不同运行条件下船用蒸汽蓄热器充汽过程动态特性数值模拟

船用蒸汽蓄热器的充汽过程是复杂剧烈的汽液两相热质交换过程,具有瞬时充汽量极大、热负荷波动剧烈的特点,其充汽特性直接关系到舰船蒸汽动力系统的运行稳定性。根据船用蒸汽蓄热器的运行条件,采用考虑汽液两相蒸发与冷凝的两流体模型和热相变模型,进行不同初始水位和压力下船用蒸汽蓄热器充汽过程动态特性的数值研究。计算结果表明：在充汽流量一定的条件下,蒸汽蓄热器初始水位越高,导致蓄热器压力越小、蒸汽温度越低;蒸汽蓄热器初始压力越大,造成蓄热器压力越大、蒸汽温度越高;在充汽起始阶段,蒸汽蓄热器初始压力越大,蓄热器水位和压力波动越剧烈。     

船用蒸汽蓄热器充汽过程的热工水力特性数值研究

采用考虑汽液两相蒸发与冷凝的两流体模型和热相变模型,基于CFX进行船用蒸汽蓄热器充汽过程热工水力特性数值研究。计算结果表明:充汽过程中,船用蒸汽蓄热器压力、温度均呈快速上升的变化规律;蓄热器汽水空间产生蒸汽射流及涡流效应;两流体模型和热相变模型能够准确描述船用蒸汽蓄热器充汽过程热工水力参数,为船舶蒸汽蓄热器的设计提供技术支撑。     

两种充汽模式下船用蒸汽蓄热器动态性能数值模拟

为给船舶蒸汽动力系统设计提供技术支撑,采用考虑蒸发和冷凝的热相变模型描述蒸汽蓄热器汽、液两相的热质传递规律,并结合缓慢充汽和快速充汽计算边界条件,基于CFX实现不同充汽模式下船用蒸汽蓄热器动态性能数值模拟。计算结果表明：在缓慢充汽起始阶段,船用蒸汽蓄热器水位波动大,最终水位保持平稳且略有升高;缓慢充汽过程中,船用蒸汽蓄热器的压力和温度均呈先快速上升再下降的变化规律;在快速充汽过程中,蒸汽蓄热器的压力和温度均呈先快速上升再下降的变化规律,计算结果与试验数据基本吻合。     

船用蒸汽蓄热器放汽过程动态特性数值模拟

船用蒸汽蓄热器是在极短时间内实现从较大流量供汽能力向极大流量供汽能力转换的关键设备,对船舶蒸汽动力系统安全稳定运行具有重要影响。以船用蒸汽蓄热器为原型,建立三维物理模型,采用两流体模型计算放汽过程中的闪蒸规律,利用标准k-ε方程计算蓄热器湍流脉动形式,并引入指数压降放汽边界条件,进行船用蒸汽蓄热器放汽过程动态特性的数值研究。计算结果表明:在放汽起始阶段,蒸汽蓄热器出现了"虚假水位";放汽过程后期,在蒸汽蓄热器水空间呈现涡流现象,形成了汽水自然对流循环,加强了汽水湍流脉动及沸腾传热效果,其模拟计算结果与试验数据基本吻合。     

船用蒸汽蓄热器放汽过程动态特性数值模拟北大核心CSCD

船用蒸汽蓄热器是在极短时间内实现从较大流量供汽能力向极大流量供汽能力转换的关键设备,对船舶蒸汽动力系统安全稳定运行具有重要影响。以船用蒸汽蓄热器为原型,建立三维物理模型,采用两流体模型计算放汽过程中的闪蒸规律,利用标准k-ε方程计算蓄热器湍流脉动形式,并引入指数压降放汽边界条件,进行船用蒸汽蓄热器放汽过程动态特性的数值研究。计算结果表明:在放汽起始阶段,蒸汽蓄热器出现了"虚假水位";放汽过程后期,在蒸汽蓄热器水空间呈现涡流现象,形成了汽水自然对流循环,加强了汽水湍流脉动及沸腾传热效果,其模拟计算结果与试验数据基本吻合。     

