舰船主机尾气抑制尾流技术可行性分析

张志友，金良安，苑志江

(海军大连舰艇学院 航海系,辽宁 大连 116018)

舰船主机尾气抑制尾流技术可行性分析

张志友，金良安，苑志江

(海军大连舰艇学院 航海系,辽宁 大连 116018)

针对尾流微气泡特点及尾气危害，提出利用舰船主机尾气抑制尾流技术，分析尾气气体作为消除尾流微气泡媒介的可行性，证明尾气气体的排气量充足，消泡速率高，对舰船次生危害少，实验验证该技术有效且可行，装置便捷实用。

舰船；主机尾气；排放危害；应用性

舰船主机尾气排放具有成分复杂、排量大[1]、排温高，以及部分气体可溶解[2]、呈酸性等排放特性，因此会引起红外辐射、可视化暴露、着舰环境恶化及环境污染等危害。对水面舰船航行安全构成严重威胁的尾流自导鱼雷的探测、跟踪、攻击，依赖于舰船航行产生的尾流气泡场[3]。因此，有效消除或抑制舰船的气泡尾流的舰船隐身技术有望从根源上彻底解决对尾流自导鱼雷的防御问题，然而当前研究较多的几种技术，如人工大气泡消泡法、超声消泡法、释放消泡剂法、尾流能量吸收法等，普遍存在消泡效果差、对航行影响大、改造困难、设计要求高、成本高等缺点[4-5]，限制了现有尾流隐身技术在军事领域的应用。

基于对舰船主机排放的众多危害，以及有效抑制尾流微气泡的考虑，研究利用主机尾气消除尾流微气泡具有重要意义。本文在多种消尾流技术的基础上，提出“舰船主机尾气抑制尾流技术”，以此实现舰船隐身及对主机尾气综合利用的目的，从排量、排温、溶解性、酸碱性、成分5个角度积极探索舰船尾气抑制尾流应用的可行性，并专门设计了静水条件下的实验装置。实验中消泡作用良好，证明了该技术的可行性和有效性。扩大该技术的使用范围，可以真正实现舰船尾流隐身技术的装备应用。

1 舰船尾气排放危害及可应用性

1.1 尾气的排放危害

1.1.1 红外辐射

动力装置是舰船产生热源的主要部位，烟囱是主要的废气排放部位。烟囱暴露的金属面积虽然只占全舰总面积的2%左右，但其温度高，所处位置高，所以在该波段的红外辐射量往往占全舰总热辐射量的99%，其中主要是烟囱部位和烟羽的红外辐射[6]。舰艇航行过程排热量大，海面背景环境温度低且范围广，温差明显，使舰艇红外特征更容易被探测识别，红外制导导弹在热辐射信号较低的情况下便能有效打击目标。

1.1.2 烟气、噪声暴露

舰船排放的烟气将会成为舰船航行过程中的可视信号，敌方可以凭烟气排放进行航迹跟踪，而且由于排放大量烟气很难对其进行隐身，雷达容易发现目标，从而进行探测、跟踪、实施攻击。

影响舰船隐身性还有舰船主机的振动噪声和排气噪声。排气噪声是船舶主机的主要噪声源之一，常规方法很难有效解决该问题。声呐可以发现目标、探测跟踪目标并提供信息。由此可见，因烟气排放产生的烟气信号及噪声信号暴露都降低了舰船水下的隐蔽性及生存能力。

1.1.3 着舰环境恶化

舰载机着舰时操纵性下降，对飞机着舰环境要求较高，舰船尾气排放量巨大，形成的尾气气流及烟雾会对舰载机形成扰动，留给驾驶员的反应时间缩短，一定程度上影响舰载机航迹的及时调整。如果不能很好地控制、消除尾气扰动，很可能会造成机毁人亡。

1.1.4 环境污染

虽然与工业和汽车排放相比，船舶排放尚不属于中国城市的主要大气污染物排放来源，但对于腹地狭窄的海峡、港口城市而言，其环境影响不容忽视。

与国外发达港口城市相比，我国港口船舶污染控制不论从法律法规还是管理技术、控制水平方面，均存在较大的差距。

主机尾气的排放还会对舰船舱室环境产生污染。通过管道直接空中排放的干式排烟方式，使得舰船后甲板上聚集很多油烟，而且因为扰动气流的影响，排放的废气会被吸入船舱，从而对舰船上层建筑、工作及生活舱室造成污染腐蚀等[7]。

