0 引　言

船舶上大量使用和贮存着用于动力、发电和工作的燃油和维护机械运转的滑油，其挥发出的油气，以及机械运动产生的油雾会在随空气流动的过程中，与壁面碰撞而沉积形成油膜，沉积后的油膜又会在舱室环境中进一步挥发出大量的油气，高浓度的油气会在狭小的机舱环境中难以消散，不断积聚，对设备运行和人体健康产生极大危害^[1]，甚至在高温环境下会引起机舱爆燃^[2]，因此有必要对机舱壁面油膜的挥发速率进行研究，进而能准确预测机舱壁面油膜挥发速率的变化趋势，从而为净化设备的配置和运行优化提供输入，改善机舱空气品质，降低各类爆燃事故的发生危险。

液体蒸发的动力源自液体表面蒸汽压与周围空气中的蒸汽分压之差^[3]。Boyadjiev等^[4]根据扩散理论、边界层理论等，建立了描述挥发过程的偏微分方程，建立了单组分液体的挥发预测模型。潘旭海等^[5]对单组份液体蒸发动力学特征进行了理论分析，并设计了风洞实验，得到了相关的实验数据。栗元龙等^{[6 – 7]}对船舶机舱燃料泄漏到热表面后的着火过程进行了研究，建立泄漏燃料在热表面的蒸发模型，描述了热壁上方油气运动过程。

由于船舶机舱壁面的油膜是油气沉积所致，其存在形式主要是分布式小粒径液滴和连续的薄层液膜，油料内部基本可忽略温度梯度，由于这些特点，可以对原有的液体在热表面的蒸发模型进行简化，并结合机舱壁面有空气对流传质的特点，建立适用于船舶机舱壁面的油膜挥发模型。本文主要通过理论分析建立单组分油料在机舱壁面的挥发速率模型，计算并研究环境因素对挥发速率的影响规律。

1 模型建立 1.1 研究对象

船舶机舱内的油料在挥发过程中，大量的油气和油雾会随着空气流动，与机舱壁面撞击后会形成分布式小粒径液滴和连续的薄层液膜，由于分布式小粒径液滴分布致密，因此本文将沉积至壁面的油料均视为连续的薄层液膜，如图1所示。油膜在机舱20 ℃～60 ℃的环境温度中受热后挥发出油气，扩散至液体表面，与周围空气中的油气分压产生压差，从而导致油气不断地向空气中扩散，而机舱内的空气流速为0.2～1 m/s，在通风口出的风速达到5 m/s，机舱壁面油膜在流动的空气中会发生对流传质。

1.2 数学模型

根据机舱油膜的实际挥发情况和环境特点，为简化分析过程，可做以下假设：

1）挥发过程为稳态过程，机舱内环境背景浓度保持不变；

2）挥发气体视为理想气体；

3）油膜在水平方向上的长度为0.5 m，风速始终保持水平方向；

4）空气与壁面/液体温度一致（无温差传热）；

5）油膜为单一化合物，按照油料中最轻组分正十二烷物性参数进行计算。

根据传质学原理^[8]和质量守恒定律，油膜与空气之间进行的对流传质速率如下：

${{{N}}_{{A}}} = {h_m}({C_{As}} - {C_{A\infty }}){\text{。}} $

(1)

式中：N_A为油膜表面处的扩散通量（kmol/（m²·s）；h_m为对流传质系数；C_AS为蒸汽饱和浓度，kg/m³；C_A∞为背景浓度，kg/m³。

由相似原理^[9]，可确定对流传质系数的计算公式：

$ {h_m} = 0.664\frac{{{D_{AB}}}}{L}{{Re} _L}^{1/2}S{c^{\frac{1}{3}}}{\text{。}} $

(2)

其中：Re_L为雷诺数；Sc为施密特数。

$ {{\rm Re} _{\rm{L}}}{\rm{ = }}\frac{{L\rho {u_0}}}{\mu }{\text{，}} $

(3)

$ Sc = \frac{\mu }{{\rho {{\rm{D}}_{{\rm{AB}}}}}}{\text{。}} $

(4)