摇摆周期对板式换热通道内汽-液两相流阻力影响研究

板式换热设备越来越广泛应用于船舶换热系统,其内部结构为窄矩形通道,高功率换热条件下,可能形成汽-液两相流,汽-液两相流的阻力特性影响着换热性能。因此,在海洋摇摆条件下,竖直窄矩形通道内汽-液两相流阻力特性研究成为船舶换热方面一个研究热点。实验结果表明,摇摆角度等其他因素不变,阶段性增加摇摆周期,试验段总压力减小,压差变化频率减小,周期性明显增加。通过理论分析,摇摆周期增加,摩擦压降频率和幅值不变;重位压降变化频率减小,幅值不变;附加压降变化频率减小,幅值减小。造成总压降幅值逐渐减小,变化频率逐渐较小,周期性越来越明显。     

蒸汽浸没射流与凝结数值仿真分析

[目的]船用蒸汽动力系统进行蒸汽排放时,蒸汽射流冷凝是一个常见的物理过程。为了充分掌握此类开放空间纯蒸汽浸没射流的基础物理现象,采用Mixture两相流模型开展CFD仿真研究。[方法]基于实验结果对传热关系式进行修正,以汽相体积份额为0.95作为度量汽羽长度的临界分数,对比分析不同凝水温度和进口压力条件下浸没射流冷凝汽羽的空间分布、速度场、温度场及压力场分布特性。[结果]仿真结果表明:不同的进口条件将影响浸没射流冷凝汽羽的形态;在稳定的浸没射流冷凝过程中,汽羽核心区呈现出相对低温的状态,汽羽轴向的压力分布呈现出波动状态;验证了汽羽内部膨胀—压缩波的存在性,且随着蒸汽进口压力的增加,膨胀—压缩波的波动振幅和空间范围也随之增加。[结论]研究成果可为蒸汽射流冷凝的优化设计提供参考。     

摇摆对窄矩形通道内流量波动特性的影响

为了研究在摇摆工况下船舶流体系统的流量波动特性,建立摇摆实验平台模拟海洋环境,进行窄矩形通道内流量波动特性研究。结果表明,由摇摆运动引起的附加力会使流体系统的流量发生周期性的波动,且波动周期一致。附加切向压降和附加向心压降的波动振幅随着摇摆角度和摇摆频率的增加而迅速增加,然而时均质量流量随着摇摆角度和摇摆频率的增加减小。在摇摆工况下流量的相对波动振幅随着摇摆角度和频率的增加而增加,随着雷诺数的增加而减小。     

海洋条件对矩形换热器温度波动特性的影响

为了研究海洋工况下矩形换热器窄矩形通道壁面温度的波动特性及非稳态工况下壁面温度的计算方法,进行了一系列的实验研究和理论分析。结果表明在海洋条件下矩形换热器窄矩形通道壁面温度会随着通道质量流量的周期性变化而产生周期性的波动,且内、外壁面温度波动的振幅及相位都不同,同时窄矩形通道壁面温度的波动特性是摇摆周期、摇摆振幅、傅里叶数和内壁面温度波动特性的函数。随着傅里叶数的增加通道内、外壁面温度波动相对振幅逐渐增加,相位差逐渐减小,且内、外壁面温度的相位差只与摇摆周期有关。     

基于Fluent的输液管路压力波动仿真

流体压力波动是管道系统产生异常振动与噪声的主要根源之一。为了研究输液管道不同工况下的压力波动特性,利用计算流体动力学软件Fluent,对其内部流场进行三维非定常数值模拟,并分析在不同转速和背压工况下管路不同位置的压力波动特性。通过数值分析发现:管内流体的压力波动主要是由泵的周期性吸排作用引起,而且随着输液泵转速的增加而增加;管道不同位置的压力波动大小不同,在弯管密集处压力波动相对较大。最后利用实验验证了仿真模型的有效性。本文对于管路设计和振动治理有一定指导作用。     

