海水-冰晶两相流非等温流动及传热研究

船舶在冰区航行时,存在冰晶颗粒混合海水流入船舶冷却系统现象。基于颗粒动力学理论,建立适用于海水-冰晶两相流的欧拉-欧拉双流体模型,耦合相间传热传质模型对海水-冰晶两相流在水平直管内流动及传热特性数值模拟。研究表明,冰晶颗粒流动过程中,在管道上部位置R=8~10mm处冰晶体积分数达到最大值,且随着速度增加而增大；当入口含冰率(IPF)为4%时,冰晶速度的最大值出现在管道中心轴线上方。当入口速度为1.0~3.0 m·s-1，含冰率4%~30%时，局部传热系数随入口速度及含冰率增大而增加。     

海水-冰晶在极地船换热器中的相变模拟研究

近年来,随着北极海冰面积的减少,为商船在北极的通航提供了条件。与传统通道不同,北极航道存在大量的冰区,在通航时,冰粒可能与海水一起进入极地船的海水冷却系统。在本研究中,用欧拉-欧拉多相模型和相间传热传质模型研究壳管式换热器直管和U管中海水冰晶的固液两相流和相变特性。得出在直管中冰晶颗粒主要集中在主流区,流动模式为悬浮,并且随着入口速度的增加,冰晶颗粒的融化特性加强。在U管中,由于离心力的作用,管角内壁附近的海水和冰晶颗粒会流向外壁,并随着速度的增加,效果更加明显。在进口速度相同的情况下,U管中有更多的冰粒融化,并且融化的冰晶颗粒量随入口速度的增加而增加。     

船舶内燃机工作过程中颗粒横向迁移的实验研究

为了研究船舶内燃机工作过程中颗粒浓度的再分布问题，本文对层流流动中单个颗粒横向迁移的动力学机理进行了实验研究。采用自行研制的“CCD颗粒轨迹记录装置”记录了层流圆管入口段中单个颗粒的运动轨迹。实验表明，当颗粒超前于当地流体速度时，向管壁迁移；落后于当地流作速度时，向管心迁移。实验结果与理论分析一致。     

海底水力输矿管固液两相流的数值模拟

传统的固液两相流数值模拟方法是将固体颗粒(和液体)作为高密度的液体流处理,这只适用于固体颗粒非常细小的情况如粮食输送、泥沙输送等。对海底采矿的水力输送问题,由于固体颗粒相对于水粒子非常庞大,再作为传统的固液两相流处理不科学。本文对矿石颗粒采用离散元方法、对水粒子采用Fluent方法,并将两者耦合进行固、液耦合流在竖向弯管的流动特性研究,考察了不同入口流速下流体的运动规律和矿石颗粒的运动规律和分布规律。结果表明：由于矿石颗粒堆积在管道底部,导致管道内顶部的水流速度大,底部的水流速度小；随着水流速度的降低,矿石颗粒的堆积效果也更加明显；同时存在某一特定速度,使得其开采效率达到最大。     

超临界LNG在新型船用换热器冷通道内流动换热特性研究

本文在新型换热器冷通道内,对超临界状态下LNG的对流换热过程进行数值模拟,分别研究入口温度、入口质量流量和壁面热流密度对超临界甲烷流动与换热特性的影响,提出一种在直通道中加入凹槽结构的强化换热模型。首先采用Ansys Space Claim对换热通道进行几何建模,再使用Siemens STAR-CCM+仿真软件对模型进行网格划分和求解。研究发现：局部对流换热系数随着入口温度的升高有所降低,努塞尔数变化趋势与局部对流换热系数变化趋势大致相同,在斜通道内,超临界LNG具有更好的换热性能;当通道入口质量流量和壁面热流密度增加时,局部对流换热系数也随之增大;凹槽结构对换热器换热性能有较大的提升,对综合性能的提升较小。     

水下爆炸冲击对船舶艉轴架轴承响应特性的影响分析

应用Ansys/LS-dyna有限元软件,建立了水下爆炸冲击作用下的船舶艉轴架轴承仿真模型,研究水下爆炸冲击对船舶艉轴架轴承响应特性的影响,计算得到在不同的炸药当量和爆点位置下船舶艉轴架轴承的位移、应力和速度等响应特性。结果表明:随着炸药当量的增加,艉轴架轴承的位移、应力和速度等响应峰值也会线性增加;当爆心在横向远离艉轴架轴承时,轴承的位移响应峰值先增大后减小;当爆心在纵向时远离轴承时,轴承的位移、应力和速度等响应峰值则基本呈现线性下降趋势。     

水体流动时船舶航行横向受力数值模拟研究

针对传统船舶航行横向受力数值模拟存在误差的问题,提出基于水体流动的船舶航行横向受力数值模拟研究。通过设定海水湍流速度的分布,确定港口入口水流速度边界条件。通过划分船体底层表面区域来保证船舶底层表面光滑,确定船体底层表面光滑程度边界条件。结合模拟区域风向和风力边界条件,确定船舶航行横向受力边界条件。通过船舶航行横向受力数值模拟流程设计,实现了基于水体流动的船舶航行横向受力数值模拟。仿真结果证明,相比基于数据分析理论数值模拟方法,该方法船舶航行横向受力的数值模拟误差缩小了16.18 N,为船舶航行横向受力数值模拟提供了有利的科学依据。     

