張志友, 何升陽, 蔣永馨*, 鄭振宇

(1.海軍大連艦艇學院航海系，大連 116001；2.海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430032)

海水密度的人工躍變技術的核心思想是利用專門的材料和設備，在設定海域產生大量均勻分布的氣泡，以形成足夠規(guī)模的低密度海水區(qū)域，從而影響潛艇正常航行。該技術可以作為對敵潛艇的有效干擾手段，能夠為軍事應用技術提供技術儲備，提升對潛艇的打擊效果[1]。

躍變區(qū)的本質是含氣泡液體，對于該項技術，首要解決的問題是怎樣通過生成設備形成適度合理的氣泡群規(guī)模尺度、氣泡數密度的人工海水密度躍變區(qū)。由于化學反應和氣體射流兩種方式所形成躍變區(qū)的氣泡分布差別較小，而后者的規(guī)模尺度大且技術參數調控性較強，具有代表性，因此現(xiàn)針對氣體射流法形成的躍變區(qū)來進行研究。

海水密度人工躍變技術的氣體射流法屬于水下淹沒氣體射流，是一種圓斷面的紊流自由射流。當前，Harby等[2]、孟煒[3]、Kudoh等[4]、劉競婷[5]分別通過理論、數值模擬以及實驗等方法對水中氣泡運動和射流行為進行了研究，并獲得了較為豐富的氣體射流結構[2]、射流氣泡分布[4]的模型以及實驗數據。但研究基本都圍繞水下爆炸過程[3]，或者只針對低密度、高速度射流氣體[5]中的氣泡行為展開，沒有較為成熟的高密度、大范圍水下射流的方案。

現(xiàn)結合現(xiàn)有工業(yè)技術條件，對基于氣體射流法的躍變區(qū)生成設備進行總體設計。其關鍵射流部件是壓力容器和氣泡發(fā)生器，射流的氣體為高壓壓縮后的真實氣體，射流的環(huán)境為數十至上百米深的海水，因此設備的結構參數和海水、氣體的物性參數均會對躍變區(qū)的形成過程產生影響。據此研究人工海水密度躍變區(qū)生成的過程及方法，為該技術的實現(xiàn)提供有效方案。

1 躍變區(qū)的生成設備

作為產生躍變區(qū)的基本裝置，躍變區(qū)生成設備是海水密度人工躍變技術的關鍵設計和應用基礎?；跉怏w射流法的躍變區(qū)生成設備，具有氣體存儲、氣體噴射、快開聯(lián)鎖、引信觸發(fā)和姿態(tài)控制等主要功能。圖1為躍變區(qū)生成設備的功能模塊圖。由此躍變區(qū)生成設備的里、中、外三層分別為壓力容器、聯(lián)鎖閥門和射流罩。由于氣體存儲與氣體噴射特性將直接影響躍變區(qū)的分布特征，因此，以下對與之相關的壓力容器和氣泡發(fā)生器的主要結構特點進行介紹。

1.1 壓力容器

壓力容器，指壓力達到一定數值，同時容器的容積超過一定限度的密封容器。根據《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》，壓力容器的最高工作壓力、內徑和容積應分別不小于0.1 MPa、0.15 m和0.025 m3，并且其內部的介質必須為氣體、液化氣體或標準沸點小于等于最高工作溫度的液體。壓力容器應用廣泛，種類繁多，在不同的工作條件和使用場合，其材料、結構、工藝、檢驗等設計制造環(huán)節(jié)也都不一樣，表1為幾種典型的壓力容器分類方式[6]。此外，當壓力容器破裂后，其內部氣體將急劇膨脹乃至產生爆炸，尤其是存儲氣體為易燃易爆或毒性物質時，會造成極大的危害。因此，根據壓力容器的存儲特性，又將其分為安全等級由低到高的第一、二、三類容器。

氣體存儲，是將特定氣體壓縮保存于壓力容器中作為噴射來源，存儲氣體的物質的量和存儲溫度，決定了躍變區(qū)在形成時刻所含氣泡的總體積大小，所以通過增大存儲壓強、降低存儲溫度的方式可提高躍變區(qū)的氣體含量。氣體噴射，是在存儲氣體壓強大于環(huán)境海水壓強的條件下，使氣體進入氣泡發(fā)生器，并按特定方向噴射形成射流。閥門快開聯(lián)鎖，是壓力容器與氣泡發(fā)生器之間連接閥門的開斷功能：當閥門處于預緊狀態(tài)時，壓力容器與氣泡發(fā)生器之間的連接通道被隔斷，不能形成射流；當閥門解除預緊狀態(tài)后，通道將快速形成連接，使存儲氣體能夠進入氣泡發(fā)生器。引信觸發(fā)，決定了閥門解除預緊狀態(tài)的時機，當目標信號超過引信的觸發(fā)閾值，聯(lián)鎖閥門打開，氣體則由存儲狀態(tài)轉變?yōu)樯淞鳡顟B(tài)。姿態(tài)控制，是在氣體噴射過程中，使設備保持特定姿態(tài)，以確保射流方向穩(wěn)定可靠，從而生成形狀對稱、分布均勻的海水密度躍變區(qū)域。其中，氣泡發(fā)生器安裝于聯(lián)鎖閥門外部的射流罩上，海水密度人工躍變技術采用的是高(中)壓、低溫的鋼制厚(薄)壁容器，存儲氣體為H2、CH4、N2等毒性評定為輕度危害的氣體，容器安全等級評定為第二類或第三類。該壓力容器的一大特點是主體為圓筒與半球殼相連接的典型結構，并通過對稱圓形開孔的方式在球殼上得到多個外部連接接口，其接管與殼體的連接采用全焊透型式，如圖2所示。

