低频脉动强化换热实验研究

鉴于脉动强化换热技术在提高船舶设备换热性能及除垢等方面具有广泛的应用前景,本文针对低频脉动流进行强化换热研究。实验在板式换热器冷却水端上游加入以电磁阀为脉动源的脉动流,以强化换热比表征换热效果,并改变脉动流的雷诺数、脉动频率、脉动振幅,探究各脉动参数与强化换热效果之间的关系。实验结果表明,脉动流具有强化换热效果,其强化换热能力与流体流动状态、脉动频率等因素有关;在某些工况下,脉动流会导致弱化换热。     

船用板式换热器的脉动流强化换热研究

针对板式换热器效率低和易结垢等问题，采用脉动流强化板式换热器。利用数值模拟的方法对脉动流场下板式换热器通道内流体的流动和换热特性进行分析研究，并采用相关试验数据对数值模拟结果进行验证。研究结果表明：船用板式换热器的总传热系数随着质量流量的增加而增加，而强化换热因子则表现为先增加后减小的状态，各脉动频率下的强化换热因子均大于1.000，其最大值为1.258，这表明脉动流的加入有利于提高板式换热器的强化换热效果。同时，利用自主设计的试验台，将试验结果与模拟的努谢尔特数和压降进行对比分析，发现其表现出一致的规律性，最大偏差分别为12%和10.6%。研究结果可为脉动流强化换热的工程应用提供重要参考。     

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%。     

脉冲来流和激波作用下的涡轮流场

船用柴油机的工作特点使得废气涡轮增压器的进口气流出现周期性脉动特征，在脉冲来流和激波作用下涡轮的流场呈现复杂的非定常性。采用数值计算方法研究涡轮内激波的发展过程以及脉冲振幅和频率对涡轮性能的影响，结果表明：在脉冲振幅增大时，涡轮转静交界面附近的流动损失经历了尾迹、附面层、激波依次占主导的变化过程；当脉冲系数增大为0.7时，涡轮效率相比均匀来流降低了13.2%；在脉冲频率增大到15Hz时，叶轮叶片50%叶高处的时均载荷分布趋近于均匀来流，涡轮效率下降了7.4%。可见，脉冲振幅和频率的增大加剧了流动损失，进而导致涡轮效率降低。     

船用板式换热器混合板片热力性能实验研究

以人字形板式换热器板片为研究对象,测试单相流体在三种不同组合方式的板式换热器中的换热特性和阻力特性并对此进行比较,得出三种组合方式的优劣。实验结果表明:随着波纹角度的增加,板式换热器的阻力特性不断升高,换热性能则先增加再逐渐下降。综合板式换热器流动换热特性随流速的变化规律,小波纹倾角模型换热效果最差,但其压损最小;大波纹倾角模型换热效果最好,同时压力损失最大;混合板片模型换热效果和压降都介于小波纹倾角模型和大波纹倾角模型中间。     

压力式喷嘴在压力脉动下性能的研究

以机械压力喷嘴为研究对象,应用VOF模型对脉动压力下的喷嘴内部流场进行了数值模拟,分析了喷嘴在脉动压力下的流量、雾化角等特性。结果表明：脉动压力下瞬时流量和雾化角呈现相同频率的脉动,且平均流量基本在设计流量附近。流量的振幅随脉动频率的变化,呈现出先增大后减小的趋势,并在400Hz时达到最大值;入口压力与出口流量的相位差随频率的增大而增加,且近乎线性关系,脉动压力的幅值对相位差影响不大。     

不同攻角时等高型陷落腔流激振荡特性研究

针对均匀流场中三维等高型陷落腔因分离流而产生的流激振荡问题开展了系列的实验研究。实验过程中分别考虑了来流攻角为0°和15°时、雷诺数变化范围(Re=2.06.105～1.16.106)时三维等高型陷落腔的流激振荡特性。实验中分别测量了三维腔体侧壁周向及垂向流体压力,在分析腔体内稳态压力和脉动压力的周向、垂向分布规律及腔口剪切层自持振荡特性的基础上,研究了攻角对流体压力分布和剪切层振荡频率特性的影响。实验结果表明:均匀流场中三维陷落腔内部压力分布复杂且当雷诺数大于某值时腔体内稳态压力全都呈现出负压,同时来流攻角的增加使腔口导边、随边和腔体内稳态压力明显地减小,顶流点处的稳态压力随相对高度增加先减小后增大。攻角的增加使剪切层振荡频率减小,但并未影响剪切层振频无量纲St数随流速的变化规律。     