1.2 尾气可应用性

舰船尾流的范围大，持续时间长，不易消除，不易伪装。尾流自导鱼雷主要基于尾流的众多物理场进行探测、跟踪。在现有研究中，气泡场是最易被发现的。这严重影响了舰船的安全性。针对尾流的特点、主机尾气的排放危害和对舰船主机排放的众多危害，以及有效抑制尾流微气泡的考虑，在多种消尾流技术的基础上，提出“舰船主机尾气抑制尾流技术”。该技术作为舰船尾流隐身技术的重要研究方向，是将主机排放的尾气，直接或经适度增压处理后，由水下进行排放。一方面，舰船主机尾气成分主要为不溶解与水的N2、O2和可溶性酸性气体NOx、SOx等，经处理后由水下进行排放，可以迅速释放形成大量、大范围的尾气气泡，通过与尾流微气泡发生聚并、携带、中和等作用，使尾流微气泡快速上浮至水面，破裂或者溶解消失，有效消除尾流微小气泡，以增强尾流隐身效果；另一方面，可以利用海水对主机的高温尾气进行快速冷却，实现红外隐身的目的，同时从根本上消除舰船周围空间的可视烟迹，对降低环境污染也有一定作用。其装置见图1。

其具体实施方法如下。

1)在舰船底部设置尾气排放装置。尾气在排放时可根据排气背压要求选择是否加装增压装置。

2)舰船主机尾气通过排放装置进行排放，在舰船尾流下方形成大量的尾气大气泡，能快速消除尾流中微小气泡。

3)排气装置末端设有多个喷气孔，通过控制加压装置或排放角度，使尾气气泡群完整覆盖尾流气泡区域。

2 技术可行性分析

利用舰船主机尾气抑制尾流技术，其实质就是对主机所排放的大量尾气的一种综合应用，而主机尾气的排量、排温、溶解度、酸碱性、成分等能否满足其需求，则是决定该技术可行性的关键。

2.1 排量

在相同航速条件下，产生大气泡的供气量越大，快速消除微气泡的效果越好。利用大气泡群“当量厚度”作为抑制舰船尾流气泡场的标准[8]。

(1)

式中：H为当量厚度，m；q为驱动气体流量，m3·h-1；v为拖带速度，m·h-1；B为大气泡生成装置的产泡宽度，m。

在实船测试中，航速稳定在6.6 kn、6.7 kn，气泡生成装置宽度为4.85 m的条件下，当大气泡当量厚度H=6×10-3m时，可使目标舰船尾流声特征强度最大衰减5 dB，尾流中的气泡数密度减少70%左右。柴油主机尾气排气量因机型及工况不同可达到1 000～10 000 kg/h(752～7 520 m3/h)，在相同实验条件及理想状况下，对应当量厚度为83.7～837×10-3m，消泡效果更佳。因此可证明，利用主机尾气形成的气泡排量大、可抑制多种量级的微气泡消泡效果好的特点，作为消除尾流微气泡的新媒介的可行性很高[9]。

2.2 排温

气泡在上浮过程中，高排温的主机尾气将会与低温海水发生传热作用。符合下面公式。

(2)

式中：Q为单位时间热流量，J；c为比热，J·kg-1·K-1；ρg为气体密度，kg·m-3；ρl为液体密度，kg·m-3；V为气泡体积，m3；Δt为气液温差，K。

其中，ρl=1.026×103kg/m3；ρg=1.332 kg/m3。

虽然气液间温差大，但因海水密度远远大于尾气气体，因此在传热量一定的情况下，海水升温幅度有限，且流动海水间会发生热传导作用，基本不会对海水温度造成影响。

2.3 溶解性

主机尾气因为成分的复杂性，大气泡在上浮运动过程中，会发生溶解于海水的反应。气泡体积主要受溶解引起的体积减小、上浮压强减小引起的体积变大的影响。

由气泡上浮与传质耦合过程的仿真及实验数据可知，难溶性气体如N2(溶解度为14.34 mL/L)，上浮过程体积呈现缓慢增大的趋势。对易溶性气体如半径为0.3 mm的NH3气泡(溶解度约为700 L/L)上浮0.35 m完全溶解[10]。由本研究实验数据可知，尾气中主要成分难溶气体约占90%，溶解度约90.76 mL/L，在气体整个上浮过程中，气泡整体仍缓慢增大，因此不会影响尾流微气泡的消除效果。

2.4 酸碱性

尾气气泡在上浮过程中，因为酸性气体与海水作用，尾气气泡将改变尾气周围微环境的酸碱性。从实验中对尾气酸碱性的研究发现，尾气与静止海水溶液长时间、大面积充分接触，可以使微环境的pH值降低到6。但是当尾气在真实海况下进行水下排气时，上浮时间不足1 min，且海水流动迅速，因此对舰船周围海水pH值改变有限。

