基于热管堆的超临界二氧化碳核动力系统参数设计与优化研究

为获得超临界二氧化碳动力系统最优设计参数,本文建立了热力分析模型和主要设备模型,开展热管式反应堆为热源、简单回热架构的超临界二氧化碳发电装置系统参数性能分析和多目标参数优化设计。形成1 MW(e)输出功率的发电装置系统参数最优解集,并开展系统敏感性分析。研究结果表明提升系统参数可达到提升系统循环效率的目的,但同时也增加了设备尺寸规模,对提升紧凑性不利,各主要热力参数对系统效率和体积的敏感性相差较大。最终优化解的选择可从本文最优解集中,按可布置空间大小选取,从而获得兼顾效率和紧凑性的最优设计参数。

表面活性剂与纵向微沟槽协同减阻实验研究

根据表面活性剂溶液发生减阻时可放大近壁湍流涡尺度的特性,以及纵向微沟槽通过约束近壁流向涡运动实现减阻的机理,指出了两者在减阻机理上存在互补的可能性,并对两者的协同减阻性能进行实验研究验证,分析两者的协同强化减阻机理。通过研究0.22 mmol/L表面活性剂CTAC/NaSal溶液在两种不同尺寸的纵向壁面微沟槽通道内的变温度协同减阻性能,发现20℃时溶液能在纵向微沟槽的作用下强化减阻性能,最大减阻率从光滑通道的66%分别增大到G1沟槽的71%和G2沟槽的74%;减阻溶液的临界雷诺数及临界温度在G1沟槽通道内比在G2通道内小,但在G2沟槽通道内则与光滑通道的基本相同;微沟槽的减阻尺寸在减阻溶液中得到了放大;表面活性剂与纵向微沟槽的协同强化减阻机理在于表面活性剂放大了近壁湍流涡尺度,使微沟槽能约束住更多的近壁流向涡,同时也使微沟槽能在更高雷诺数下仍有减阻强化性能。

海洋核动力平台堆舱非能动冷却特性研究

海洋核动力平台以输出电能和生产淡水为目标,为国家海洋能源战略提供保障。针对严重事故下海洋核动力平台堆舱安全性问题,在其堆舱非能动冷却系统(PCCS)方案的基础上,提出采用三维冷凝换热与一维自然循环流动换热耦合计算的方法,利用Fluent软件并结合UDF编程,建立堆舱含不凝结气体环境的蒸汽冷凝与舱外海水自然循环耦合换热模型,并分析失水事故(LOCA)条件下PCCS的热工水力行为特性。结果表明,PCCS能实现对喷放蒸汽的长期冷却,可有效降低LOCA后的堆舱温度与压力,为保障严重事故后的堆舱安全性提供可行措施。相关分析方法也可为开展海洋核动力平台PCCS分析设计提供指导。

采用A星-遗传算法的船舶管路智能布置

针对船舶管路设计中的路径寻优问题,提出了一种采用A星-遗传算法的船舶管路智能布置方法。首先,建立了船舶管路布置空间模型,包括网格单元模型、管路简化模型、设备障碍物模型和约束规则模型。其次,对传统遗传算法进行了优化设计,在种群初始化阶段,加入障碍物判定函数替换以往其他研究采用的罚函数;在交叉和变异过程,引入A星算法生成子路径;引入父子比较环节,每经过交叉、变异一次,便比较一次父代与子代的适应度值;在选择操作中,对传统的轮盘赌方法进行改进,引进个体的相似度比例,个体的被选择概率由相似度比例和适应度值共同决定。最后,对所提优化A星-遗传算法和粒子群、A星、迷宫-遗传算法进行了仿真对比实验。结果表明:A星-遗传算法在管路的长度、拐角数、能量值、适应度值、最优解次数和平均收敛代数等6项指标上均得到了最优值;与同为混合算法的迷宫-遗传算法相比,优化A星-遗传算法在两个案例中的最优解次数分别增加了44.4%、100%,平均求解时间分别减少了57.6%、58.1%,平均收敛代数分别减少了36.9%、44.1%。A星-遗传算法在保证管路布置质量的同时,有效提高了寻优效率,其对于船舶管路智能布置的适配性和优越性得到了验证,对提高船舶产业生产力具有一定的意义。