隔膜增压装置冷却系统强化换热模拟实验

为实现流体自身脉动过程中脉动速度的提升,从而提高能量效率,避免强制脉动源中大功率脉动发生装置的使用,设计开发一种带有脉动增压功能的隔膜增压装置换热装置,开展使用隔膜增压装置对船舶冷却系统脉动换热强化作用的实验。结果表明,隔膜增压装置提供的增压效果有利于强化脉动换热;隔膜增压装置对脉动系统增加的压力越大,脉动换热效果越好;实验中存在最佳的脉动频率值f_2=1.70 Hz使脉动系统增压后强化换热效率达到最大值。     

基于声学有限元的喷水推进器流道声传播特性研究

喷水推进器进口流道、推进泵泵壳和喷口构成了一个复杂曲面过流流道,文章针对该流道结构的声传播特性问题,研究了用于声场计算与分析的声学有限元法,并进行了仿真实验。文中建立了喷水推进流道的声学有限元模型,在COMSOL环境中仿真分析了偶极子声源在某型喷水推进器流道中的声传播特性。仿真结果表明：受流道截止频率影响,315 Hz频率附近的噪声不能向进口流道入口方向传播,而在喷口处呈现较高的辐射噪声级;5 kHz频率以下,传递损失有随频率增加而逐渐减小的趋势,但随着频率升高,传递损失有逐渐增加的趋势。     

大雷诺数下桩基局部流场及阻力系数分析

本文利用计算流体力学软件,对粘性不可压缩流体的桩基绕流进行了三维数值模拟,采用有限体积法和PISO算法,通过三维k-ε湍流数学模型,模拟雷诺数在超临界区内的绕流流动,并计算了流体的水动力特性。计算结果表明:大雷诺数时桩基周围的流动具有明显的三维特性,当Sr=0.27附近时,桩基会出现涡街,此时桩基会出现较大的横向力。在超临界区内,随着雷诺数的增加阻力系数先快速增大而后当雷诺数接近7.5e~6时增速开始放缓,C_D值最终稳定在0.85左右。     

船用板式换热器混合板片数值分析研究

通过Fluent数值模拟研究了由船用板式换热器不同人字形波纹板片组成的三种模型内部流场及换热过程,得到了压力损失ΔP、平均Nu数随流速的变化情况。分析了不同流速下,三种模型的人字形波纹板式换热器板片的流动和换热特性,并用相关实验数据对数值模拟结果进行了验证。研究结果表明:流速相同时,H-H模型Nu和ΔP值最大,V-V模型Nu和ΔP值最小,V-H模型Nu和ΔP值大小均介于两者之间。Nu和ΔP的数值分别是换热性能及阻力特性的度量。V-H模型以部分换热性能的损失获得了阻力特性的改善。Fluent模拟结果与实验结果一致。     

三维陷落腔脉动压力分布特性实验研究

文章针对均匀流场中三维深型陷落腔因流分离而产生的流激振荡问题开展了一系列的实验研究.在来流流速为0攻角时实验时的雷诺数变化范围:Re=1.55×105～8.74×105.实验中分别测量了三维深型陷落腔侧壁周向及垂向流体压力,分析了腔体内脉动压力周向、垂向的分布规律及腔口处剪切层自持振荡特性.实验结果表明:均匀流场中三维深型陷落腔内脉动压力分布较为复杂.在剪切层随边处的脉动压力最大,随边角点处脉动压力随相对高度的增加而陡降为0,但腔口导边及侧面处的脉动压力随相对高度增加而略有增大.剪切层自持振荡频率的无量纲数St数随Re变化为一常数值,但其值比气流场中二维陷落腔的St数略大.     

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。     

船用离心泵压力脉动与振动信号的相干分析研究

非定常流动是引起泵振动的主要因素之一,为了明确压力脉动与振动之间的关联关系,搭建了闭式实验系统,对一台船用离心泵进行压力脉动和振动的同步测量。基于快速傅里叶变换获得了各监测点压力脉动、基脚振动信号的频谱特性及功率谱特性;通过计算压力脉动信号与振动信号的相干函数,并通过比较不同测点的相干系数大小,分析了压力脉动对振动的贡献。结果表明,压力脉动与振动均在轴频、叶频及其高次谐波等离散频率下能量突出;不同频率下各测点的压力脉动对泵振动的影响存在差异,其中进口压力脉动在600-700Hz及900-1000Hz频段对振动影响最大;隔舌压力脉动在0-600Hz及700-900Hz频段对振动影响最大;出口压力脉动在轴频的高次谐波等个别频率处对振动有一定影响。相干分析可作为建立压力脉动与振动信号之间关联关系的一种有效手段,由此为进一步离心泵内部流场改善及减振提供参考。     

