快速上浮脱险加压模拟实验装置及其控制方法

摘要

本发明公开了一种快速上浮脱险加压模拟实验装置及其控制方法，属于工程技术领域，具体为一种快速上浮脱险加压模拟实验装置及其控制方法。该装置由高压气瓶、加压罐、压缩罐经管道连接组成；其中，高压气瓶通过管道与加压罐连接；加压罐的侧面与进水管相连，该进水管上设有进水阀门；加压罐与压缩罐之间有进水管相连，该进水管上设有进水管控制阀；压缩罐上方设有压力传感器等，压缩罐下方设有排水阀；所述进水管的直径与压缩罐的直径之比等于实际模型的对应参数之比。通过对进水管控制阀门开度的调节，得出了符合安全性要求的控制方法，使快速加压装置的加压过程在实验室里得到安全、快速、准确的实现，为我国快速上浮脱险加压装置的改进提供重要依据。

权利要求

1.一种快速上浮脱险加压模拟实验装置，其特征在于由高压气瓶(1)、加压罐(5)、压缩罐(9)经管道连接组成。

2.如权利要求1所述的快速上浮脱险加压模拟实验装置，其特征在于所述高压气瓶(1)通过管道与加压罐(5)连接，在该连接管道上设有减压器(2)和第一压力表(3)。

3.如权利要求1所述的快速上浮脱险加压模拟实验装置，其特征在于所述加压罐(5)的侧面与进水管相连，该进水管上设有进水阀门(4)。

4.如权利要求1所述的快速上浮脱险加压模拟实验装置，其特征在于所述加压罐(5)的上部分别设有安全阀(6)、第一排气阀(7)、第二压力表(8)。

5.如权利要求1所述的快速上浮脱险加压模拟实验装置，其特征在于所述加压罐(5)与压缩罐(9)之间有进水管(16)相连，该进水管(16)上设有进水管控制阀(15)。

6.如权利要求5所述进水管(16)，其特征在于管路上有4个90°的直角转弯。

7.如权利要求5所述进水管(16)，其特征在于进水管(16)的直径与压缩罐(9)的直径之比是0.18。

8.如权利要求5所述进水管控制球阀(15)，其开度范围为0°～90°。

9.如权利要求5所述进水管控制球阀(15)，在快速加压过程中为使加压曲线符合人体安全性需求，其开度控制在30°。

10.如权利要求1所述的快速上浮脱险加压模拟实验装置，其特征在于所述压缩罐(9)上方设有第三压力表(10)、压力传感器(12)和第二排气阀(13)，压缩罐(9)下方设有排水阀(14)。

说明书

快速上浮脱险加压模拟实验装置及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于工程技术领域，具体涉及一种快速上浮脱险加压模拟实验装置及其控制方法。

背景技术

[0002] 快速上浮脱险是现代大深度潜水后出水上浮的一种主要方式，其主要原理是：当潜水员于大深度的水下准备出水上浮时，潜水员进入快速加压舱中，此时快速加压舱中的空气压力为一个大气压。加压舱底部有一根进水管通向外界海水，当快速加压开始时，将进水管阀门打开，由于外界海水压力比筒内大，海水则会通过进水管流入到加压舱中，舱内原有的空气被压缩，直到舱内空气压力与外界海水压力平衡时加压过程停止。然后经过一定时间的稳压，加压舱上盖打开，潜水员从加压舱自由上浮至水面。整个加压过程时间很短，潜水员高压暴露的时间也就很短，自由上浮过程又是一个快速减压的过程，所以不会形成长时间的高压暴露，也就不会导致减压病的发生，从而为潜水员的生命安全提供了保障。

[0003] 快速加压法出水上浮的关键在于压力变化曲线要贴近于符合人体需求的指数变化曲线，特别是加压平衡时间应该在理想指数曲线加压平衡时间附近，否则如果加压时间过长，潜水员体内累积的氮张力会超过安全量范围从而发生减压病，如果加压时间过短，则潜水员调压速度跟不上压力增加速度，则会引起潜水员耳膜压破等症状。因此，加压时间的长短一定要控制在指数加压曲线附近才是最符合人体需求。

[0004] 指数加压曲线方程为：p＝2t/b(h)

[0005] 其中，P为压力，ATA；

[0006] b(h)为加压时间周期，随不同的加压深度而变化：50米，80米，100米，150米，185米时的b(h)分别为b(50)，b(80)，b(100)，b(150)，b(185)＝20，12，10，6，4。