蒸汽阀动态流阻特性研究

某热力系统中蒸汽阀动态流阻特性对其总体性能设计十分关键。由于该蒸汽阀结构特殊、流速高,无法借鉴一般蒸汽阀门的流阻特性,且仿真分析难以获得较准确的数值,需进行试验研究。基于蓄热器放汽过程流量计算原理,建立了蒸汽阀动态流阻特性试验研究的一般原理、试验分析数学模型等试验研究方法,并通过多工况动态试验验证,获得了本蒸汽阀的动态流阻特性,为该热力系统的设计提供了有力支撑。同时该试验研究方法,可推广应用于类似蒸汽调节阀的动态流阻特性研究。     

航行横向补给高架索恒张力系统动态性能仿真

高架索恒张力控制系统是海上航行横向补给装置的关键技术,建立了蓄能器式恒张力高架索绞车系统的数学模型,利用Matlab/Simulink软件建立了仿真模型,对某型国外横向补给装置的高架索恒张力系统进行了仿真,仿真结果符合实际使用情况。通过对影响高架索恒张力波动的主要设计参数的仿真,如液压系统阻尼、高压蓄能器气体容量和补给时两船相对运动速度,提出了相应的系统设计和使用建议。     

系泊船舶运动响应周期试验研究

针对国内外系泊船舶物理模型试验中所给系泊船舶运动响应周期特征参数的不同,对横向波浪作用下一艘26.6×104 m3系泊LNG船舶的运动响应周期特性进行物理模型试验研究。结果表明,半载状态下,纵移运动存在着32 s的自振周期;横移运动为周期性间歇增长运动,横移运动周期与系泊船舶固有横摇周期的比值在1.11～1.23,大体上随波浪周期增大成倍数增长;横摇运动峰值随波浪周期增大而增大,横摇运动周期与系泊船舶固有横摇周期的比值在1.23～1.48,大体上随波浪周期增大成倍数增长;不同装载状态下回转运动均存在着较长的自振周期:半载状态为30 s,满载状态为32 s。     

基于稳定性理论的张力腿平台横摇固有周期分析

文章以稳定性理论为基础提出了一种张力腿平台横摇固有周期计算模型,分析了横摇临界角对平台横摇稳定性的影响,并将其应用于分析平台设计参数对横摇固有周期的影响。提出在一个横摇周期里,最后稳定横摇临界角对应的时间历程为1/4横摇固有周期这一假设,基于此假设,编制计算机计算程序,计算横摇运动中每一个横摇角,判断其稳定性,找出一个横摇周期内最后稳定横摇临界角对应的时间历程,求解横摇运动固有周期。考虑两种横摇阻尼情况,计算不同初始横摇角、横摇下沉位移、张力腱长度、平台重量和横摇阻尼的横摇固有周期,论证了平台设计参数对横摇固有周期的影响。该计算模型克服了从结构角度计算固有周期工作量大、计算周期长、计算结果不可靠的弱点,使横摇固有周期计算简单、有效。通过与不考虑横摇阻尼的情况对比,分析了横摇阻尼对横摇固有周期的影响。可以快速计算处于设计阶段或者已服役张力腿平台横摇固有周期。结合一型设计中的张力腿平台,应用文中提出的横摇固有周期计算模型对该平台进行了横摇固有周期的计算,并且分析了平台参数对横摇固有周期的影响。结果表明该方法可以对张力腿平台横摇固有周期进行快速计算。并可推广应用于其它海上结构物的横摇固有周期计算。     

