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船用排气系统引射问题数值计算与实验研究

作　者: 谈立成
导　师: 苏明
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 船舶 红外抑制装置 狭缝引射 数值计算 PIV
分类号: U664.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


现代船用燃气轮机排气系统使用红外抑制装置,通过引射大气中的空气来降低排气烟羽和排气道壁面的温度,以达到控制红外辐射、防御红外制导武器的目的。船用排气系统一般由混合管及多层扩压环组成,扩压环之间的狭缝形成的引射流不仅增加了二次流的流量,也会在扩压环壁面上形成冷却气膜,起到冷却抑制装置壁面的效果。目前的研究主要针对排气系统整体结构与性能,对引射流形成的气膜冷却问题研究较少。本文针对船用排气系统中的引射问题,采用数值计算与实验相结合的手段,对狭缝引射流动形成的气膜流场问题以及排气系统整体性能等进行了研究,主要工作包括:针对二维狭缝引射问题,利用流体计算软件Fluent进行数值计算,在冷态条件下模拟引射流动情况,给出了引射流场的结构和特征。然后定量地分析了流道扩张比、流动雷诺数和狭缝入口结构等对引射流动的引射比和假想再附点位置的影响。搭建了研究二维狭缝引射流的冷态实验风洞,用PIV粒子测速仪进行流体实验。实验测量了不同流速下平板开口狭缝模型中的引射流场。通过比较实验和数值计算结果,初步验证了数值计算的可靠性和准确性,为引射流动研究和排气系统的设计改进提供参考。针对船用排气引射系统,建立了三维流动、传热计算模型,给出了船用排气系统的流场结构以及多层扩压环中各狭缝的引射流的情况。进行了船用排气系统模型热态实验,分析了排气系统出口截面温度、压力分布以及模型红外特性等;探讨了喷管与混合管间距、喷管收缩比对排气系统性能的影响规律,分析了狭缝引射气流对排气系统扩压环的壁面冷却作用,为排气引射系统的优化设计提供依据。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-20
  1.1 引言  9
  1.2 研究背景与意义  9-10
  1.3 船用排气系统红外抑制装置研究概述  10-17
    1.3.1 喷管  11-12
    1.3.2 混合管  12-14
    1.3.3 红外抑制装置整体结构  14-17
  1.4 后台阶绕流与狭缝引射流动  17-19
  1.5 本文研究的主要内容及工作  19-20
第二章 狭缝引射数值计算模型  20-28
  2.1 控制方程  20-21
    2.1.1 质量守恒方程  20
    2.1.2 动量守恒方程  20-21
    2.1.3 能量守恒方程  21
  2.2 湍流模型  21-23
    2.2.1 稳态计算  22-23
    2.2.2 非稳态计算  23
  2.3 网格生成  23-24
  2.4 离散方式  24-26
  2.5 模型及其边界条件  26-27
  2.6 本章小结  27-28
第三章 狭缝引射数值计算结果与分析  28-48
  3.1 引射流场分析  28-41
    3.1.1 整体流场  30-32
    3.1.2 局部流场  32-39
    3.1.3 狭缝入口变化形式  39-41
  3.2 引射比与再附长度  41-47
    3.2.1 引射比  41-43
    3.2.2 再附长度  43-47
  3.3 本章小结  47-48
第四章 船用排气系统模型数值模拟  48-58
  4.1 数学模型和控制方程  49-51
    4.1.1 紊流模型  49-50
    4.1.2 壁面低雷诺数区域的处理方法  50
    4.1.3 压力校准方程  50
    4.1.4 离散方式  50-51
    4.1.5 线性化处理  51
    4.1.6 线性方程组求解  51
  4.2 燃气组分  51
  4.3 网格生成  51-52
  4.4 边界条件设置  52-53
  4.5 计算结果及分析  53-57
    4.5.1 船用排气系统模型流场结构  53-56
    4.5.2 狭缝流动参数  56-57
  4.6 本章小结  57-58
第五章 排气引射性能实验研究  58-77
  5.1 狭缝引射PIV 实验  58-68
    5.1.1 实验风洞设计与测试  58-63
    5.1.2 PIV 测量系统  63-65
    5.1.3 实验结果与分析  65-68
  5.2 船用排气系统模型热态实验  68-75
    5.2.1 实验装置  68-72
    5.2.2 实验结果与讨论  72-75
  5.3 本章小结  75-77
第六章 结论及展望  77-80
  6.1 工作总结  77-78
  6.2 工作展望  78-80
参考文献  80-83
致谢  83-84
攻读学位期间已发表或录用的论文  84-87
附件  87

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 船舶机械 > 船舶动力装置 > 内燃机动力装置
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