技術 | 魚雷發動機冷卻系統CFD仿真解決方案

2017-03-25 by:CAE仿真在線來源:互聯網

背景

1.1.高溫蒸發

發動機燃氣溫度近1000K,在噴口速度很高,接近2個馬赫數,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

魚雷閉式循環動力系統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,是未來魚雷動力發展的方向之一。魚雷閉式循環動力系統一般以過熱蒸汽為工質驅動發動機做功。由于系統與外界無物質交換, 做功后的乏汽必須經冷凝裝置冷凝成水后才能供給系統作為循環工質使用。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動力系統中起著冷源的作用, 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水。殼體冷凝器工作性能的好壞直接影響到閉式循環動力系統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的改變,內部的流動會出現各種不同的流型,這一流動換熱過程使用傳統的工程方法難以精確評估。

技術難點

2.1.高溫蒸發

1) CFD軟件傳統DPM模型無法考慮高密度水流摻混、液面蒸發效應,必須采用歐拉多相流才能反應真實流態;

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、高速下的蒸發效應模擬需要進行實驗修正,調節因子進行多工況的驗證,最終確定合理參數。

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過程;

2) 需要經驗模型模擬水蒸氣完全凝結的過程;

解決方案

3.1.高溫蒸發

由于發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

魚雷發動機冷卻系統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

馬赫數分布剖面云圖

靜壓分布云圖

技術 | 魚雷發動機冷卻系統CFD仿真解決方案ansys workbanch圖片15

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一維Flownex和三維CFX計算結果換熱過程的耦合計算實現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可以實現復雜系統級換熱和相變的計算。Flownex是一個集成了CFD程序的管網系統設計軟件,主要用于模擬、設計和優化復雜的熱流系統。Flownex可以準確、快速和高效的模擬復雜的熱流動環境以及簡單的流體控制系統,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過程;能夠計算流體和固體間的熱交換,包括壅塞現象、自然對流和焦耳加熱等;通過建立子系統來模擬復雜的系統;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據交換。Flownex在核工業、航空航天、能源電力系統、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軟件計算得到的數據文件可以作為Flownex元件,Flownex進一步計算整個網絡系統的參數。