基于CFD技术的船舶首侧推槽道构型设计

船体首侧推槽道会对船体快速性能产生不利影响。为减小其导致的船体增阻,以某集装箱船为研究对象,采用实船阻力预报方法研究不同槽道构型下船体阻力性能及流场特性,并对槽道开口参数进行设计优化。结果表明,圆角槽道口能够减阻而倒角槽道口会增加船体阻力,在设计工况下,圆角半径为0.2D_(0)(D_(0)为槽道直径)时的减阻效果最佳,总阻力较原始船型减小了1.36%。研究结果可为首侧推槽道构型的设计提供参考。

大型船舶艏侧推槽道布置参数优化

为减小侧推槽道带来的船体阻力增值,以某集装箱船为研究对象,开展槽道布置参数优化研究。以设计工况下的总阻力最小为优化目标,以侧推槽道的纵向位置和垂向位置为设计变量,在设计空间内采用全因子法采样,并进行数值仿真,得到样本响应值构成样本空间;采用响应面法构建代理模型,并采用模拟退火算法对该模型进行寻优。结果表明,优化船的阻力性能相比原始船有明显改善,设计工况下的总阻力减小1.7%。

船用柴油机均值模型建模及仿真研究

柴油机模型的研究是探究柴油机性能、实现虚拟仿真的基础,可缩短仿真计算时间、有效节约柴油机开发成本。本文以RK270柴油机为研究对象,使用GT-POWER软件建立稳态性能仿真模型,在此基础上,采用仿真精度高、计算速度快的平均值法,以C++语言建立柴油机平均值模型,并归纳通用的平均值模型建模标定校核流程;提出二元响应拟合的方法,解决了涡轮增压器特性参数处理困难的问题,并借助数学工具,获得了压气机主要工作区域内拟合精度较高的模型。完成模型开发后,分析了8组工况下的仿真结果,通过误差分析,验证了模型的准确性,丰富完善了柴油机建模理论和方法,可应用于实时控制模型的动态仿真或者实现与船舶动力系统的交互。

地热井用两级潜水泵内流熵产诊断及水力性能优化

为了提升地热井用潜水泵的运行效率,根据地热井用潜水泵的流动参数和实际运行工况,完成了两级潜水泵过流部件水力设计,并进行了全流道流动数值模拟和试验验证;采用熵产分析法定位了潜水泵内流场的高能耗区域,主要集中在级间交汇和动静部件干涉处;采用正交设计和结构参数敏感性分析方法,确定了结构参数对潜水泵性能的影响规律,以叶轮叶片出口角、出口宽度、叶片包角和导叶轴向长度为优化变量,以扬程和效率为优化目标,通过遗传算法、最优拉丁超立方采样和熵权TOPSIS法对两级潜水泵进行水力优化。结果表明,额定工况下,优化泵的扬程增加了24.9%,效率增加了5.7%,总水力损失减小了1024.9 W,高能耗区域明显降低,水力性能显著提升,分离流、二次回流和冲击流动等不良流动得到显著抑制;大流量工况处理能力大幅度提升,高效区间范围扩大了70%,运行稳定性得到显著提高。研究内容为潜水泵的设计及内流场研究提供理论指导。

船用电辅助涡轮增压器转子动力学设计及稳定性研究

电辅助涡轮增压技术(EAT)是能够有效解决传统涡轮增压发动机启动或加速时进气不足、瞬态响应差等问题,实现内燃机动力系统电气化的重要技术手段。基于流体动压轴承润滑理论结合转子运动控制方程,建立由浮环轴承支承的某型涡轮增压器转子系统动力学有限元模型并进行轴心轨迹试验,采用数值计算方法对不同轴承支撑形式的EAT正常转子和不平衡转子的非线性转子动力学特性进行深入研究。结果表明,在EAT运行较宽的转速范围内,其转子具有广泛的次同步振动,转子动力学行为复杂且浮环轴承支撑的转子明显具有更高的次同步振动振幅;半浮环轴承支撑的转子油膜涡动振动的能量远小于基频振动的能量,表现出更良好的减振作用,可以很好地抑制油膜的涡动/振荡。本文研究内容可以有效地辅助EAT的研究工作,提高其整机的NVH性能。