[0007] 则理想状态下50米，80米，100米，150米，185米的快速加压平衡时间分别为51.7s，38s，34.6s，24s，17.1s。

[0008] 英国是目前将快速上浮脱险技术在大深度潜水中应用最发达的国家之一，已在海上成功完成较大深度的快速加压上浮实验。他们使用的快速加压舱是直径1m，高约2m的圆柱形筒，进水管管径为180mm，进水阀门是手动开启的截止阀。

[0009] 我国快速上浮脱险技术尚处于初始阶段，加压控制也和国外不同。国内的快速加压装置进水管管径比英国小，进水阀门是用电脑程序控制开度变化的海水流量调球阀。由于管径小的原因，如果球阀开度控制不合适的话，就会使快速加压过程不能在规定时间内完成，导致人员安全受到威胁。正是考虑到人员的安全性问题，我国快速加压上浮只进行过海上较小深度的实验，并未来做过大深度的实验。国外进水管直径比我国大，进水阀门用手动开启的截止阀就完全可以在规定时间内达到加压平衡。因此，国外快速加压装置的安全性是用真正载人实验验证过的，也是安全可靠的。

[0010] 本发明利用流体力学原理以及相似准则通过高压空气模拟的各种海水深度在实验室中实现快速加压的全过程，为快速加压的安全性验证提供了有力依据。

发明内容

[0011] 本发明的目的在于设计一种安全、准确的快速上浮脱险加压模拟实验装置及其控制方法。

[0012] 本发明设计的快速上浮脱险加压模拟实验装置，其结构如图2所示。它由高压气瓶1、加压罐5、压缩罐9经管道连接组成；其中，高压气瓶1通过管道与加压罐5连接，在该连接管道上设有减压器2和压力表3；加压罐5的侧面与进水管相连，该进水管上设有进水阀门4；加压罐5的上部分别设有安全阀6、排气阀7、压力表8；加压罐5与压缩罐9之间有进水管16相连，该进水管16上设有进水调节阀15；压缩罐9上方设有压力表10、压力传感器接头11、压力传感器12和排气阀13，压缩罐9上方设有排水阀14；这里，进水管16的直径与压缩罐9的直径之比为0.18，等于实际模型的对应参数之比。当快速加压过程开始时，将进水调节阀15的打开到30°(30°为优选值，经计算27°～33°范围内都符合要求)，则加压过程的平衡时间可以符合人体的安全性需求。

[0013] 1.实验室参数按比例缩小的依据：

[0014] 快速加压的过程是利用管道两端海水与空气的压力差，使高压力的海水流入到常压的加压筒中，压缩加压筒内空气，最后筒内压力达到平衡的过程。

[0015] 图1中p0为海面大气压(1Atm)，水深H＝180m，加压筒高L＝2m，直径为1m，加压筒和管道截面积分别记为A和B，储气罐内气体高度为h(t)，储气罐内气体压力为p(t)，3
海水密度ρ1＝1000kg/m，储气罐入口处阀门为Valve。

[0016] 假定阀们全部打开时为t＝0时刻，该时刻储气罐内气体满足：压强p(t)＝p0，密度ρ(t)＝ρ0，高度h(t)＝h0。

[0017] 根据准定常Bernoull i方程可得：

[0018]

[0019] 因为H远大于L，所以近似后有：

[0020]

[0021] 又根据质量守恒原理得：

[0022]

[0023] 最后假定罐内气体满足等温过程，即有：

[0024]

[0025] 根据式(2)、(3)、(4)得：

[0026]

[0027]

[0028] 其中

[0029] (6)式积分得到：

[0030]

[0031] 其中，

[0032]

[0033] 代回原始变量则有：

[0034]

[0035]

[0036] 将公式(9)和(10)合并后写成无量纲形式为：

[0037]

[0038]

[0039] 其中， 均为无量纲量。对于本实验装置来说，p′、H′、t′均为实验参数，因而只要保证λ与原模型相同即可。

[0040] 根据上述推导可得：如果想将由直径为1m的加压筒和直径为180mm的进水管路组成的快速加压系统用实验装置来重新实现加压过程，则只要保证管路直径与加压筒直径的比值与原模型相同就可以。由于国外快速加压装置进水管直径与加压筒直径之比为180/1000。因此，实施例中，本实验装置中进水管直径选为27mm，压缩罐直径为150nm，两者之比与原模型相同。

