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1模型實驗?zāi)康募皟?nèi)容

實驗?zāi)康模涸陬愃拼皳u晃、液貨裝卸等外來擾動引起的液艙液貨晃蕩條件下，結(jié)合油品在整個液貨艙中的傳質(zhì)過程，研究油品蒸發(fā)及透氣孔處油氣的排出規(guī)律。在影響油品蒸發(fā)傳質(zhì)速率的其他因素（溫度、黏度和密度等相關(guān)液貨特征參數(shù)）相同的情況下，將重點考慮液貨艙液相厚度（即液貨裝載率相同）與晃蕩強(qiáng)度對油品蒸發(fā)、油氣傳遞的影響，以探尋油氣的蒸發(fā)排放規(guī)律。實驗內(nèi)容：構(gòu)建實物模型實驗，研究貨艙液相厚度與晃蕩強(qiáng)度對于油氣排放的作用規(guī)律。根據(jù)研究目標(biāo)，基于研究對象的特征，設(shè)計兩組3種實驗方案。第1組為晃蕩實驗：一是考察在相同液相厚度、不同晃蕩強(qiáng)度下透氣濃度的變化；二是考察在相同晃蕩強(qiáng)度、不同液相厚度下透氣濃度的變化。第2組為裝貨實驗：考察在裝貨過程中（即液相厚度與裝貨形成的晃蕩強(qiáng)度同時改變），透氣濃度的變化。

2模型實驗設(shè)計與流程

2.1模型設(shè)計制作及儀器設(shè)備

2.1.1模型艙的設(shè)計制作綜合參考現(xiàn)有大型油船結(jié)構(gòu)尺寸資料，選取單個邊艙模型原型尺寸：長25.7m、寬16.1m、艙深18.9m，艙容約為7820m3。根據(jù)幾何相似原理建立一個約為單個邊艙1/40的模型（模型尺寸為：640mm×400mm×470mm，容積約120L）。模型艙使用有機(jī)玻璃制成，側(cè)壁留有一個注油孔A（半徑r=8mm）頂部留有一個透氣孔B（半徑R=12mm）和一個儀器固定孔C。同時，為了便于數(shù)據(jù)的分析與處理，整個模型艙被分為3個區(qū)：液相區(qū)、氣相區(qū)和氣液邊界層（氣液邊界層是擾動的，這里取平均值）。液相區(qū)主要是液態(tài)油品，高度用L表示；氣相區(qū)主要是油氣與空氣的混合氣體，高度用V表示；氣相區(qū)與液相區(qū)的交界處稱為氣液邊界層；整個模型艙的深度為H。

2.1.2液艙晃動模擬平臺的設(shè)計制作液艙晃動模擬平臺是用來模擬油船的油艙受風(fēng)、浪影響而晃動的實驗設(shè)備，包括了傳動和控制兩部分。該裝置利用一個液壓缸提供推動力，使工作臺左右擺動以模擬船體在海上的晃蕩。在單片機(jī)輸入指令后，信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)化器傳給電源，以改變電源的輸出電壓，進(jìn)而改變伺服閥兩端的輸入電流，然后在閥內(nèi)改變閥芯的開口大小，控制回路的輸出流量和壓力，從而控制液壓缸的運(yùn)動，最終保證液壓缸的運(yùn)動速度在設(shè)計值附近，使工作臺產(chǎn)生預(yù)期的晃蕩效果。

2.1.3儀器設(shè)備主要實驗儀器：一臺計量泵，用于模擬加油；一套液艙晃動模擬裝置，用于模擬油船在海上航行時的晃蕩情形；一臺DR70C系列智能線式紅外VOCs檢測儀，用于實時記錄透氣孔處排出油氣的濃度；一臺計算機(jī)，用于存儲濃度檢測儀記錄的數(shù)據(jù)；兩臺高清攝像機(jī)，分別從正面和側(cè)面記錄整個實驗過程中模型艙及液相表面的變化。

2.2晃蕩實驗設(shè)計

對于第一組實驗，由于液相的晃蕩強(qiáng)度與液相厚度及外來晃蕩強(qiáng)度有關(guān)，因此，為了研究不同液相晃蕩強(qiáng)度對透氣孔處排出油氣濃度的影響，設(shè)置7種氣液比、5種晃蕩強(qiáng)度的交叉晃蕩實驗。7種氣液比分別為1％、3％、5％、25％、50％、75％及95％，5種晃蕩強(qiáng)度分別為a（a=0）、b、c和d、e，共計進(jìn)行35組晃蕩實驗。其中，外來晃蕩強(qiáng)度通過調(diào)節(jié)液艙晃動模擬平臺負(fù)載大小來施加。a=0，即晃蕩發(fā)生裝置關(guān)閉，液相處于靜置狀態(tài)；b為整個量程的20％；c為整個量程的40％；d為整個量程的60％；e為整個量程的80％。

2.3裝貨實驗設(shè)計

對于第2組實驗，由于不同的裝貨速率代表著不同的液面上升速率及液相擾動強(qiáng)度，因此，為了研究不同裝貨速率對油氣產(chǎn)生及排出的影響，共設(shè)計7種裝貨速率：0.38L/min、0.88L/min、1.38L/min、1.88L/min、2.46L/min、2.96L/min及3.46L/min，其裝載率都是0～95％。其中裝貨速率1.38L/min是根據(jù)實際油船裝貨速率按歐拉相似準(zhǔn)則（壓力差為注油孔內(nèi)外油品的壓力差）得到；裝貨速率0.38L/min、0.88L/min和1.88L/min、2.46L/min、2.96L/min和3.46L/min是結(jié)合計量泵的量程及最小刻度的實際情況，從而設(shè)計出0.5L/min裝貨速率間隔的速度。