船舶微过热蒸汽发生系统供汽性能研究

为提高船舶微过热蒸汽发生系统的稳定性和优化微过热系统性能参数,探析稳态、动态工况下微过热蒸汽发生系统供汽响应特性。本文以船舶微过热蒸汽发生系统为机理模型,采用 CFD模拟方法计算了微过热蒸汽发生系统速度场、压力场和温度场的稳态分布规律,引入实际微过热蒸汽系统运行参数作为边界条件,开展微过热蒸汽发生系统供汽性能动态研究,得到过热蒸汽掺混流量、饱和蒸汽掺混流量、微过热蒸汽压力和温度等关键性能参数的动态变化规律,并提出微过热蒸汽掺混因子,定量表征微过热蒸汽系统掺混特性及其对蒸汽温度影响规律。计算结果显示,在微过热蒸汽供汽过程中,饱和蒸汽系统管路压降大于过热蒸汽压降,微过热蒸汽压力不断降低,过热蒸汽和饱和蒸汽掺混流量增大,促使蒸汽掺混因子减小,导致微过热蒸汽温度略有降低。基于微过热供汽性能参数的分析,说明船舶微过热蒸汽发生系统供汽响应方案满足用汽设备的要求,可用于船舶蒸汽动力系统的设计。     

冷却液舱内水下气体射流的数值模拟

本文采用数值模拟方法,对高温高压饱和蒸汽通过管道,输送到船用冷却液舱内出现的射流现象进行了研究。基于VOF多相流模型和RNG湍流模型,建立气、液两相流动数学模型,利用Fluent模拟了气体通过管路喷射到液舱内的全过程,同时考虑了气、液两相间的相互转化,得到了液舱内及管路内流场压力变化特性。     

油船强迫横摇试验及分析研究

采用自制的横摇试验设备和控制系统,进行油船船模在三种横摇幅值下的强迫横摇试验,横摇试验周期为0.8~20 s,全方位探究零航速不同横摇周期时强迫横摇力矩以及力矩和运动之间相位的变化规律。试验发现,随横摇周期的增大,横摇力矩先减小,试验周期到达横摇固有周期附近时横摇力矩最小,之后横摇力矩逐渐增大,当横摇周期很长,船舶横摇缓慢,此时横摇力矩基本保持不变;同一横摇周期和不同横摇幅值下,横摇力矩与横摇幅值成倍数关系。随着横摇周期的减小,附加惯量成线性增加,横摇阻尼非线性明显,并随横摇幅值的增加而增大。     

剪切流对水平轴潮流能水轮机水动力性能影响

为了研究剪切流下潮流能水平轴水轮机水动力载荷特性,本文基于CFD方法,建立剪切流模型,计算了剪切流下水平轴水轮机的水动力载荷,并分析得出剪切率对水动力载荷的影响规律。结果表明：剪切流情况下,水动力载荷系数时历曲线发生明显波动,除弯矩系数的波动频率和叶轮旋转频率一致外,其他系数的波动频率均是叶轮旋转频率的2倍,且剪切率越大,水动力载荷系数的波动幅值就越大;随着速比增大,弯矩系数的波动幅值逐渐增加,而侧向力系数波动幅值先增加再减小,在最优速比左右达到最大值。研究成果可为潮流能水平轴水轮机的结构设计和性能优化提供依据。     

湍流边界层脉动压力对声强测量的影响研究

实际声强测量时常常存在风流或水流,如在飞机或船舶上进行测量,声强探头将受到湍流边界层脉动压力的影响。如何评估该影响以及如何修正测量结果是人们十分关心的工程实用问题。该文首先简要介绍了建立的由湍流边界层脉动压力诱发声强的理论模型。接着利用现有的湍流边界层脉动压力频率-波数谱模型,对湍流边界层脉动压力及其诱发的声强进行了数值分析。为了验证理论模型及数值结果,设计制作了一套实验装置,对湍流边界层脉动压力及其产生的声强进行了具体测量分析。结果表明,湍流边界层脉动压力的测量结果与数值结果吻合良好,测量得到的边界层脉动压力诱发的声强特性与计算结果也十分一致,但必须注意对测量传感器的空间响应进行修正。