式中：L为平板长度，m；ρ为空气密度，kg/m³；μ为空气动力粘数，m²/s；

空气扩散系数D_AB可采用Fuller经验公式^[10]计算：

$ D = {10^{ - 7}}\frac{{{T^{1.75}}{{(1/{M_1} + 1/{M_2})}^{1/2}}}}{{P{{({V_{c1}}^{1/3} + {V_{c2}}^{1/3})}^2}}}{\text{。}} $

(5)

其中：T为温度，K；P为大气压力，atm；M₁，M₂为油和空气的分子量；V_c1，V_c2油气和空气的扩散体积，可通过查表获得。

饱和蒸汽浓度C_AS用下列公式计算：

$ {C_{AS}} = \frac{{{P_{AS}}M}}{{22.4P}}{\text{，}} $

(6)

饱和蒸汽压P_AS（Pa）可根据雷德尔式^[11–12]计算：

$\begin{split} \ln {p_{AS}} =& 137.47 - \frac{{11976}}{T} - 16.698 \times \ln (T) +\\&8.090\;6 \times {10^{ - 6}} \times {T^2}{\text{。}} \end{split}$

(7)

2 计算结果及分析 2.1 温度对油膜挥发速率的影响

由数学模型分析可知，机舱环境温度会对舱室油气的饱和浓度、空气扩散系数和空气物理特性产生影响，这里假设机舱大气环境压力为101 325 Pa，舱室表面表面风速为0.5 m/s，利用上述公式计算了机舱壁面油膜在舱室环境里的挥发速率，计算结果如图2～图4所示。

由图2可知，在20 ℃～60 ℃的机舱环境温度范围内，随温度的增加，壁面油膜挥发速率呈指数增长趋势，这是因为随着温度的增加，饱和蒸汽浓度呈指数增长，对流传质系数也基本呈正比例增长，温度从20 ℃上升至60 ℃时，油膜挥发速率增加了23倍，可见温度的变化是导致油膜挥发速率快速增加的主要原因。

2.2 环境压力对油膜挥发速率的影响

机舱环境大气压力会使饱和蒸汽浓度和对流传质系数产生影响，这里假设环境温度一定，设为25 ℃，壁面油膜的表面风速为0.5 m/s，计算在室内风速方向上0.5 m长度的壁面油膜的挥发速率，计算结果如图5～图7所示。

由图可知，壁面油膜挥发速率随环境压力的增大而减小，这是因为其对流传质系数和饱和蒸汽压都随着压力的增加呈现指数级的递减，当机舱大气环境压力降低20%时，其壁面油膜挥发速率会增加1倍以上，当机舱大气环境压力上升20%时，其壁面油膜挥发速率会降低30%。

2.3 油膜表面风速对挥发速率的影响

机舱内的空气流速会随着舱室内的风机、以及相关的空气净化设备的运行状况改变而发生变化，而空气流速风速会对壁面附近气流的雷诺数产生影响，进而会对油气-空气对流传质系数产生影响，这里此时假设机舱环境压力不变，保持101 325 Pa，温度为25 ℃，壁面表面风速在0.2～5 m/s内变化，计算结果如图8～图9所示。

由图可知，油膜挥发速率随风速的增加，呈对数级增长，其原因是因为表面风速的增加，对流传质系数会随着风速的增加呈指数增加对数级增长趋势，进而导致油膜的挥发速率呈对数级增长。机舱空气流速从0.2 m/s增加到5 m/s时，其油膜挥发速率会增加5倍，可见机舱内的空气流速对油气的挥发产生影响很小。

3 结　语

本文对船舶机舱壁面沉积油膜的挥发速率进行了数值研究，结合船舶机舱的环境特点和油膜挥发方式，应用传质原理，建立了油膜在机舱壁面的挥发速率数值模型，并通过对机舱典型环境的计算分析证明，油膜挥发速率随油膜机舱环境温度的增加呈指数级增长、随环境压力的减小呈指数级增长，随空气流速的增加呈对数级增长。其中，在机舱环境范围内的环境温度对挥发速率的影响最大。该研究成果可为船舶机舱内的各类油气净化配置和优化运行提供输入，从而改善机舱空气品质，降低各类爆燃事故的发生危险，为船员营造更舒适和安全的工作空间。后续将进行针对性的实验，对本文发展的船舶机舱壁面油膜挥发数值模型进行验证和修正。