方 敏，陈红超，沈恒根，王 吉，蔡 云

(1.江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000；2.中国舰船研究设计中心，上海 201620；3.东华大学 环境科学与工程学院 上海 201620)

环境空气温度高低、气压大小、某些气体成分增加或减少都会造成环境空气的含氧量变化.车辆舱内停放的坦克、装甲车等车辆运转工作时将消耗舱内环境空气中所含的氧气，排出的尾气又造成车辆舱内环境空气氧气体积含量下降.环境空气中含氧量不足将影响到车辆驾驶人员及士兵的作战能力下降；甚至将影响到车辆的正常工作.伴随着战舰装备升级，车辆运转消耗氧气大量增加、产生大量烟气，将危害人身安全.随着环境空气中氧气含量的降低，人会逐渐出现头痛恶心、集中力下降(<16%)，浑身无力、目眩(<12%)，面色苍白、意识混乱(<10%)等症状[1].国家标准《缺氧危险作业安全规程》GB8959规定缺氧危险作业氧气浓度为19.5%[2].

国内外针对以停放车辆污染的研究主要集中在地下停车场的空气品质及污染物控制研究.Tomas G等[3]利用归纳统计法和理论分析法对某停车场的车辆排放尾气各组分进行了计算，给出了通风计算并与给与出现有计算方法的差异性，减小了在城市停车场内的通风量并优化了通风系统.Demir A对城市多层地上及地下车库的停车场内空气品质进行了实验测试研究，并给出了改善意见[4].王西丁[5]对登陆舰坦克大舱的设计提出了通风量的计算和设计方法，并实际测量通风系统的控制效果.高举红[6]等对船舶货仓内车辆排气的通风进行了分析，给出了船舱内车辆开启时不同运行工况下的污染物排气量取值范围，并用于船舱通风量计算.李强民[7]等对地下车库不同排风方式下(顶部排风、下部排风及顶部与下部同时排风)，利用气体示踪法进行实验，得到了汽车尾气的羽流上升、扩散及发展的整个过程，并给出了分析理由.Pspskonstantinou K.等[8]采用数值计算方法分析了一个地下车库内不同工况下的空气污染状况.Duci A.等[9]用数值模拟计算方法研究了密闭车库环境污染物CO的浓度分布.Zhao等[10]对地下车库车辆排气颗粒物扩散进行了数值模拟研究，得到了车辆先开启后关闭工况下的颗粒物在车库内的分布.可以看出，对于车辆停放及工作空间的环境空气品质研究，主要集中在以污染物为核心的通风计算、颗粒物扩散及分布、有害气体扩散及分布等方面的研究，而对于大功率车辆大量消耗氧气，车辆停放空间内的氧气含量变化的分析较少.目前关于全面通风的计算[11]是建立在进风与排风的温差不大的条件下，然而由于车辆舱内温升较大，需要考虑空气密度变化对车辆舱全面通风计算的影响.

因此，针对登陆舰车辆舱内重型柴油车辆耗氧需求、人员安全工作的氧量保证，讨论车辆舱内车辆运转耗氧量，基于车辆舱的全面通风方程，建立车辆舱含氧量计算模型，并结合某车辆舱实况进行应用计算.

1 计算原理

1.1 物理模型及工况

登陆舰车辆舱为长方体，舱内可搭载战车、工程车、战士等作战力量.图1为某登陆舰的登陆舱剖面示意图.

图1 登陆舱纵向剖面示意图Fig.1 Cross section profile of a LPD

某车辆舱长66 m、宽32.6 m、高5 m.舱内停放车辆情况见表1.车辆在舱内的布置见图2.下层车辆舱停放了大功率的重型柴油战车.上层车辆舱内主要停放的是作战辅助车辆，选取重型战车所在的下层车辆舱为研究对象.

表1 车辆舱的车辆情况Tab.1 Vehicle parameters in a vehicle hold

车辆在车辆舱内主要有两种状态：(1)进舱.在码头时，车辆直接驶入坞舱.在海滩时，车辆经登陆艇载入坞舱；后通过液压升降坡道依次驶入车辆舱下层、车辆舱上层并落入车位.(2)出舱.登陆前半小时内，车辆分批动车检查，准备出舱.舱内人员耗氧量与车辆运转相比不在同一量级，可忽略不计.可以看出，的车辆出舱时车辆舱内车辆启动数量较多，是最不利工况，因此研究下层车辆舱下的空气含氧量的变化.