[0041] 2.快速上浮脱险加压模拟实验装置使用及控制方法：

[0042] 向图2中大加压罐5中先注入一定量的海水，再通过高压气瓶1注入一定压力的压缩空气，便可模拟某深度海水压力。压缩罐9的作用为模拟快速调压舱。压缩罐9中没有水，与外界大气压力相同，为一个大气压。加压罐5与压缩罐9之间通过内径为26mm的进水管16相连接，管道上安装有进水调节阀(球阀)15。压缩罐9顶部接有压力传感器12，可以通过电脑实时记录罐内气体压力变化。当实验开始时，打开进水调节阀，由于加压罐5与压缩罐9之间有很大的压力差，加压罐5里的水由于压力作用下便会快速流入压缩罐9中，压缩罐9里的空气体积变小，压力逐渐增大，直到压缩罐9与加压罐5中气体压力相同时，快速加压完毕。此时，接在压缩罐9顶部的压力传感器12就已将整个加压过程压力随时间的变化曲线记录到电脑上。

[0043] 由于进水管上的球阀有多种不同的开度，通过控制球阀的开度可以控制进水量，从而控制加压平衡的时间。为使加压平衡的时间更贴近于理想状态指数加压曲线的平衡时间，则可通过调节球阀的不同开度来确定哪种开度下加压曲线更符合人体需求，从而找到一种安全性较高的快速加压控制方式。由实验结果证明，当阀门开度在30°时的压力变化曲线及加压平衡时间最符合人体需求，且30°为优选值，经计算27°～33°范围内均符合要求。

[0044] 本实验装置记录的压力变化曲线，与国外同一深度快速加压装置的加压曲线相同，因为两者进水管直径与加压筒直径之比是相同的。因此，本发明可将快速加压装置的加压过程及控制方法在实验室里得到安全、快速、准确的实现，为我国快速加压装置的改进提供重要依据。

附图说明

[0045] 图1为快速加压模型图。

[0046] 图2为快速加压模拟实验装置模型图。

[0047] 图中标号：1为高压气瓶，2为减压器，3为压力表，4为进水阀门，5为加压罐，6为安全阀，7为排气阀，8为压力表，9为压缩罐，10为压力表，11为压力传感器接头，12为压力传感器，13为排气阀，14为排水阀，15为进水调节阀，16为进水管。

[0048] 图3-图6为水深50m时各球阀开度下的压力变化曲线。图3为开度为90°时的加压结果，图4为开度为70°时的加压结果，图5为开度为50°时的加压结果，图6为开度为30°时的加压结果。

[0049] 图7-图10为水深80m时各球阀开度下的压力变化曲线。图7为开度为90°时的加压结果，图8为开度为70°时的加压结果，图9为开度为50°时的加压结果，图10为开度为30°时的加压结果。

[0050] 图11-图14为水深100m时各球阀开度下的压力变化曲线。图11为开度为90°时的加压结果，图12为开度为70°时的加压结果，图13为开度为50°时的加压结果，图14为开度为30°时的加压结果。

[0051] 图15-图18为水深150m时各球阀开度下的压力变化曲线。图15为开度为90°时的加压结果，图16为开度为70°时的加压结果，图17为开度为50°时的加压结果，图18为开度为70°时的加压结果。

[0052] 图19-图22为水深150m时各球阀开度下的压力变化曲线。图19为开度为90°时的加压结果，图20为开度为70°时的加压结果，图21为开度为50°时的加压结果，图22为开度为30°时的加压结果。

具体实施方式

[0053] 以下结合附图，对本发明做进一步说明。

[0054] 如图2，是快速上浮脱险加压模拟实验装置模型图，它由高压气瓶1、加压罐5、压缩罐9经管道连接组成；其中，高压气瓶1通过管道与加压罐5连接，在该连接管道上设有减压器2和压力表3；加压罐5的侧面与进水管相连，该进水管上设有进水阀门4；加压罐5的上部分别设有安全阀6、排气阀7、压力表8；加压罐5与压缩罐9之间有进水管16相连，该进水管16上设有进水调节阀15；压缩罐9上方设有压力表10、压力传感器12和排气阀13，压缩罐9上方设有排水阀14；这里，进水管16的直径与压缩罐9的直径之比是0.18；快速加压时进水管控制阀(15)的开度控制在30°(30°为优选值，经计算在27°～33°范围内都符合要求)。