圖1 躍變區(qū)生成設備的功能模塊Fig.1 Functional modules of artificial pycnocline equipments

表1 幾種典型的壓力容器分類方式Table1 Several typical pressure vessel classifications

Di和Hi分別為容器的內直徑和內高度；dt為開孔直徑；δ為球殼厚度；θe為開孔間的最小球心角；nt為開孔的個數圖2 壓力容器及開孔示意圖Fig.2 Pressure vesselits and its openings

壓力容器的開孔數計算式為

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這種設計結構的優(yōu)點有三個：其一，在半球面的多個方向上對稱開孔，使設備能夠向四周同時噴射氣體，產生的躍變區(qū)形狀對稱、分布均勻；其二，單個射流會在其反方向上對設備產生反作用力，而半球面對稱開孔形成的多個射流，其反作用力在水平橫截面上的分量會相互抵消，減小該力對設備姿態(tài)控制的不良影響；其三，反作用力在豎直軸線上的分量會對設備形成推力，使設備產生運動并將氣泡群在此方向上拉開，從而增大氣泡群分布的規(guī)模體積。在這一過程中，姿態(tài)控制模塊將實時保證設備運動方向不變。

壓力容器上兩相鄰開孔所夾的最大球心角θm是與躍變區(qū)形成有關的重要結構參數，具體設計與球殼強度和射流結構相關。θm也是最小球心角θe的限制參數，與θe的關系如式(2)所示。θm的值不能太小，否則兩開孔的中心間距將會過小，從而降低球殼抗壓強度和設備安全性能。該容器球殼的開孔直徑大小在毫米數量級；當開孔中心間距大于兩孔直徑和的兩倍既滿足式(3)時，對球殼強度的影響較小，可不用另行采取補強措施。

(2)

(3)

Ri和Ro分別為壓力容器后端筒狀結構的內徑和外徑；re為壓力容器整體設備外徑；θm為最大球心角；θe為最小球心角；Lj為射流深度；θj為射流球心角圖3 最大開孔球心角與射流擴散角的關系圖Fig.3 Relation of maximum hole angle and spread angle

此外θm的值也不能太大，否則不能形成連續(xù)分布的躍變區(qū)。圖3為最大開孔球心角θm與射流球心角θj的關系圖，由于容器開孔均勻，且設備各部位受到周圍海水的壓強基本相同，所以不同開孔處的射流流動結構可以認為是基本一致的。因此，從圖3可以看到，若射流速度足夠大，則穿透深度足夠長，相鄰兩射流在發(fā)展到一定階段后會產生交匯(圖3中B2點)，這時，氣泡群基本能充滿躍變區(qū)的整個分布空間；反之，若射流速度小，則穿透深度短，相鄰射流不能發(fā)展至交匯狀態(tài)(圖3中B1點)，使躍變區(qū)中氣泡群的空間分布不連續(xù)，不能達到海水密度均勻躍變的目的。這一物理過程的臨界狀態(tài)是相鄰射流剛好能夠在穿透深度處形成交匯，根據幾何關系應滿足方程

(4)

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1.2 氣泡發(fā)生器

氣泡發(fā)生器是一種氣-液界面分選設備，目的是產生小而均勻的大量氣泡。常用的氣泡產生途徑主要有機械攪拌、電解、氣體通過微孔介質、氣體自溶液中析出、射流發(fā)泡等，除前兩種方式外，其余均需使用氣泡發(fā)生器。其中，射流氣泡發(fā)生器是通過射流來產生氣泡的專用設備，其典型結構由噴嘴、接收室、吸氣室、喉管、和擴散管五部分組成[7-8]。當高速引射流體從噴嘴射入接收室后，在接收室內產生負壓，會將氣體從吸氣室卷入并與引射流體混合，進而使氣體在紊動擴散和剪切作用下形成氣泡。

躍變區(qū)是利用高壓壓差使存儲氣體形成高速射流，并與海水充分作用而形成的，不需要引射流來提供噴射動能和紊動能。因此所采用的成泡裝置是一種典型的簡單噴嘴型氣泡發(fā)生器[9]，如圖4所示。存儲氣體通過壓力容器與氣泡發(fā)生器之間的連接通道進入緩沖室后，逐步將流體靜壓能轉化為動壓能，再經過收縮噴嘴加速即形成高速射流。該裝置的結構尺寸在毫米數量級，屬于微型氣泡發(fā)生器。

lb為緩沖室長度；lj為噴嘴口長度；db為緩沖室寬度；dj為噴嘴口寬度圖4 簡單噴嘴型氣泡發(fā)生器Fig.4 Nozzle type bubbles generator