船舶发电柴油机冷却腔内沸腾两相流数值模型研究

现代船舶发电柴油机冷却系统设计趋势朝着小型化、整凑型发展,沸腾传热因高效换热能力而备受关注。本文以CFX欧拉双流体模型为基础,通过CCL语句添加用户自定义程序实现对低压系统时矩形通道内过冷流动沸腾的数值模拟。采用Kurul和Anglart修正的过冷度线性关系描述气泡直径;通过改进封闭方程以及经验式,进而改善模型计算收敛性和精度,对不同流动参数下矩形通道内过冷沸腾两相流进行实验与计算对比。计算结果表明随着壁面热流的增加气相体积分数增加;通道质量流量增加气相体积分数下降。该数值模型的建立可为真实船舶发电柴油机冷却水腔沸腾两相流分析奠定基础。     

不同工况下喷水推进泵内流性能研究

为研究不同工况下喷水推进泵的内流性能,以轴流式喷水推进泵为研究对象,运用Ansys18.2流体计算软件模拟了不同转速和不同航速下喷水推进泵内的内流场,分析了喷水推进泵的转速和航速变化对其能量特性和内部流动的影响.数值计算结果表明:喷水推进泵的推力与航速呈负相关,与转速呈正相关;随着船舶航速的增大,喷水推进泵进水流道内的流速逐渐增大,叶轮进口速度的高速区面积有所增大,导叶出口速度分布的周期性逐渐减弱;随着转速的增加,叶轮进口处更容易发生空化,导叶出口压力上升,速度增大;喷水推进泵进水流道的唇部区域存在小范围的高压区,且航速越高,转速越低,该区域面积越大.     

冰载荷对加筋板轴向压缩极限强度的影响

船舶在冰区航行时,将遭受浮冰的挤压,船舷侧部位的加筋板会受到冰载荷的作用。以单筋单跨加筋板为研究对象,采用非线性有限元法对冰载荷下加筋板轴向压缩极限强度进行分析。研究冰载荷的大小、加载区域面积和加载区域位置的不同对极限强度的影响规律。结果表明,冰载荷大小一定,冰载荷作用区域面积逐渐增加时,加筋板的轴向压缩极限强度随着面积的增加基本呈线性增加。冰载荷作用区域位置距离加筋板中心点距离逐渐增加时,加筋板的轴向压缩极限强度逐渐增加,且随着相对距离的增加,对加筋板轴向压缩极限强度的影响越来越大。这些结果可用于指导冰区船舶结构的设计以及维护。     

半球形结构对船用板式换热器性能的影响

设计一系列内置不同尺寸半球形凹坑结构的V字形板式换热器板片,利用ANSYS FLUENT软件探究各型板片的换热性能。数值模拟结果表明：加入半球形凹坑结构能使换热器触点周围高速流动区域流体的流动更均匀,并明显增大较宽流道区域内流体的流动速度,提升换热器的换热性能;随着结构尺寸增加,半球形结构内部流体的流动更剧烈,流道内流体受到的扰动作用更强,流道内的温度场、速度场和压力场的增幅越来越大。综合考虑扰流结构对传热效果的提升作用和摩擦因子的增加发现,Ⅳ型板片（凹坑半径为3 mm）的传热效果最佳,与传统板片相比,其传热效率提高24%。     

基于软翅振动稀相气固两相流动特性分析

针对安装软翅模型的水平管气力输送气固两相流流动特性进行了数值分析.以软翅振动频率为主要变量,通过Fluent-Profile功能编写自激振荡流程序进行二次开发,并利用离散相模型(DPM)对气相速度矢量图、物料入口的颗粒路径、加速区颗粒速度矢量及稳定区的颗粒浓度分布进行定性分析.结果表明:安装软翅模型时,在软翅模型附近位置产生涡流,改变了气相流动方向,使加速区粒子得到了悬浮和加速.     

船舶碰撞过程船体表面动力学数值仿真

为保障船舶航运安全,研究船舶碰撞过程船体表面动力学数值仿真方法.考虑船舶的尺寸参数与材料性能参数,选取随动强化模型仿真船舶材料构建船舶有限元模型;设置碰撞速度、角度与位置,材料属性,接触力、摩擦力以及水流对船体的影响等参数,采用Ansys有限元软件内的显示动力学模块求解船舶碰撞过程船体表面动力学方程与能耗耗散方程.结果...     