综上分析，尾气的高温及酸碱性都不足以改变舰船航行周边海水物理环境，更不会造成舰船隐身的次生危害。

2.5 成分

炭烟颗粒的存在总体上引起了气泡聚并时间的减少，而且直径较大的固体颗粒的存在对气泡聚并时间的影响大[11]；主机排放的尾气有一部分酸性气体，酸碱中和反应有助于减小气泡聚并时使液膜变薄的作用力。

因此尾气中炭烟颗粒、酸性气体会缩短尾气大气泡与微气泡的聚并时间，且可有效实现对炭烟的可视化隐身。

由上述分析，尾气气体满足消除尾流微气泡技术的现实要求，可以作为对尾气自隐及它隐的新技术加以推广。

3 技术的实现效果

为论证该技术的可行性，专门设计制作实验室条件下的高温尾气气体抑制微气泡实验装置，见图2。尾流消泡效果可以通过水中微气泡的存留时间来证明。

通过改变尾气气泡的半径来测量其消泡影响效果，力求从实验角度证明主机尾气抑制尾流技术思想的可行性和有效性。尾气大气泡半径大小通过气量控制阀的调整来实现，经多次实验探索，尾气大气泡的半径产生范围为1～3 mm。在尾气大气泡持续放气时间为10 s的情况下，尾气大气泡消泡效率见表1。

表1 尾气大气泡半径对消泡效果影响实验

实验结果显示，尾气大气泡在半径为2 mm时，对微气泡的消泡效率最高。这与文献[11,13]的研究结论也相符合。实验基本达到尾气大气泡使尾流微气泡加速消失的效果。

该技术可以规避当前舰艇尾流隐身技术的问题，有效利用主机尾气形成大气泡消除尾流气泡，且将高温尾气进行隐身，降低危害。应用该技术可以获得如下效果。

1)尾流隐身。舰船主机尾气直接或进行适度处理后水下排放，会加速尾流微气泡破裂消失，达到消尾流的目的。

2)红外隐身。主机尾气排气管路安装在吃水线以下来降低排气系统热量的散发，控制船体红外辐射能量，避免在船体表面形成明显的红外热点，能够使红外探测器的发现距离缩短50%以上，以达到更好的舰船红外隐身效果。

3)烟气隐身、噪声隐身。主机尾气排气管路上游和管路喷口产生的气体湍流噪声及排气振动得到有效抑制，而且因为排放方式的改变，可从根本上消除舰船周围空间的可视烟迹暴露问题。

4)环境保护。海水呈弱碱性特征，而主机尾气中酸性气体与海水融合，使得尾流气泡周围的原弱碱性海水环境发生明显变化,尾气大气泡与海水间的中和反应，有助于加速尾气中有害气体NOx、HC、COx、SOx和颗粒物(PM)等污染物的溶解。而且此技术可以避免尾气被吸入船舱，污染舱室环境和上层建筑，减少尾气对船体的伤害。

尾气供应量充足，保证了消泡效果的持续性；排气管道与舰船一体性保证快速响应，对航行几无影响；只需改变尾气排放管道进行水下排气，对舰船结构改动小，减少舰船空间占用，设计简单；消泡过程可以在无需供能的情况下进行，使成本降低，此举为真正实现舰船气泡尾流抑制这一新技术的应用，提供更直接、更便捷的途径。

4 结论

尾气大气泡可以作为消除尾流微小气泡新媒介，以达到增强舰船尾流隐身的功能，同时可以有效实现舰船红外隐身、烟气隐身、噪声隐身，以及环境保护等作用，对于提升舰船生命力及降低排气危害具有重要的意义和良好的应用前景。

本文主要是针对尾气应用于尾流消除的前期设想和初步研究，在今后的工作中需对尾气大气泡在海水中的运动特性及其消除尾流微气泡作用机理进行深入研究，在此基础上，研制成熟的技术装置，以满足背压要求及降低尾气对螺旋桨效率的影响等需求。

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On the Wake Elimination Technology via Engine Exhaust for Warship

ZHANG Zhi-you, JIN Liang-an, YUAN Zhi-jiang

(Dept. of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian Liaoning 116018, China)

According to the characteristics of the wake bubble and exhaust hazard, the warship wake elimination technology via engine exhaust was put forward. The applicability of using exhaust as the medium of eliminating wake bubble was analyzed. The exhaust has been proved sufficient emission, higher de-foaming efficiency and less hazard to the warship. The experimental results proved that the technology is feasible and effective, and the device is convenient and practical.

warship; engine exhaust; emission hazard; applicability

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.044

2016-07-14

海军国防预研课题“水面舰艇隐身技术”(401040301)

张志友(1989—)，男，博士生

E925.6

A

1671-7953(2017)02-0188-04

修回日期：2016-08-19

研究方向:军事航海安全保障与防护技术