搜索技術 | 魚雷發(fā)動機冷卻系統(tǒng)CFD仿真解決方案
2017-03-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網
1.1.高溫蒸發(fā)
發(fā)動機燃氣溫度近1000K,在噴口速度很高,接近2個馬赫數(shù),為了快速冷卻,采用水流側面沖擊高溫高壓燃氣,水流快速蒸發(fā)達到快速冷卻高溫燃氣的效果,使得出口溫度迅速降低,以免高溫燃氣燒壞噴管及相關部件。這種冷卻措施在魚雷發(fā)動機中應用較多,同時影響也比較大。
魚雷原理圖
1.2.低溫冷卻
魚雷閉式循環(huán)動力系統(tǒng)不向雷外作任何排放,完全無尾跡, 能適應大深度航行, 不受背壓影響,是未來魚雷動力發(fā)展的方向之一。魚雷閉式循環(huán)動力系統(tǒng)一般以過熱蒸汽為工質驅動發(fā)動機做功。由于系統(tǒng)與外界無物質交換, 做功后的乏汽必須經冷凝裝置冷凝成水后才能供給系統(tǒng)作為循環(huán)工質使用。由于魚雷外形和空間的限制, 殼體冷凝器必須與魚雷殼體制成一體, 利用魚雷殼體外表面與雷外海水進行熱交換, 達到冷凝汽輪機乏汽的目的。殼體冷凝器在閉式循環(huán)動力系統(tǒng)中起著冷源的作用, 其功能是利用魚雷殼體外部海水對汽輪機的乏汽進行冷卻, 使水蒸汽凝結變成可重復使用的液態(tài)水。殼體冷凝器工作性能的好壞直接影響到閉式循環(huán)動力系統(tǒng)的熱經濟性和運行可靠性。
魚雷冷凝換熱器用于將高溫高壓蒸氣凝結為低溫的水,該換熱器內部蒸汽流動中出現(xiàn)的冷凝過程屬于相變換熱,并且隨著換熱的進行和流動狀態(tài)的改變,內部的流動會出現(xiàn)各種不同的流型,這一流動換熱過程使用傳統(tǒng)的工程方法難以精確評估。
2.1.高溫蒸發(fā)
1) CFD軟件傳統(tǒng)DPM模型無法考慮高密度水流摻混、液面蒸發(fā)效應,必須采用歐拉多相流才能反應真實流態(tài);
2) 歐拉多相流要同時考慮可壓縮流動+相變,計算收斂性和難度大;
3) CFD軟件的熱相變模型對于高溫、高速下的蒸發(fā)效應模擬需要進行實驗修正,調節(jié)因子進行多工況的驗證,最終確定合理參數(shù)。
2.2.低溫冷卻
1) CFD軟件中的熱相變模型+歐拉多相流無法考慮高溫蒸汽在螺旋通道中完全冷卻為液態(tài)過程;
2) 需要經驗模型模擬水蒸氣完全凝結的過程;
3.1.高溫蒸發(fā)
由于發(fā)動機內部燃氣冷卻是靠噴注水流,讓水流和高溫燃氣充分摻混后蒸發(fā)導致的冷卻過程,這和壁面沸騰機制不同,比較適合采用修正LEE模型或熱相變模型來處理。
不同的沸騰機制
高溫壁面下的蒸發(fā)過程
對比驗證修正的LEE模型和熱相變模型差異:
LEE模型理論公式
熱相變模型理論
熱相變模型計算的水在高溫壁面下的蒸發(fā)組分分布
采用LEE模型通過施加傳熱傳質源項獲得的組分分布
魚雷發(fā)動機冷卻系統(tǒng)基于施加傳熱傳質源項在CFX中采用修正LEE模型試算如下:
環(huán)壁入射水流組分剖面分布
氣相溫度分布
水蒸氣組分分布
馬赫數(shù)分布剖面云圖
靜壓分布云圖
計算收斂曲線
3.2.低溫冷卻
由于魚雷冷凝器結構復雜,通道非常多,如果全通道模擬相變過程,會導致網格規(guī)模很大,采用CFX計算代價較高。為了快速模擬,通過對單通道冷凝特性的模擬,可以基于單通道計算出換熱性能,然后對其它通道近似處理,可以采用一維流體換熱仿真軟件實現(xiàn)一維Flownex和三維CFX計算結果換熱過程的耦合計算實現(xiàn)全通道換熱性能模擬。
安世亞太公司新引進的一維熱仿真軟件Flownex可以實現(xiàn)復雜系統(tǒng)級換熱和相變的計算。Flownex是一個集成了CFD程序的管網系統(tǒng)設計軟件,主要用于模擬、設計和優(yōu)化復雜的熱流系統(tǒng)。Flownex可以準確、快速和高效的模擬復雜的熱流動環(huán)境以及簡單的流體控制系統(tǒng),能幫助工程師提高工作效率。Flownex具有強大的仿真能力,可計算氣體、液體、氣體混合物以及均勻兩相流的流動;能模擬分析快速變化及慢速變化的動態(tài)過程;能夠計算流體和固體間的熱交換,包括壅塞現(xiàn)象、自然對流和焦耳加熱等;通過建立子系統(tǒng)來模擬復雜的系統(tǒng);具有強大的用戶圖形界面和輸出能力,能與Ansys、MATLAB、Simulink以及Labview等軟件進行方便的數(shù)據交換。Flownex在核工業(yè)、航空航天、能源電力系統(tǒng)、石油化工以及暖通空調等方面均有廣泛的應用。
強大的輸入輸出功能
Flownex能與Ansys、MATLAB、Simulink以及Labview等軟件進行方便的數(shù)據交換。Flownex具備完善的可視化后處理功能,能方便的進行2D/3D結果顯示。圖11為Flownex軟件與Ansys軟件交互計算模型,Ansys軟件計算得到的數(shù)據文件可以作為Flownex元件,Flownex進一步計算整個網絡系統(tǒng)的參數(shù)。
Flownex與Ansys交互計算模型
換熱器元件庫
內部是高溫蒸汽,外部是海水,中間是管壁的網格分布
CFX計算出的水蒸汽凝結過程
CFX計算出的溫度分布云圖
對于發(fā)動機內部高溫蒸發(fā)冷卻過程,除了采用CFX準確計算壁面和出口溫度和組分分布外,可以采用ANSYS流固耦合技術實現(xiàn)熱和結構的耦合計算,為了讓用戶實現(xiàn)快速計算,可以基于Worbench開發(fā)快速仿真專家插件,實現(xiàn)復雜模型和復雜問題的快速評估。
對于換熱器整機冷凝過程,可以基于CFX計算單通道的結果和Flownex進行耦合計算,實現(xiàn)精度和速度的結合。
上述驗證案例需要結合經驗公式或實驗結果進行驗證對比及模型修正過程,可以通過項目合作的方式共同開發(fā)完善軟件功能。
相關標簽搜索：技術 | 魚雷發(fā)動機冷卻系統(tǒng)CFD仿真解決方案 Ansys有限元培訓 Ansys workbench培訓 ansys視頻教程 ansys workbench教程 ansys APDL經典教程 ansys資料下載 ansys技術咨詢 ansys基礎知識 ansys代做 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Abaqus培訓