气体添加对叶片泵输油过程压力脉动影响的数值研究

为了研究气体添加对泵内流场及压力脉动特性的影响,本文基于ANSYS_CFX对一叶片式输油泵内纯油及油气两相流动进行数值模拟,其中两相工况的含气率为1%、0.5%和0.1%。沿流动方向在叶轮和导叶流道总共设置8个监测点,并对其压力脉动的时域和频域特性进行分析。结果显示:添加少量气体对叶轮流道内压力脉动影响较小,而对导叶中后部流道内压力脉动抑制明显,该处压力脉动降幅可达50%以上。通过对纯油和气体添加工况的流场分析,发现添加少量气体可改善泵内压力分布和导叶流道的旋涡结构,使该区域的流动更加平稳;所添加气体将在导叶中后部流道发生聚集,聚集区域与旋涡区位置接近,且聚集气体可对该区域的压力脉动能量起到吸收作用,从而减弱流体压力脉动。

小流量工况泵阀耦合系统失稳机理研究

在实际应用中,当泵阀耦合系统在小流量偏工况下运行时,系统容易发生流动失稳,并伴有剧烈的结构振动,严重时会影响系统的可靠性。该研究基于动网格和滑移网格技术,对泵阀耦合系统在小流量工况下的非稳态流致激励特性进行了数值模拟,并进行了试验验证。结果表明:由于离心泵导叶区域的周期性堵塞,流场内部出现低频压力脉动;离心泵的出口压力波动直接影响阀瓣所受流体力,导致弹簧止回阀发生颤振现象;在阀瓣运动过程中,阀杆处的节流作用是引起泵阀耦合系统流量脉动的主要原因。综上分析表明,离心泵和弹簧止回阀之间存在强烈的耦合作用,该研究可为泵阀系统耦合设计与优化提供理论指导。

脉冲爆震涡轮发动机转子系统优化设计

为研制某脉冲爆震涡轮发动机样机,根据总体设计要求设计了相应的空心轴转子-轴承结构系统。基于有限元法建立了该转子系统的理论分析模型,采用数值积分方法开展了考虑脉冲爆震非定常周期气动载荷作用的转子系统动力学特性计算。将在临界转速处转子的振动幅值最小化作为优化目标,以转子系统各阶临界转速与发动机慢车转速及工作转速之间的裕度作为约束条件,结合转子强度的相关要求,基于NSGA-II多目标优化算法对转子系统的支承位置、刚度及转子结构的几何参数进行了优化设计。结果表明:优化后的转子-轴承系统满足总体设计要求,临界转速与工作转速之间的裕度超过20%,且保证了前3阶临界转速对应的振动幅值最小化。研究方法和结果可为脉冲爆震涡轮发动机转子系统结构设计和优化提供参考。

小型水下作业设备相变热控技术研究

小型水下作业设备在海洋资源探测与利用领域扮演着重要角色。随着水下作业设备不断向多功能、智能化、长续航和大深度方向发展,设备内部功率元器件不断增多,散热问题日益严峻。文中提出了一种小型水下作业设备储热模块,采用相变材料被动吸热方式对设备内部发热元器件进行散热。研究了典型热功率条件下相变储热模块的热控性能,并对比了不同类型相变材料的热控效果。结果表明:相比于原有的自然冷却方式,低熔点金属镓相变储热模块可显著抑制热源的温升,将设备的正常工作时间有效延长至原来的2.7倍,起到良好的热防护作用;而有机相变材料因其传热性能差,反而阻碍了热量向外壳传递,恶化了设备的散热性能。文中提出的相变热控模块具有零功耗、储热密度大、工作性能稳定等特点。利用设备原有的壳体空间填充相变材料,不额外增加体积,不影响设备内部空间,可实现相变吸热和自然冷却耦合并行散热,有效防止设备内部器件或设备发生过热损坏,为水下无人作业设备持续、安全、稳定、高效工作提供热防护保障。

PCS换热器螺旋结构强化换热数值研究

为了优化非能动热量导出系统(PCS)的设计,提高其换热性能,从而进一步提高PCS系统设计的安全性和先进性,采用数值分析的方法对光管、螺旋扁管和螺旋翅片管的冷凝传热特性进行研究。结果显示:在高含量不凝气条件下,螺旋翅片管的换热性能最强,螺旋扁管次之,光管最差。研究表明,PCS换热器采用螺旋翅片管能够强化换热效果。

