技术 | 鱼雷发动机冷却系统CFD仿真解决方案

2017-03-25 by:CAE仿真在线来源:互联网

背景

1.1.高温蒸发

发动机燃气温度近1000K,在喷口速度很高,接近2个马赫数,为了快速冷却,采用水流侧面冲击高温高压燃气,水流快速蒸发达到快速冷却高温燃气的效果,使得出口温度迅速降低,以免高温燃气烧坏喷管及相关部件。这种冷却措施在鱼雷发动机中应用较多,同时影响也比较大。

鱼雷原理图

1.2.低温冷却

鱼雷闭式循环动力系统不向雷外作任何排放,完全无尾迹, 能适应大深度航行, 不受背压影响,是未来鱼雷动力发展的方向之一。鱼雷闭式循环动力系统一般以过热蒸汽为工质驱动发动机做功。由于系统与外界无物质交换, 做功后的乏汽必须经冷凝装置冷凝成水后才能供给系统作为循环工质使用。由于鱼雷外形和空间的限制, 壳体冷凝器必须与鱼雷壳体制成一体, 利用鱼雷壳体外表面与雷外海水进行热交换, 达到冷凝汽轮机乏汽的目的。壳体冷凝器在闭式循环动力系统中起着冷源的作用, 其功能是利用鱼雷壳体外部海水对汽轮机的乏汽进行冷却, 使水蒸汽凝结变成可重复使用的液态水。壳体冷凝器工作性能的好坏直接影响到闭式循环动力系统的热经济性和运行可靠性。

鱼雷冷凝换热器用于将高温高压蒸气凝结为低温的水,该换热器内部蒸汽流动中出现的冷凝过程属于相变换热,并且随着换热的进行和流动状态的改变,内部的流动会出现各种不同的流型,这一流动换热过程使用传统的工程方法难以精确评估。

技术难点

2.1.高温蒸发

1) CFD软件传统DPM模型无法考虑高密度水流掺混、液面蒸发效应,必须采用欧拉多相流才能反应真实流态;

2) 欧拉多相流要同时考虑可压缩流动+相变,计算收敛性和难度大;

3) CFD软件的热相变模型对于高温、高速下的蒸发效应模拟需要进行实验修正,调节因子进行多工况的验证,最终确定合理参数。

2.2.低温冷却

1) CFD软件中的热相变模型+欧拉多相流无法考虑高温蒸汽在螺旋通道中完全冷却为液态过程;

2) 需要经验模型模拟水蒸气完全凝结的过程;

解决方案

3.1.高温蒸发

由于发动机内部燃气冷却是靠喷注水流,让水流和高温燃气充分掺混后蒸发导致的冷却过程,这和壁面沸腾机制不同,比较适合采用修正LEE模型或热相变模型来处理。

不同的沸腾机制

高温壁面下的蒸发过程

对比验证修正的LEE模型和热相变模型差异:

LEE模型理论公式

热相变模型理论

热相变模型计算的水在高温壁面下的蒸发组分分布

采用LEE模型通过施加传热传质源项获得的组分分布

鱼雷发动机冷却系统基于施加传热传质源项在CFX中采用修正LEE模型试算如下:

环壁入射水流组分剖面分布

气相温度分布

水蒸气组分分布

马赫数分布剖面云图

静压分布云图

技术 | 鱼雷发动机冷却系统CFD仿真解决方案ansys workbanch图片15

计算收敛曲线

3.2.低温冷却

由于鱼雷冷凝器结构复杂,通道非常多,如果全通道模拟相变过程,会导致网格规模很大,采用CFX计算代价较高。为了快速模拟,通过对单通道冷凝特性的模拟,可以基于单通道计算出换热性能,然后对其它通道近似处理,可以采用一维流体换热仿真软件实现一维Flownex和三维CFX计算结果换热过程的耦合计算实现全通道换热性能模拟。

安世亚太公司新引进的一维热仿真软件Flownex可以实现复杂系统级换热和相变的计算。Flownex是一个集成了CFD程序的管网系统设计软件,主要用于模拟、设计和优化复杂的热流系统。Flownex可以准确、快速和高效的模拟复杂的热流动环境以及简单的流体控制系统,能帮助工程师提高工作效率。Flownex具有强大的仿真能力,可计算气体、液体、气体混合物以及均匀两相流的流动;能模拟分析快速变化及慢速变化的动态过程;能够计算流体和固体间的热交换,包括壅塞现象、自然对流和焦耳加热等;通过建立子系统来模拟复杂的系统;具有强大的用户图形界面和输出能力,能与Ansys、MATLAB、Simulink以及Labview等软件进行方便的数据交换。Flownex在核工业、航空航天、能源电力系统、石油化工以及暖通空调等方面均有广泛的应用。

强大的输入输出功能

Flownex能与Ansys、MATLAB、Simulink以及Labview等软件进行方便的数据交换。Flownex具备完善的可视化后处理功能,能方便的进行2D/3D结果显示。图11为Flownex软件与Ansys软件交互计算模型,Ansys软件计算得到的数据文件可以作为Flownex元件,Flownex进一步计算整个网络系统的参数。