船舶压载水旋流分离处理的应用理论研究

论文题目: 船舶压载水旋流分离处理的应用理论研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 轮机工程

作者: 任福安

导师: 殷佩海

关键词: 船舶压载水,旋流分离,湍流模型,有限分析等参元法,多相流

文献来源: 大连海事大学

发表年度: 2005

论文摘要: 旋流分离方法以其操作简单、运行安全、成本合理、不会产生新的污染等独特的优越性在船舶压载水的处理中具有光明的应用前景。为此,本文针对船舶压载水应用旋流分离处理进行了理论分析和研究。主要内容包括: 在涡运动理论的基础上,考虑流体的粘性效应,从流体动力学基本方程出发,分析推导了旋流分离器内流体的切向速度和切向应力的分布表达式,定性讨论了旋流分离器外壁的转动对切向速度和切向应力的影响。旋流分离器外壁的转动,不仅使旋流分离器内流体质点的切向速度增加,而且还使切向应力减小,这对旋流分离器分离效率的提高都是非常有利的。 针对湍流流场数值计算中湍流模型的选用,本文提出了综合考虑模型的适用性、模型的精确性、模型的经济性、模型的繁杂程度以及所选用的数值计算方法等因素的湍流模型可用性指数的判断方法,为湍流模型的选择提供了一种量化的判别依据。 本文提出了有限分析一等参元数值计算方法,它不仅继承了有限分析法和等参单元法的全部优点,同时也克服了有限分析法不适用于复杂边界区域、等参单元法的插值函数与微分方程(局部解析解)无关等缺点,因而在高精度的前提下具有更广泛的适用性。 本文提出了采用有限分析法来进行流场的网格自动剖分,它不仅远比已有的网格自动剖分方法简单,而且精度高、坐标疏密控制极为容易,同时也将目前的网格剖分的方法规格化。 本文采用各向异性κ-ε湍流模型、有限分析-等参元法、多重网格技术对单相旋流流场进行了数值模拟,并与相关文献资料中的实验测试数据进行了对比验证,既证实了各向异性κ-ε湍流模型可以很好地模拟旋流流场,能正确地反映出这种强旋湍流的运动特征,也证明了对不规则边界流场采用有限分析-等参元法是准确有效的。在单相旋流流场数值模拟的基础上,对单相旋流流场进行了分析,讨论了壁面转动、入口流量和流量比对分离效率和压强降的影响。 本文对湍流两相流模型的确定轨道模型进行了修正,提出了适用于各向异性湍流流场的颗粒轨道模型,同时还提出了采用网格单元为控制体,通过对控制体

论文目录:

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 船舶压载水处理技术的研究发展现状

1.2.1 置换与稀释方法

1.2.2 机械处理方法

1.2.3 物理处理方法

1.2.4 化学处理方法

1.2.5 基因工程和生物技术处理方法

1.2.6 小结

1.3 旋流分离技术的研究发展现状

1.3.1 旋流分离器的基本结构与工作原理

1.3.2 旋流分离器的主要特点

1.3.3 旋流分离器的研究现状

1.3.4 小结

1.4 研究的理论和实际意义

1.5 本文的主要工作

第2章 旋流流动的理论分析

2.1 旋流流动的基本特征

2.2 旋流流动的速度分布

2.2.1 切向速度分布

2.2.2 轴向速度分布

2.2.3 径向速度分布

2.3 旋流流动的理论分析

2.4 结论与讨论

第3章 基本控制方程和湍流模型

3.1 基本控制方程

3.2 湍流模型

3.2.1 涡粘性

3.2.2 常系数模型

3.2.3 零方程模型

3.2.4 单方程模型

3.2.5 双方程模型

3.2.6 雷诺应力模型

2.2.7 代数应力模型

3.3 湍流模型的选择

3.4 结论与讨论

第4章 流场的数值计算方法

4.1 概述

4.2 有限分析解

4.2.1 边界函数为指数多项式的有限分析解

4.2.2 边界函数为二次多项式的有限分析解

4.2.3 边界函数为分段线性多项式的有限分析解

4.3 有限分析-等参元法

4.4 网格自动剖分

4.5 多重网格法

4.6 结论与讨论

第5章 单相旋流流场的数值模拟

5.1 旋流流场的基本特征

5.2 柱坐标系下的标准k-ε湍流模型

5.3 柱坐标系下的各向异性k-ε湍流模型

5.4 流场的简化模拟

5.5 流场的各向异性k-ε湍流模型的数值模拟

5.5.1 计算区域与边界条件

5.5.2 壁面函数

5.5.3 数值计算结果

5.6 计算结果与实验数据的比较验证

5.7 流场分析

5.7.1 壁面转动的影响

5.7.2 流量的影响

5.7.3 流量比的影响

5.8 结论与讨论

第6章 两相旋流流场的数值模拟

6.1 描述流体流动的两种方法

6.2 湍流两相流模型

6.2.1 单颗粒动力学模型(SPD模型)

6.2.2 小滑移模型(SS模型)

6.2.3 单流体模型或无滑移模型(NS模型)

6.2.4 颗粒轨道模型(PT模型)

6.2.5 多流体或拟流体模型(MF模型)

6.2.6 小结

6.3 颗粒运动的数值模拟

6.3.1 颗粒运动方程组

6.3.2 模型的修正

6.3.3 数值模拟

6.4 颗粒运动分析

6.4.1 颗粒比重对颗粒运动轨迹及分离效率的影响

6.4.2 流量对颗粒运动轨迹及分离效率的影响

6.4.3 颗粒直径对颗粒运动轨迹及分离效率的影响

6.5 结论与讨论

第7章 船舶压载水旋流分离系统设计

7.1 旋流分离器设计

7.1.1 旋流分离器直径

7.1.2 锥角

7.1.3 进口尺寸

7.1.4 溢流管尺寸

7.1.5 底流口尺寸

7.1.6 船舶压载水用旋流分离器

7.2 流程设计

7.2.1 多级分离或多段分离

7.2.2 设计流程A

7.2.3 设计流程B

7.2.4 设计流程C

7.2.5 设计流程D

7.2.6 小结

7.3 旋流分离器的布置

7.3.1 旋流分离器的放置方式

7.3.2 旋流分离器的并联

7.3.3 旋流分离器组的布置

7.4 结论与讨论

第8章 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

创新点摘要

攻读学位期间公开发表的论文

攻读学位期间主持和参加的科研项目

致谢

参考文献

发布时间: 2005-10-13

参考文献

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• [2].船舶压载水置换优化设计方法研究[D]. 陈静.大连理工大学2011
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