图2 下层车辆舱的车辆布置Fig.2 Car distributions in the vehicle hold

1.2 计算假设

工业通风[11]中关于全面通风方程式推导做了如下假设：

(1)氧气消耗量是按整个空间氧量的均匀消耗，即按整个空间氧气平均浓度表征整个空间某时刻的含氧量.

(2)已知送风状态参数，且送风中含氧量瞬间与室内空气混合，供氧量瞬间均匀到整个空间环境空气中.

对于车辆舱环境空间，车辆工作排放高温尾气，使舱内温度升高，需要考虑温度引起的空气密度变化，做如下假设：

(3)车辆舱内车辆工作时，通风量大，因此忽略因燃油燃烧导致的室内空气组分变化引起的空气密度变化，仅考虑温度变化引起的空气密度变化.

1.3 计算原理

车辆舱内的余热一部分被排风带走，另一部分使室内温度上升，并最终达到平衡状态.因此，得到车辆舱的热平衡方程，见式(1).

cpLpρp(Tp-Ts)dτ+cpρpVcdTp=Qcdτ

(1)

式中：cp为空气比热，kJ/kg·K；Lp为排风量，m3/s；Vc为舱室体积，m3；p为排风空气密度，kg/m3；Ts、Tp分别为送风温度、排风温度，K；Qc为室内余热，kW；为时间，s；d为某一微小时段，s.

(2)氧气及污染物组分质量平衡

在某一微小时间段内，舱室送风含氧量与舱室内耗氧量及舱室排风含氧量之差等于室内氧气含量的变化量.舱内氧气含量随时间变化的关系式见式(2).

Lsysdτ-Gcdτ-Lpypdτ=Vcdy

(2)

式中：Ls为送风量，m3/s；y为舱室内氧气浓度，g/m3；Gc为舱室内耗氧量，kg/s；ys、yp分别为送风氧气浓度、排风氧气浓度，g/m3.

(3)舱室风量平衡，见式(3).

mc+Lsρs=Lpρp+Vcρ′

(3)

式中：mc为舱室内空气质量增量，kg/s；s为送风空气密度，kg/m3；与为舱室内空气密度及其变化率，kg/m3.

车辆舱排风质量流量等于送风质量流量与污染源质量(即燃油消耗)之和.车辆舱内空气质量增加为车辆燃油消耗，由于车辆舱通风量大，其占总通风量的比例很小(10次换气次数约为4‰)，即mc≪Lss.可认为

Lsρs=Lpρp

(4)

(4) 理想气体状态方程

(5)

2 计算模型

2.1 车辆舱耗氧量计算

某一车辆柴油机耗氧量由式(6)计算[12]：

(6)

式中：Gci为某种车辆柴油机耗氧量，kg/s；Qi为某种车辆柴油机总热量；q0消耗单位质量的氧气所释放出来的热量，通常为13.1×103kJ/kg.

柴油机燃烧柴油放热，根据柴油消耗率与柴油低位燃烧热计算某种车辆的总热量：

(7)

式中：Nei为柴油机的额定功率，kW；bei为燃料消耗率，kg/kW·h；ci为柴油车辆运行时功率占额定功率的比例，%，根据军方统计数据，车辆舱内动车的功率系数通常在0.2～0.6之间；为柴油的低位燃烧热qdw，约44.8×103kJ/kg[13]；qe为有效功，kW；qc为传给冷却液的热量，kW；qr为随尾气排入室内的热量，kW；qs为辐射散热及不完全燃烧等余项热损失，kW.

柴油机有效功通常占总热量的30%～42%；冷却热占15%～35%，尾气热量占25%～30%，余项损失约占2%～6%[14].对于舱室而言，冷却热量及尾气热量占到总热量的60%以内，冷却热量大则尾气热量小，反之亦然.显然这与发动机冷却系统结构设计有关，实际测量难度较大，故取尾气热量及冷却热量各占30%计算.

车辆舱内车辆总耗氧量则为所有已启动车辆耗氧之和，由式(8)计算：

(8)

由式(8)可知，舰舱内车辆的耗氧量是随时间变化的，影响车辆舱内耗氧量的主要因素为车辆的性能、工作状态和环境空气等参数.车辆在舱内怠速运转检查时，可认为是在恒定功率下工作，产热量与耗氧量为某一常数.某车辆舱内载有A型战车、B型战车等车辆，车辆参数见表2.