2.4模型實驗流程

晃蕩實驗：將濃度傳感器安裝在透氣孔處，將模型艙固定在晃蕩發(fā)生裝置的工作臺上，分別調(diào)節(jié)油品的裝載率和模擬平臺的晃蕩強(qiáng)度，依次進(jìn)行實驗，通過計算機(jī)分別記錄透氣孔處排出油氣的實時濃度。每次實驗前，模型艙內(nèi)都充滿干凈空氣，艙內(nèi)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。實驗時通過空調(diào)系統(tǒng)控制環(huán)境溫度為26℃。裝貨實驗：將油品通過計量泵再經(jīng)過加油管注入模型艙內(nèi)，濃度傳感器安裝在透氣孔處，依次進(jìn)行實驗，用計算機(jī)分別記錄透氣孔處排出油氣實時濃度。每次加油實驗前，模型艙內(nèi)都充滿干凈空氣，艙內(nèi)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。實驗時用空調(diào)系統(tǒng)控制環(huán)境溫度為26℃。

3部分實驗結(jié)果展示

3.1晃蕩實驗

油品裝載率25％（圖6），靜置時間6h。在靜置條件下，當(dāng)裝載率為25％時，透氣孔處排出氣體濃度規(guī)律：前600s左右，透氣孔處排出氣體中油氣體積分?jǐn)?shù)為0；600s后，排出氣體中油氣體積分?jǐn)?shù)在短時間內(nèi)迅速上升至60％，隨后曲線斜率變小，排出氣體中油氣體積分?jǐn)?shù)增加速度變慢，直至達(dá)到飽和，即油氣體積分?jǐn)?shù)Csat=81.6％。形成這種現(xiàn)象的原因：前600s左右，排出的氣體主要為原來模型艙中的空氣，因此排出的油氣體積分?jǐn)?shù)為0；600~2500s后，在模型艙氣相區(qū)中，由于油氣濃度差很大，油氣的蒸發(fā)擴(kuò)散非常快，致使透氣孔處排出油氣的體積分?jǐn)?shù)迅速增加；2500~5000s，隨著氣相區(qū)內(nèi)油氣濃度差的減小，油氣的蒸發(fā)擴(kuò)散變慢，造成透氣孔處排出油氣的體積分?jǐn)?shù)增加變慢；5000s后，氣體的蒸發(fā)擴(kuò)散慢慢接近充分，使得艙內(nèi)油氣濃度達(dá)到飽和，排出油氣的體積分?jǐn)?shù)不再增加。

3.2裝貨實驗

加油速度1.38L/min（圖8），加油時間4957s。在裝載率達(dá)到70％之前，透氣口排出氣體中油氣體積分?jǐn)?shù)處于較低水平，約35％，且上升速率較慢。當(dāng)裝載率為70％～95％時，排出氣體中油氣體積分?jǐn)?shù)快速上升，最后達(dá)到90％，接近飽和（圖9）。該實驗結(jié)果與文獻(xiàn)[4]實船所測裝貨過程中透氣孔排氣規(guī)律相同。形成這種現(xiàn)象的原因：在整個加油過程中，從液面蒸發(fā)出油氣分子的自然擴(kuò)散是從高濃度處向低濃度處進(jìn)行，這使得艙內(nèi)的油氣濃度呈現(xiàn)分層現(xiàn)象，越靠近液面，油氣濃度越大。在裝載率到達(dá)70％之前，主要是進(jìn)行油氣分子的自然擴(kuò)散，聚集形成油氣濃度層。同時，艙內(nèi)空間較大，油氣的對流效應(yīng)較弱，油氣從產(chǎn)生至傳遞到透氣口有延遲效應(yīng)，因而使該過程中透氣口排出的油氣體積分?jǐn)?shù)較小。隨后，裝載率從70％上升至95％，隨著液面上升，氣相區(qū)體積縮小，對流效應(yīng)越來越明顯，延遲效應(yīng)越來越弱，并且此時油氣分子自然擴(kuò)散也更加充分，因而使透氣口排出氣體的體積分?jǐn)?shù)上升得越來越快，體積分?jǐn)?shù)值越來越大。

4結(jié)束語

研究晃動環(huán)境下油艙中油品氣液兩相質(zhì)量傳遞規(guī)律是一項復(fù)雜且有意義的課題，其有助于探尋在晃蕩條件下減少油氣蒸發(fā)排放的科學(xué)作業(yè)方法，提高原油海運(yùn)的安全性和運(yùn)輸效率，同時可以減少環(huán)境污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益。以上僅列出部分實驗結(jié)果及相關(guān)分析，鑒于晃動環(huán)境下油艙中原油氣液兩相間質(zhì)量傳遞的模型實驗、流體力學(xué)和工程熱力學(xué)特性的復(fù)雜性和特殊性，深入的分析與研究工作極具挑戰(zhàn)性和必要性。

作者：朱哲野盧金樹劉楓琛朱發(fā)新李玉樂單位：浙江海洋學(xué)院海運(yùn)學(xué)院