[0055] 以下结合实施例，对本发明做进一步说明。

[0056] 实施例

[0057] 1、各主要部件参数：

[0058] 加压罐5是中间为圆柱形，两端为圆弧形的压力容器，容积为1500L，安全压力为3.0Mpa。压缩罐9是用12L轻潜气瓶改装，安全压力为3.0Mpa。压力表量程为5.0Mpa，压力传感器最大工作压力为3.0Mpa，安全阀在2.5Mpa时起跳。进水阀最大工作压力为3.0Mpa，高压气瓶最大可提供10Mpa的压缩空气。

[0059] 2、实验过程：

[0060] 如图2所示，向加压罐5中先注入海水，水量超过加压罐体积的4/5，再通过高压气瓶1注入一定压力的压缩空气，便可模拟某深度海水压力。压缩罐9的作用为模拟快速调压舱。压缩罐9中没有水，压力为一个大气压，与外界大气压力相同。加压罐9与压缩罐5之间通过内径为26mm的管道相连接，管道上有四个90°的弯头，并安装有调节阀。压缩罐9顶部接有压力传感器12，可以通过电脑实时记录罐内气体压力变化。当实验开始时，将进水管上的球阀打开一定的开度(本实验过程中分别打开90°、70°、50°、30°)，由于加压罐与压缩罐之间有很大的压力差，加压罐里的水由于压力作用下便会快速流入压缩罐中，压缩罐里的空气体积变小，压力逐渐增大，直到压缩罐与加压罐中气体压力相同时，快速加压完毕。此时，接在压缩罐顶部的压力传感器就已将整个加压过程压力随时间的变化曲线记录到电脑上。

[0061] 3、实验结果：

[0062] 本装置通过调节阀门开度来控制不同深度下加压平衡时间，通过实验可以得出调节阀在90°、70°、50°、30°时，水深分别为50m、80m、100m、150m、185m时的压力变化曲线。

[0063] 50m水深时，阀门开度为90°、70°、50°、30°的加压曲线：

[0064] 开度为90°加压结果如图3所示，开度为70°加压结果如图4所示，开度为50°加压结果如图5所示，开度为30°加压结果如图6所示。

[0065] 80m水深时，阀门开度为90°、70°、50°、30°的加压曲线：

[0066] 开度为90°加压结果如图7所示，开度为70°加压结果如图8所示，开度为50°加压结果如图9所示，开度为30°加压结果如图10所示。

[0067] 100m水深时，阀门开度为90°、70°、50°、30°的加压曲线：

[0068] 开度为90°加压结果如图11所示，开度为70°加压结果如图12所示，开度为50°加压结果如图13所示，开度为30°加压结果如图14所示。

[0069] 150m水深时，阀门开度为90°、70°、50°、30°的加压曲线：

[0070] 开度为90°加压结果如图15所示，开度为70°加压结果如图16所示，开度为50°加压结果如图17所示，开度为30°加压结果如图18所示。

[0071] 185m水深时，阀门开度为90°、70°、50°、30°的加压曲线：

[0072] 开度为90°加压结果如图19所示，开度为70°加压结果如图20所示，开度为50°加压结果如图21所示，开度为30°加压结果如图22所示。

[0073] 表1.各深度下不同阀门开度加压平衡时间

[0074]50m 80m 100m 150m 185m
90° 4.65 3.69 3.29 2.67 2.4
70° 14 11.1 9.9 8.0 7.18
50° 36 28.6 25.6 20.7 18.6
30° 53 41.2 39 26.6 22.4

[0075] 将不同深度、阀门不同开度下的加压平衡时间与理想的指数加压平衡时间相比较，则可得出以下结论：阀门开度为30°时的加压平衡时间与理想的指数加压的加压平衡时间最接近。通过加压曲线计算加压过程累积的氮张力，并与理想的指数加压过程累积的氮张力相比较，阀门开度27°～33°范围内时，加压累积的氮张力均在潜水员能承受的安全范围之内，而开度在27°～33°范围外时，加压累积的氮张力则不在潜水员能承受的安全范围之内。因此，控制阀门开度为30°(30°为优选值，在27°～33°范围内都符合要求)是快速加压过程最佳的控制方法。