氣泡發(fā)生器的結構尺寸對射流的速度、密度、壓強、溫度等都會產生影響。如圖5所示，在射流過程中，入口處的氣體可認為處于滯止狀態(tài)，存儲密度ρst和存儲壓強Pst均為滯止參數，并會隨著存儲氣體的減少而減小。緩沖室和噴嘴中的氣體流動分別為等截面和變截面的不定?？蓧嚎s等熵流動，其徑向速度服從管內流動分布規(guī)律。式(6)～式(8)為氣泡發(fā)生器中氣體流動的控制方程[10-13]。壓強P是密度和溫度的函數，對高壓存儲氣體一般采用真實氣體狀態(tài)方程來描述。管內氣體的速度會在膨脹的過程中逐漸增大，溫度隨之升高但幅度不明顯，密度和壓強則會減小。若管道越長、噴嘴斜率越大，則射流出口速度也越大，對周圍海水的卷吸作用也越強。

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式中：A為管道截面積；e為氣體內能；τ為時間；氣體速度u、密度ρ、壓力P均為截面上的平均物理量；qx為單位質量的體積加熱率。

ρpy為存儲密度；Ppy為存儲壓強圖5 氣體通過氣泡發(fā)生器的流動特征Fig.5 Flow characteristics of gas through bubbles generator

表2 設備的主要結構參數Table 2 The equipment main parametes

2 躍變區(qū)的形成過程

躍變區(qū)生成設備擁有兩層鎖緊結構。在未使用時處于緊固狀態(tài)，聯(lián)鎖閥門被外部法蘭鎖死，保證壓力容器的密封性；在使用時外部緊固法蘭打開，而聯(lián)鎖閥門仍處于預緊狀態(tài)，如圖6(a)所示，此時聯(lián)鎖閥門將壓力容器與氣泡發(fā)生器之間的通道斷開；當引信觸發(fā)后，預緊狀態(tài)解除，聯(lián)鎖閥門在高壓氣體膨脹的氣動推力作用下快速打開通道以產生射流，如圖6(b)所示。

圖6 聯(lián)鎖閥門的開斷狀態(tài)Fig.6 Open and close of interlock valves

躍變區(qū)的形成過程則由氣體射流成泡和設備拉伸運動兩部分組成，兩者同時進行。當引信被觸發(fā)后，容器中存儲的氣體在與環(huán)境海水間的高壓壓差推動下迅速膨脹，經過各開孔對應的氣泡發(fā)生器后噴射成束，在設備周圍形成具有一定擴張角和穿透深度的射流流動結構。高速射流的氣體會卷入周圍海水并與之充分混合、摩擦、剪切，從而在其穿透深度達到的半徑范圍內形成大量的微小氣泡，互相交匯后充滿整個射流空間。同時，射流氣體與海水交換動量后，會在豎直方向上對設備產生較大的推力，使設備沿著豎直軸線在射流的反方向上加速運動，進而將產生的氣泡群在該方向上拉伸開來，使其規(guī)模增大。隨著存儲氣體的減少，氣液壓差、射流出口的速度和穿透深度、設備受到的反向推力都將逐漸減小。當設備的速度增大致使其所受海水阻力等于所受推力后，設備開始做減速運動；當存儲氣體與海水之間的壓差降為零后，設備不再向外噴射氣體，躍變區(qū)生成過程結束。

躍變區(qū)所在的海水深度通常為幾十米乃至幾百米，所以其形成過程不會受到海面風、浪和流的影響，但與海水、氣體的物性參數關系緊密，如海水的密度、鹽度、表面張力系數、動力黏滯系數，氣體的摩爾質量、臨界壓強、臨界溫度等。根據所處環(huán)境不同所采用的物性參數值有所區(qū)別。

3 結論

立足現(xiàn)有工業(yè)技術條件，完成了對基于氣體射流法的躍變區(qū)生成設備的總體設計。氣體存儲與氣體噴射特性將直接影響躍變區(qū)的分布特征，對與之相關的壓力容器和氣泡發(fā)生器作出設計說明，得到如下結論。

(1)壓力容器上兩相鄰開孔所夾的最大球心角θm是與躍變區(qū)形成有關的重要結構參數，具體設計與球殼強度和射流結構相關。θm的值不能太小，否則兩開孔的中心間距將會過小，從而降低球殼抗壓強度和設備安全性能。θm的值也不能太大，否則不能形成連續(xù)分布的躍變區(qū)。參數θm的計算式與射流擴散角θj和設備外半徑re相關。

(2)選用微型氣泡發(fā)生器，氣泡發(fā)生器的結構尺寸對射流的速度、密度、壓強、溫度等都會產生影響，氣泡發(fā)生器應與容器開孔一一對應。

(3)躍變區(qū)生成設備擁有兩層鎖緊結構，形成過程則由氣體射流成泡和設備拉伸運動兩部分組成，兩者同時進行。最終保證形成規(guī)模適度的海水躍變區(qū)。