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气体喷射器内部能量交换的数值模拟与可视化实验研究
| 论文题名： | 气体喷射器内部能量交换的数值模拟与可视化实验研究 |
| 关键词： | 船舶气体喷射器;能量交换;数值模拟;纹影可视化 |
| 摘要： | 我国航运业正面临着非常严峻的节能减排形势，碳减排总量巨大。在船舶上，气体喷射器被广泛应用于海水淡化、余热回收等场合中，作为核心部件，增强喷射器内能量交换，提高其性能对提高船舶能效有着重要意义。目前，由于喷射器内流动复杂，不能直观的对能量交换进行分析，其发生的位置、强度大小仍然很不明确。因此，本文采用数值模拟与纹影可视化实验的方式，联系性能与流动针对能量交换过程进行分析，并尝试通过采用新型喷嘴增强喷射器内能量交换。具体研究工作如下： 首先，在多工况、多尺寸下针对喷射器能量交换过程进行数值模拟研究。在模拟的喷射器中，能量交换主要发生在喷嘴出口激波链两侧的强湍流区内。不同工况下性能变化规律同强湍流区变化规律相吻合。进入亚临界状态时，背压对流动影响提前至混合室收缩段内，从而影响到强湍流区中的能量交换。不同工作压力下，能量交换同激波减弱关系更为明显。在结构尺寸上，等截面段长度对能量交换影响较小，但会增加下游能量损失，使性能变化不能反映能量交换变化。配合等截面段长度和喉嘴距后，喉嘴距达到4mm时引射比基本不变，激波链首个激波外侧强湍流区对能量交换影响较大。 之后，通过纹影技术对喷射器混合室进行成像，从激波角度分析能量交换过程。实验发现，激波链中第一段激波强度最高，进入混合室后强度快速下降。改变工况时，工作压力影响较小，而随着引射压力上升，引射比增高，但能量交换能力会逐渐减弱。在改变结构时，存在使引射比最高的喉嘴距。不同工作压力下喉嘴距对引射比影响的差异较小。增大引射压力会使引射比最高的喉嘴距变大，激波链受到的压缩效应增加，两股流体间相互作用变强，使发生能量交换的区域更大。 最后，设计了一种使用塞式喷嘴的气体喷射器以加强能量交换，并设计了参数一致的Laval喷嘴与其对比。全压力范围下，设计的塞式喷嘴喷射器基本都能获得更好的性能，真空用途中估算可以缩短真空时间约20%。在速度分布上，处于设计压力时其激波现象较弱，激波损失更小。高于设计压力时，塞式喷嘴消除了过膨胀工况下的流动分离。达到最大真空度时，塞式喷嘴喷射器射流膨胀相对较弱，真空度较低。在熵产率分布上，塞式喷嘴喷射器各个引射压力下均会产生较强的不可逆损失，这一不可逆损失可能是更强的能量交换所必需的。根据对熵产率组成的分析，同传热作用相比，耗散作用与能量交换有着更紧密的联系，是能量交换过程中不可逆损失的主要部分。在混合过程中，尽管塞式喷嘴喷射器激波较弱，但混合层的生长和能量交换均更强。 |
| 作者： | 胡秋宇 |
| 专业： | 轮机工程 |
| 导师： | 董景明 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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