表2 车辆性能参数表Tab.2 Performances of Vehicles

由于在登舰、出舰、动车检查中属于低功率运行，动车系数ci取0.2，尾气热及冷却热各取30%，计算结果见表3.

表3 车辆余热计算结果Tab.3 The heat release of vehicle

车辆舱动车分批检查，柴油车辆运转工作.所有车辆分批次启动时，每批启动数量相等A型战车及B型战车(第三批次略多).以第一批次(9辆A型车，3辆B型车)为例，可由式(7)与式(8)计算得到这一批次启动时的车辆耗氧量与车辆舱内余热分别为：0.287 kg/s，1 080 kW.

2.2 温度随时间的变化

在送风参数已知条件下，有cp，Ls，s，Ts，Qc，Vc都为常数.将式(4)，(5)代入(1)，有

(9)

对式(9)分离变量 有

(10)

两边积分，解得

(11)

上式为在通风量一定的情况下，舱室内有常热源时温度随时间的变化关系.绝对值号中为负数.→∞，定义为车辆舱内通风达到稳态时的温升.

(12)

将式(12)代入到式(11)中，并求解得：

(13)

2.3 氧气随时间的变化

根据计算模型的基本假设，将式(4)，(5)代入到式(2)中，有

(14)

设送风氧气含量为y0，对式(14)两边同时除以d，移项有

(15)

(16)

式(16)为非齐次一阶线性微分方程，通过常数变易法求其通解.其通解形式为

(17)

由式(17)可知，在通风条件一定的情况下，车辆舱氧气质量浓度的变化取决于车辆舱内总的耗氧量Gc.

3 计算结果与分析

已知送风参数，送风温度Ts为303 K；空气比热cp为1.01 kJ/kg·K；舱室体积可计算得为10 758 m3.

3.1 不通风工况

不通风工况下(即Ls=Lp=0)，由式(15)积分得式(18)：

(18)

式(18)表明车辆舱氧气含量与时间成反比关系，总车辆耗氧越大Gc，斜率的绝对值也越大，见图3.750秒后，舱内氧气浓度降低到人工作安全值以下(体积浓度19.5%，质量浓度0.250 9 kg/m3).

图3 不通风情况下氧气浓度随时间变化Fig.3 Oxygen concentration varies law without ventilation

3.2 通风工况

由式(13)计算，得到不同通风量条件下温度随时间的变化曲线.图4为在通风量分别取5次，10次，15次及20次换气次数条件下，车辆舱内温度随时间的变化.由图可知，对于通风量一定情况下，温度逐渐升高，且升高的速率先快后慢，最终趋于稳定.不同风量下，随着通风量的增加，温度升高速率下降，平衡温度也越低，所需时间也越短.20次通风换气次数下，只需400 s就接近平衡.而15次换气次数在750 s后接近平衡.而10次气数，5次换气次数通风量条件下则需要更长的时间.

图4 车辆舱温度随时间的变化Fig.4 Temperature raise inside the vehicle hold

将排风温度随时间的变化式(13)代入式(16)，并求解方程式，得到解析解.结果得到通风量20次，15次，10次，5次换气次数条件下，舱室内氧气含量随时间的变化关系式，分别用ya，yb，yc及yd表示，见式(19)～式(22).

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

图5 车辆舱氧气浓度随时间变化图Fig.5 Oxygen concentration varies law

现有的计算方法忽略温度对含氧量空间分布的影响，氧气浓度结果用式(23)计算.与考虑温度变化对舱内氧气含量影响时对比，分别用20次，10次换气次数作对比，结果见图6.考虑温差修正后的模型计算结果与现有方式的计算结果相差3.25%及4.88%.并且随着温度差别变大而增大.

图6 计算模型对比Fig.6 Calculation results comparison with various models

4 结论

针对车辆运转耗氧及人员需氧问题，考虑空气密度变化对全面通风方程的影响，建立车辆舱内环境空间含氧量计算模型，结合某登陆舰实况进行计算，计算结果表明：

(1)车辆运转工况，不通风条件下750 s后舱内氧气浓度降低到人工作安全值以下.

(2)不同风量下，随着通风量的增加，温度升高速率下降，平衡温度也越低，所需时间也越短.20次通风换气次数下，需400 s就接近平衡状态.而10次换气次数在1 800 s后接近平衡状态.将20和10次换气次数下温差修正后模型与不考虑温差影响模型的氧气浓度计算结果对比，修正百分比分别为3.25%及4.88%，并且随着温度差别逐渐增大.