自流冷却系统引水装置的水力性能研究

为提出先进船舶自流冷却系统引水装置的定量设计原则,参照水泵性能描述方法,提出自流扬程的概念,用自流扬程和附加阻力描述引水装置水力性能。基于伯努利方程和边界层方程的计算分析表明,为提高自流扬程,引水装置吸入口应垂直于来流且高于边界层厚度。基于冲量定理进行计算分析并结合三维仿真计算结果表明,为平衡自流能力和附加阻力,引水装置的入口流速与航速之比宜设计在一定区间内。实船计算结果验证了本文设计方法的正确性。

摇摆条件下离心泵汽蚀特性分析

为准确描述摇摆等工况对海洋平台离心泵汽蚀特性及热力特性影响目标,采用动网格方法,综合考虑泵运行时绕中心轴自转以及绕摇摆中心公转运动,构建海洋条件下离心泵汽蚀仿真模型。研究针对不同摇摆幅值及频率下的离心泵汽蚀特性开展仿真计算。结果表明,在摇摆过程中离心泵的导轮叶片位置将出现局部空化,不同摇摆位置处的影响范围体现出了较大的差异。单个周期内,空化影响范围呈现出了先增大后减小的趋势,在约3/4周期时刻空化影响范围达到了最大,并以此提出了衡量海洋条件对离心泵特性影响极限波动系数,为海洋条件下离心泵抗汽蚀设计及海洋核动力平台动力系统安全稳定运行提供技术支撑。

涡流发生器对超临界CO_2传热和流阻性能影响的数值模拟研究

采用数值模拟方法,对布置有不同结构参数小尺度涡流发生器的矩形槽道内超临界流体的传热特性进行了研究。分析了涡流发生器所诱导的纵向涡对超临界流体传热影响的内在机理。结果表明,斜截半椭圆柱涡流发生器对超临界CO_2传热恶化现象具有明显的抑制效果,而对于超临界CO_2非传热恶化现象的影响并不明显。超临界CO_2发生传热恶化现象时,涡流发生器下游的局部壁面剪切应力与传热系数的变化趋势相同,传热恶化现象会造成壁面剪切应力显著增大。研究还发现,涡流发生器的结构参数对于超临界流体传热现象存在明显影响。

低过冷流场中蒸汽水下喷注直接接触冷凝声学特性研究

低过冷流场中蒸汽水下喷注直接接触冷凝(DCC)是核动力舰船冷凝器热井鼓泡除氧的热力基础,该过程涉及强湍动、相变、多相流等复杂行为,可诱发强烈的流场压力脉动与辐射噪声,是影响舰船声隐身性能的重要因素。针对该问题,本文通过实验对流场过冷度2.8~14.7℃范围内蒸汽水下喷注DCC过程的汽羽流型演化和声学特性进行研究。结果表明,蒸汽质量流速和流场过冷度对汽羽流型演化具有不同的作用机制和影响规律。低过冷流场中,蒸汽水下喷注冷凝噪声具有宽频特征;流场过冷度极低时,低频噪声占辐射噪声的主导地位,随流场过冷度的增大,高频噪声的贡献逐渐提升。

船舶管线智能布置的优化Astar算法

针对船舶的复杂管系布置设计工作量大、效率低下且依靠经验等问题,提出了一种船舶管线智能布置的优化Astar算法,建立了用于计算机识别的船舶虚拟布置空间模型,包括相关设备模型、管线简化模型、布置约束模型和栅格模型。对传统Astar算法进行优化,基于管线长度、拐角个数和栅格能量值对代价函数进行重新设计,引入方向概率系数和能量值提高管线布置结果的确定性。通过案例的仿真模拟,探究了方向概率系数、能量值对于管线布置速率和质量的影响。结果表明:与传统Astar算法以及遗传算法相比,所提优化Astar算法的拐角个数分别减少了87%、50%;路径搜寻时间分别降低了67.5%、51.5%,进一步提高了管线布置效率。与传统Astar算法相比,优化Astar算法生成的船舶管线长度减小了49.8%,降低了管路成本,说明了该智能布置算法的适配性和优越性,对于实际船舶管线布置具有一定的借鉴性和指导性。

