搜索技術(shù) | 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(wǎng)
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(cè)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(zhì)驅(qū)動發(fā)動機做功。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(jié)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(jīng)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(jié)為低溫的水,該換熱器內(nèi)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(nèi)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(diào)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(jīng)驗模型模擬水蒸氣完全凝結(jié)的過程;
3.1.高溫蒸發(fā)
由于發(fā)動機內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)復雜,通道非常多,如果全通道模擬相變過程,會導致網(wǎng)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(jié)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(wǎng)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(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(jù)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(jié)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(jù)文件可以作為Flownex元件,Flownex進一步計算整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的參數(shù)。
Flownex與Ansys交互計算模型
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計算出的水蒸汽凝結(jié)過程
CFX計算出的溫度分布云圖
對于發(fā)動機內(nèi)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(shù)實現(xiàn)熱和結(jié)構(gòu)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(jié)果和Flownex進行耦合計算,實現(xiàn)精度和速度的結(jié)合。
上述驗證案例需要結(jié)合經(jīng)驗公式或?qū)嶒灲Y(jié)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。
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