高效滤清器旋风级性能研究

论文摘要

因效率高、功率大、重量轻、尺寸小、机动性好等优点,燃气轮机成为大中型水面舰船的主动力装置。船舶燃气轮机以空气为工作介质,在海洋环境条件下,空气中含有大量的盐雾颗粒以及油污、沙尘等杂质,这些都会对燃气轮机造成危害。为了保证在海洋环境条件下运行的燃气轮机的性能和可靠性,绝大多数舰艇都装备有进气滤清装置。因此对燃气轮机进气滤清器进行数值模拟及实验研究具有重要的现实意义,能为高性能船用进气滤清器的设计制造提供有力的依据。本文所研究的旋风级(由顺序排列的多个旋风子构成)是组合式滤清器中的第一级,它能够起到缓减波浪对后级滤清器的冲击、快速疏水以及分离大直径液滴的作用,是组合式滤清器不可缺少的一个重要组成部分。旋风子的两个主要指标是阻力和分离效率,本文通过数值模拟与实验研究相结合的方法对其进行研究,主要进行了如下几个方面的工作:1.对现有旋风子模型采用结构化网格进行数值模拟,考查其阻力特性,分析其内部流场分布情况,并且以降低阻力为目标而进行改型设计。通过在旋风子出气口处加装扩压段,达到降低阻力的目的。2.采用非结构化网格对旋风子原型和改进型进行数值模拟,并同结构化网格数值模拟结果进行对比分析。结果显示,对于旋风子来说,采用两种结构不同的网格,其数值模拟结果基本一致。3.考虑到旋风级的实际情况,采用周期性边界条件对旋风子原型和改进型进行单相数值模拟,之后进行了两相流的数值模拟。两相流计算的结果表明,旋风子捕捉大颗粒的效果更好。4.利用小型风洞对旋风子进行阻力和效率的实验研究,对数值模拟结果加以验证。阻力实验易于实现,实验结果验证了数值模拟的准确性;对于分离效率实验,借助附加装置形成组合滤清器来获得系统的分离效率特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究目的和意义
• 1.2 旋风分离器的发展
• 1.3 旋风分离器的结构及其性能参数
• 1.4 研究方法
• 1.5 本文主要工作
• 第2章 数值模拟的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 控制方程
• 2.3 湍流模型
• 2.3.1 涡粘模型
• 2.3.2 Reynolds应力模型
• 2.4 控制方程的离散化方法
• 2.4.1 有限差分法
• 2.4.2 有限体积法
• 2.4.3 边界元法
• 2.5 网格及其生成技术
• 2.5.1 网格类型
• 2.5.2 网格单元的分类
• 2.5.3 网格生成的过程
• 2.6 两相流动模型
• 2.6.1 流动类型
• 2.6.2 旋风子气粒两相流动颗粒相模型
• 2.6.3 颗粒运动方程
• 2.6.4 颗粒轨道模型
• 2.7 本章小结
• 第3章 旋风子结构化网格数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 软件介绍
• 3.3 旋风子计算域建模及网格划分
• 3.3.1 叶轮部分的建模和网格划分
• 3.3.2 其它部分的建模及网格划分
• 3.4 边界条件定义
• 3.5 数值模拟设定
• 3.5.1 湍流模型的选择
• 3.5.2 离散方法
• 3.5.3 加速收敛技术
• 3.5.4 参数设定
• 3.5.5 收敛判定
• 3.6 计算结果分析
• 3.6.1 速度场分布
• 3.6.2 压力场分布
• 3.7 旋风子改型计算
• 3.8 本章小结
• 第4章 旋风子非结构化网格数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 两种网格的结果对比
• 4.2.1 计算域网格
• 4.2.2 边界条件设定
• 4.2.3 结果对比
• 4.3 数值模拟结果
• 4.3.1 单相数值模拟
• 4.3.2 两相流数值模拟
• 4.4 本章小结
• 第5章 旋风子实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验设备及实验对象简介
• 5.2.1 实验对象
• 5.2.2 实验设备
• 5.3 旋风子阻力特性实验
• 5.3.1 实验原理
• 5.3.2 实验数据记录及处理
• 5.4 旋风子分离效率特性实验
• 5.4.1 实验原理
• 5.4.2 实验过程
• 5.4.3 实验结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