第二类边界条件下固液相变问题的改进型准稳态近似解

基于准稳态近似方法,从热平衡角度出发,给出了直角坐标系和圆柱坐标系中恒定热流边界条件下传导型固液相变传热问题的无量纲近似解.对于直角坐标系情形,得到的改进型准稳态近似解精度高,且解的形式为显式表达式,相比于已有的隐式近似解更便于直接使用.对于圆柱坐标系的情形,所得到的近似解是目前文献公开报道的唯一的近似解.此改进型准稳态近似解弥补了传统准稳态近似方法不考虑显热的不足,提高了准稳态近似法的精度,丰富了固液相变传热问题的求解方法,物理意义明确,可用于实际应用问题的初步分析和计算.

超临界二氧化碳分流式压缩机气动性能研究

超临界二氧化碳动力循环具有效率高、设备尺寸小的优点。离心式压缩机是其重要的动力设备。根据循环系统的要求,采用大小叶片分流结构的通流,完成了1台功率为5MW的离心压缩机的设计。其后基于有限体积法和SSTk-ω湍流模型,并采用六面体结构化网格,对压缩机的气动性能进行了详细的数值分析。结果表明,所设计的压缩机总总效率为79.7%,总压比为2.09,满足设计要求。

空腔流尾流模式振荡特性研究

采用基于两方程k-ω-SST模型的IDDES方法,对5类空腔流进行数值模拟,研究空腔流尾流模式的振荡特性,详细分析了流场中涡结构、腔口法向速度等信息,着重探讨了空腔跨度和深度对尾流模式振荡频率的影响。数值计算结果表明:IDDES方法可有效模拟尾流模式不可压缩空腔流,捕捉空腔流一个周期内涡的演化规律;不同跨度、深度空腔尾流模式流场结构及涡发展规律基本一致;空腔跨度几乎不影响振荡频率,而深度对振荡频率有显著影响,与可压缩空腔流Rossiter给出的半经验公式有明显区别,并揭示了这种现象产生的原因。

海洋摇摆条件下超临界二氧化碳传热特性的数值研究

对海洋摇摆条件和静止条件下超临界流体传热特性进行数值研究。结果表明,摇摆条件对拟临界区流体传热特性的影响远大于对单相流体和远离拟临界区的超临界流体的影响。摇摆条件导致壁面传热系数的周期性振荡,且有助于抑制传热恶化现象。当超临界流体温度远离拟临界温度后,摇摆条件对超临界流体的传热过程的影响显著减小。随着摇摆周期减小或者摇摆振幅增大,传热恶化现象逐渐减弱。

颗粒群辐射传热对电弧伏安特性影响的研究

在对颗粒群与电弧相互作用的探究中,颗粒群辐射传热对电弧伏安特性的影响是一个重要方面.以Elenbass-Heller能量方程为基础,建立了圆柱对称电弧等离子体流动传热与颗粒群辐射过程相结合的一维耦合模型,利用P-1辐射模型求解了颗粒群辐射传热方程,探究了石墨颗粒群的辐射对电弧伏安特性产生的影响.结果表明:石墨颗粒群辐射增加了电弧的传热,电弧被“冷却压缩”,电弧的电场强度升高;同时电弧通道半径越大,颗粒群辐射对电场强度的影响越显著;颗粒群对氩气电弧等离子体的影响远远高于其对氢气电弧等离子的影响.通过对颗粒辐射的计算分析认为,颗粒群辐射传热主要作用发生在电弧导电通道外侧,在冷壁边缘颗粒群辐射为净吸收,因此减小了电弧向壁面传热.

窄裂纹通道流动特性数值计算研究

管道裂纹泄漏率预测是破前漏技术的应用基础,窄缝裂纹流道的流动特性将直接影响泄漏率计算结果。本研究采用数值计算方法,对窄缝裂纹通道进行参数化建模,通过计算流体力学技术(CFD)研究裂纹几何形貌参数对流动特性的影响。研究结果表明,宏观粗糙度与裂纹张开位移(COD)的比值会影响裂纹通道流场和湍流特性,使得相同雷诺数下的阻力系数随上述比值的增加先增加后减小。