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。     

一种软开关斩波器低频段传导干扰建模仿真

本文基于实验测量的器件参数及系统寄生参数,建立了挂接在直流电网的一个软关断斩波器的Simulink传导干扰分析模型,通过时域Simulink仿真得到系统的LISN输出电压波形及低频段(0~150 k Hz)传导干扰计算结果,与实测结果比较吻合。研究发现总传导干扰呈现为在开关频率整数倍处出现较大值的规律,总体趋势是传导干扰自30 k Hz起随频率增加而增加。而差模干扰随频率增大而减小,共模干扰随频率增大而增大。故可认为该系统的主要传导干扰是共模干扰。     

船用滑油冷却器运行性能分析及流致振动研究

为研究船用滑油冷却器流致振动和微振磨损问题,清晰滑油冷却器易发生振动破损的薄弱部位。建立滑油冷却器壳侧及管侧的三维计算模型,采用流固耦合计算方法计算滑油冷却器壳侧滑油和管侧冷却水的耦合压力场、耦合流速场及耦合温度场,获得压力、流速、温度等关键运行参数的分布规律,基于管壳式换热器流致振动的诱发机理,揭示与流致振动密切相关的壳侧流体流动能量分布规律。由于滑油横向冲刷换热管束,促使壳侧流体掺混剧烈,导致壳侧流体压力场和速度场剧烈脉动,温度场不均匀分布,壳侧对流传热系数呈先降低再快速升高变化规律。根据滑油流动能量分布图谱,判定滑油冷却器进、出口区域的换热管束承受流致振动破损较为严重,其中进口区域换热管承受流致振动破损最严重。     

船用滑动轴承冷却性能数值仿真与实验研究

滑动轴承是船舶推进系统的重要组成部件,开展滑动轴承工作性能研究对保证船舶正常运行具有非常重要的意义。本文以某型滑动轴承为研究对象,分别建立滑动轴承冷却盘管流动与换热数值模型以及轴瓦流体润滑数值模型。基于UDF技术将流体润滑模型所得到的轴承摩擦热作为边界条件施加在盘管换热器传热模型中,建立滑动轴承冷却盘管流体传热与滑动轴承轴瓦流体润滑耦合数值模型。基于该耦合模型,对标定转速工况下盘管式换热器换热性能进行分析,并与实验数据进行对比。研究结果表明,所建立的滑动轴承流体换热与流体润滑耦合模型具有较好的计算精度,该盘管式换热系统满足设计要求。     

船用舱底水转子泵流体激振力数值计算

非稳态流动激励是船用舱底水转子泵振动的关键问题,分析转子泵在转驳系统运转时的流体激振力特性,对于增强船舶舒适性具有重要意义。以转子泵凸轮转子为研究对象,基于Fluent动网格模拟方法进行流场分析,开展瞬态时间步加载数值计算,获得了流量脉动曲线。以转子泵泵壳为研究对象,基于Fluent泵壳受力监测,开展了3个方向受力随时间步的分析,获得了一周期内3方向的泵壳激振力变化曲线。研究结果表明：1）转子泵的流体激振力主要集中在泵壳底座垂直方向与水平方向上,其水平方向上受力平均值和标准差最大;2）转子泵与底座垂直方向的激振力主要频率点为136Hz,水平方向激振力主要频率点为91 Hz,均为低频段。     

海上风电场桩基的水动力特性

海上风力发电机对风电场水域的水动力特性等有重要影响,基于Open FOAM软件,采用改进的RANS模型对单圆柱的流动特性进行二维数值模拟。在不同雷诺数条件下模拟圆柱绕流,并对升阻力系数和流场进行分析。结果表明:圆柱绕流阻力系数的变化基本上表现为陡然增大和骤然减小,且周期性不明显;不同雷诺数下的阻力系数的变化规律相似,且振幅基本上相同;升力系数在0附近周期性波动,幅值不是很稳定,不同雷诺数条件下的幅值变化规律不同,变化范围相同;不同时刻圆柱对水流特性的影响不同,风机基础和该结构前端的尾流结构均与时间有关。