不同海况下风浪对船舶排气扩散的影响研究

针对船舶航行过程中污染气体的排放和再吸入问题。基于开源CFD代码OpenFOAM，采用内外场混合算法模拟船舶在不规则波浪中的运动，采用多组分气体扩散模型模拟风口气体的排放与扩散，将两者相结合对船舶在波浪中航行时的气体扩散进行数值仿真。在固定船舶排风口排气速度、新风入口进气速度以及船舶航速的前提下，分别模拟了四、六、九级海况下的船舶航行运动，研究了不同海况及风速下船舶运动对排气口气体浓度扩散所产生的影响，以及对新风入口处气体再吸入率的作用。     

雷电先导放电通道内电场和电荷的分布特征

针对自然雷电观测数据在先导放电通道内部电特性方面存在的欠缺,基于雷电先导放电与长间隙电弧放电之间的类似性,对雷电先导放电通道内轴向电场和电荷密度的分布情况进行了理论研究。结果表明:先导通道内任意一点的轴向电场均会在其形成后随着时间按近似指数规律衰减,直至达到一个稳态值。对于稳定的先导段,可近似认为其内部的轴向电场是一个恒定量。先导通道内的电荷密度基本上由先导的起始端至头部逐渐增大,在先导的头部附近达到最大值。注入到先导通道内的电荷总量则会随着先导长度的增加而不断增大,且增长的速度也会逐渐加快。     

船舶管道过滤器过滤特性的数值模拟

为了研究过滤速度和颗粒流量对船舶管道过滤器的过滤器进出口压差和过滤效率的影响,针对不同工况条件,运用计算流体力学中DPM离散相模型对过滤颗粒和边界条件进行设置,对过滤器内部压力场、速度场和颗粒流进行了数值模拟计算,并与试验结果进行对比。结果表明,仿真结果与试验结果吻合度较高,过滤器的进出口压差随着水流流速的增加而增加,过滤器最佳过滤速度应控制在1.8 m/s左右;过滤器滤网与出水口接管处速度波动最大;在0.0001kg/s的颗粒流量下,过滤效率最高为60.22%;过滤效率随水流流速、颗粒流量的增加而增加,过滤效率增加效果不明显。     

船用燃气轮机进气滤清器冲蚀行为研究

冲蚀磨损是引起船用进气滤清器材料损坏的重要原因之一。针对滤清器的冲蚀行为,基于Finnie冲蚀模型分析了入口空气流速、杂质颗粒质量流量、粒径及结构参数对冲蚀速率的影响。结果表明,滤清器弯折角处最易发生冲蚀磨损,可通过改变局部材料耐磨性能来提高滤清器的耐冲蚀能力;在颗粒质量流量以及粒径一定的情况下,冲蚀速率与入口空气流速的平方成正比;在相同的空气流速下,对于等粒径杂质颗粒,冲蚀速率随质量流量线性增加;粒径对冲蚀速度的影响较为复杂,在空气流速和颗粒质量流量一定时,冲蚀速率随着粒径的增加而急剧下降,但当颗粒粒径大于200μm时,粒径对冲蚀速度影响变小。     

疏浚工程爬坡管内单分散泥浆输送特性数值模拟

基于颗粒动力学理论的两相流欧拉双流体模型,建立可模拟不同爬坡高度(3. 6～5. 0 m)。不同输送速度(5. 0～6. 8 m/s)及不同泥浆浓度(20%～30%)的等温流动过程的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型,得出疏浚工程中爬坡管内泥浆水力输送流动及阻力特性。研究表明:泥浆在爬坡管中进行输送时其局部阻力系数随着狄恩数减小及爬坡高度上升而增加,且与爬坡高度间成近似线性关系;输送时弯头处最大速度区域由内侧移至外侧,各截面内的颗粒体积分数在垂直和水平方向均表现出梯度;输送过程中存在二次流现象,且泥浆体积分数变化与二次流涡流规律一致,二次流强度随着流速、爬坡高度及泥浆浓度增加而变强。当浓度增大到一定程度时,重力因素超越二次流影响成为主导作用,使流动恢复为直管中充分发展态。     

船用蒸馏海水淡化装置二级引射器数值模拟与试验

船用蒸馏海水淡化系统常采用单吸口引射器将蒸馏器内的浓海水和不凝性气体一同抽出,使得蒸发器和冷凝器间因压差不足而抑制蒸汽流动,造成产水率下降。二级双吸口引射器可分别抽吸不凝性气体和浓海水以消除此类影响。直接影响引射器内真空度的因素为喷嘴尺寸与工作流体入口压力。文章针对引射器两级喷嘴尺寸对引射真空度进行影响试验,得到最佳喷嘴尺寸组合为一级喷嘴直径15 mm、二级喷嘴直径18 mm。在最佳喷嘴组合下,运用Fluent软件对不同工作流体入口压力下引射器内的速度场和压力场进行数值模拟。结果表明,当工作流体压力为0.34 MPa时,引射器效率最高,节能性最好,验证试验与模拟结果较吻合。     

锯齿型翅片流动均匀性数值分析

作为舰船保障系统的一部分,舰船空调的强化换热具有重要意义。板翅式换热器层间翅片通道流动不均匀直接影响换热器的换热效率,本文以锯齿型翅片为例,研究了在不同入口雷诺数情况下,不同的入口流动不均匀条件对锯齿型翅片流动的影响。研究结果表明:当入口有±25%的整体不均匀时,在流动方向上经过5个翅片几何周期后通道流动整体均匀性小于5%,基本上达到均匀流动,同时通道流动的不均匀对压降影响不大。