搜索技術(shù) | 魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)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(wǎng)
1.1.高溫蒸發(fā)
發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟冉?000K,在噴口速度很高,接近2個(gè)馬赫數(shù),為了快速冷卻,采用水流側(cè)面沖擊高溫高壓燃?xì)?水流快速蒸發(fā)達(dá)到快速冷卻高溫燃?xì)獾男Ч?使得出口溫度迅速降低,以免高溫燃?xì)鉄龎膰姽芗跋嚓P(guān)部件。這種冷卻措施在魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較多,同時(shí)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(dòng)力系統(tǒng)不向雷外作任何排放,完全無尾跡, 能適應(yīng)大深度航行, 不受背壓影響,是未來魚雷動(dòng)力發(fā)展的方向之一。魚雷閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)一般以過熱蒸汽為工質(zhì)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)做功。由于系統(tǒng)與外界無物質(zhì)交換, 做功后的乏汽必須經(jīng)冷凝裝置冷凝成水后才能供給系統(tǒng)作為循環(huán)工質(zhì)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(jìn)行熱交換, 達(dá)到冷凝汽輪機(jī)乏汽的目的。殼體冷凝器在閉式循環(huán)動(dòng)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(duì)汽輪機(jī)的乏汽進(jìn)行冷卻, 使水蒸汽凝結(jié)變成可重復(fù)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(dòng)力系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行可靠性。
魚雷冷凝換熱器用于將高溫高壓蒸氣凝結(jié)為低溫的水,該換熱器內(nèi)部蒸汽流動(dòng)中出現(xiàn)的冷凝過程屬于相變換熱,并且隨著換熱的進(jìn)行和流動(dòng)狀態(tài)的改變,內(nèi)部的流動(dòng)會(huì)出現(xiàn)各種不同的流型,這一流動(dòng)換熱過程使用傳統(tǒng)的工程方法難以精確評(píng)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(yīng),必須采用歐拉多相流才能反應(yīng)真實(shí)流態(tài);
2) 歐拉多相流要同時(shí)考慮可壓縮流動(dòng)+相變,計(jì)算收斂性和難度大;
3) CFD軟件的熱相變模型對(duì)于高溫、高速下的蒸發(fā)效應(yīng)模擬需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)修正,調(diào)節(jié)因子進(jìn)行多工況的驗(yàn)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(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M水蒸氣完全凝結(jié)的過程;
3.1.高溫蒸發(fā)
由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃?xì)饫鋮s是靠噴注水流,讓水流和高溫燃?xì)獬浞謸交旌笳舭l(fā)導(dǎo)致的冷卻過程,這和壁面沸騰機(jī)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(jī)制
高溫壁面下的蒸發(fā)過程
對(duì)比驗(yàn)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(jì)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(zhì)源項(xiàng)獲得的組分分布
魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)基于施加傳熱傳質(zhì)源項(xiàng)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(jì)算收斂曲線
3.2.低溫冷卻
由于魚雷冷凝器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通道非常多,如果全通道模擬相變過程,會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格規(guī)模很大,采用CFX計(jì)算代價(jià)較高。為了快速模擬,通過對(duì)單通道冷凝特性的模擬,可以基于單通道計(jì)算出換熱性能,然后對(duì)其它通道近似處理,可以采用一維流體換熱仿真軟件實(shí)現(xiàn)一維Flownex和三維CFX計(jì)算結(jié)果換熱過程的耦合計(jì)算實(shí)現(xiàn)全通道換熱性能模擬。
安世亞太公司新引進(jìn)的一維熱仿真軟件Flownex可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)換熱和相變的計(jì)算。Flownex是一個(gè)集成了CFD程序的管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件,主要用于模擬、設(shè)計(jì)和優(yōu)化復(fù)雜的熱流系統(tǒng)。Flownex可以準(zhǔn)確、快速和高效的模擬復(fù)雜的熱流動(dòng)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(qiáng)大的仿真能力,可計(jì)算氣體、液體、氣體混合物以及均勻兩相流的流動(dòng);能模擬分析快速變化及慢速變化的動(dòng)態(tài)過程;能夠計(jì)算流體和固體間的熱交換,包括壅塞現(xiàn)象、自然對(duì)流和焦耳加熱等;通過建立子系統(tǒng)來模擬復(fù)雜的系統(tǒng);具有強(qiáng)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(jìn)行方便的數(shù)據(jù)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(diào)等方面均有廣泛的應(yīng)用。
強(qiáng)大的輸入輸出功能
Flownex能與Ansys、MATLAB、Simulink以及Labview等軟件進(jìn)行方便的數(shù)據(jù)交換。Flownex具備完善的可視化后處理功能,能方便的進(jìn)行2D/3D結(jié)果顯示。圖11為Flownex軟件與Ansys軟件交互計(jì)算模型,Ansys軟件計(jì)算得到的數(shù)據(jù)文件可以作為Flownex元件,Flownex進(jìn)一步計(jì)算整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的參數(shù)。
Flownex與Ansys交互計(jì)算模型
換熱器元件庫
內(nèi)部是高溫蒸汽,外部是海水,中間是管壁的網(wǎng)格分布
CFX計(jì)算出的水蒸汽凝結(jié)過程
CFX計(jì)算出的溫度分布云圖
對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部高溫蒸發(fā)冷卻過程,除了采用CFX準(zhǔn)確計(jì)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(shù)實(shí)現(xiàn)熱和結(jié)構(gòu)的耦合計(jì)算,為了讓用戶實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算,可以基于Worbench開發(fā)快速仿真專家插件,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型和復(fù)雜問題的快速評(píng)估。
對(duì)于換熱器整機(jī)冷凝過程,可以基于CFX計(jì)算單通道的結(jié)果和Flownex進(jìn)行耦合計(jì)算,實(shí)現(xiàn)精度和速度的結(jié)合。
上述驗(yàn)證案例需要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式或?qū)嶒?yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比及模型修正過程,可以通過項(xiàng)目合作的方式共同開發(fā)完善軟件功能。
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