi)送風(fēng)。該情況對防護(hù)區(qū)壓力恢復(fù)造成的不利影響可以忽略。

對于特定的艙室超壓Δp和艙室容積V，超壓艙室需要增加的總空氣質(zhì)量Δm是確定的，超壓建立時間取決于超壓艙室空氣質(zhì)量增長速度。

對于變流量系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)啟動后以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在超壓建立過程中，流量下降，全壓上升。待壓力穩(wěn)定在超壓設(shè)定值后，流量與全壓同樣保持穩(wěn)定。超壓建立過程中，Qx和Qy都是變化值，有

(8)

為盡量縮短超壓建立的時間，應(yīng)盡量減小空氣泄露量Qy。通過將節(jié)流閥做成可調(diào)式，使節(jié)流面積S1可變化，在建壓過程中，使節(jié)流面積S1由0調(diào)至穩(wěn)態(tài)面積。節(jié)流閥為開環(huán)控制時，節(jié)流面積S1的變化規(guī)律需由實際情況根據(jù)試驗確定；節(jié)流閥為閉環(huán)控制時，還要注意將系統(tǒng)最大超調(diào)量和振蕩幅度控制在合理范圍內(nèi)。

集體防護(hù)區(qū)壓力波動除了受壓力控制設(shè)備的控制策略的影響外，還會因壓力測量設(shè)備布置位置的不同導(dǎo)致波動頻率和幅度發(fā)生變化。一方面，集體防護(hù)區(qū)內(nèi)壓力探頭需要布置在壓力更為穩(wěn)定的區(qū)域，盡量避免測量結(jié)果受人員活動或門蓋開閉的影響。另一方面，考慮到船舶航速和外界風(fēng)速的影響，集體防護(hù)區(qū)對外界氣壓的測量探頭的安裝位置要盡可能避免受航速、航向、風(fēng)速等因素的動態(tài)干擾。

3 結(jié)論

集體防護(hù)區(qū)建成后，可根據(jù)調(diào)試試驗結(jié)果，對高壓區(qū)、中壓區(qū)、低壓區(qū)之間流通面積進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改善超壓建立過程的效率。此外，防護(hù)區(qū)超壓建立后，可以通過對壓力穩(wěn)定的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，縮短集體防護(hù)區(qū)的超壓值達(dá)到穩(wěn)定的時間。

[1] 劉書子.美國海軍艦艇集體防護(hù)系統(tǒng)(CPS)的發(fā)展研究[J].艦船防化，2001，27(3)：1-10.

[2] 梅建庭，羅一丁.大型水面艦船集體防護(hù)體系的構(gòu)建與作用[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2009(5)：98-101.

[3] 方勇.艦船集體防護(hù)系統(tǒng)超壓及其波動分析[J].艦船防化，2013(3)：48-51.

[4] 林芃，王吉，包劍，等.水面艦艇集體防護(hù)系統(tǒng)PID控制分析[J].中國艦船研究，2015，10(4)：118-124.

[5] 喻俊峰，楊海燕.艙室超壓建立的物理模型分析[J].船海工程,2016,45(2):109-111.

[6] 方勇.艦船集體防護(hù)系統(tǒng)增壓建立分析[J].船海工程,2013,42(4):112-113.

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Study on Overpressure Establishing Process of Collective Protection District

LIU Xiu-feng1, YU Jun-feng2, ZHANG Yi-cheng2, YU Li-qing3

(1.Military Representative Office at No.701 Research Institute, Wuhan 430064, China; 2.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 3.Dalian Shipbuilding Industry Co. Ltd., Dalian Liaoning 116005, China)

To accurately analyze overpressure establishing process of the collective protection district (CPD), CPD was divided into three parts with gradient pressure distribution. Mathematics model of overpressure establishing process was deduced based on the pressure gradient. Experiment data of overpressure establishing process was analyzed with the model. The analyze results showed that it is necessary to adjust flow area between different cabin to improve overpressure establishing efficiency. Besides, control strategy of pressure stability needs to be optimized to shorten the establishing process time.

collective protection district; overpressure establishing process; mathematical model

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.035

2017-03-07

國家部委基金資助項目

劉秀峰(1970—)，男，碩士，高級工程師

研究方向：艦船機(jī)電工程

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0147-03

修回日期：2017-03-27