蒸汽压缩机在硝酸锂蒸发浓缩过程中的节能减排应用研究

在硝酸法制备磷酸铁锂过程中,采用硝酸溶解的氢氧化锂/碳酸锂得到的硝酸锂溶液,达不到制备磷酸铁锂质量分数的要求,故需要一个蒸发浓缩工序。本文测试了硝酸锂溶液的沸点升数据。根据此沸点升数据,设计了单级压缩机的预浓缩MVR蒸发器和双压缩机串联的成品MVR蒸发浓缩工艺,并做了详尽的运行成本分析。对于高浓度高沸点的硝酸锂溶液,本文采用双压缩机串联的蒸发工艺,很好地替代了传统双效蒸发浓缩工艺。双压缩机串联压缩可以使二次蒸汽的温度提升>34℃,从而克服硝酸锂溶液的沸点升,实现蒸发1t水的电耗≈110 kWh,且无需蒸汽补充。相对于传统的MVR蒸发预浓缩+双效蒸发浓缩成品工艺,双效蒸发浓缩成品工艺蒸发1t水需要0.6 t蒸汽。通过对比,该工艺实现了生产成本下降22%,取得了很好的经济效果。证实了蒸汽压缩机在高沸点物料中具有较好的节能减排效果,尤其是创新性的双压缩机串联的稳定运行给工业界提供了更多的选择。

波纹消声器声学性能的数值分析及试验

波纹消声器可实现特定频带上的消声最大化,通过调节不同波纹深度的重新组合获取非规则波纹结构来实现频带上的互补。采用侧支共振腔理论公式计算单波纹传递损失,依据双负载原理搭建试验台测量波纹管声学性能,将理论、试验结果分别与数值预测值进行比较。研究结果表明:波纹深度是影响单波纹共振频率的主要因素;非规则波纹结构传递损失带宽主要受非规则波纹数量、相邻波纹深度差影响;消声腔容积影响有效带宽频率范围。最终优化结果相比常规波纹管,在1000~5000 Hz内传递损失均值提升约20.55 dB,带宽拓宽约1750 Hz。

大尺寸涡轮铸件工艺仿真设计及验证

涡轮是增压器上具有复杂曲面结构的高速旋转部件,质量要求高。采用ProCAST软件对大尺寸涡轮铸造工艺进行了仿真设计,实现了涡轮铸件铸造工艺的优化,并结合生产实际开展了细晶工艺研究,生产出组织、性能和尺寸精度满足要求的大尺寸涡轮铸件。

复杂薄壁壳体流固耦合仿真分析及试验研究

针对某涡轮增压器复杂薄壁燃进壳漏水现象,采用CFD流固耦合计算方法,分别仿真模拟了柴油机运行工况及增压器试验台运行工况温度、应力分布,并开展了试验测试。研究表明:燃进壳温度场分布均匀无突变,柴油机工况下燃进壳表面最高温度为212℃,最低温度为72℃,台位试验工况下,燃进壳表面最高温度为193.6℃,比柴油机工况减小18.4℃,台位试验测试与仿真模拟高度吻合,最大误差约为4.3%。应力计算表明:燃进壳应力分布均匀,柴油机工况下,最大等效应力为176MPa,最大等效应力小于材料屈服强度224MPa,安全系数1.27,台位试验工况下,最大等效应力分布在燃进壳冷却水流道,最大值约为230MPa。燃进壳理论计算应变与实际测试应变最大误差为4.11%,理论计算结果与实际测试结果吻合较好,燃进壳应力计算完全满足工程仿真精度要求,研究结成果为后续燃进壳寿命提升奠定理论计算基础。

船用离心压气机叶片包角对气动性能的影响

作为离心压气机的核心部件,叶轮对压气机的整体气动性能起到了至关重要的作用,为研究叶轮结构对离心压气机气动性能的影响,本文以船用涡轮增压器的离心压气机为研究对象,通过调整叶片前缘轮缘和轮毂侧叶片包角的大小从而实现叶片向其自身压力面和吸力面的偏转,并基于SST湍流模型对压气机气动性能和流场结构开展数值计算,结果表明:相较于轮毂侧的偏转,压气机气动性能对轮缘侧的偏转更为敏感,轮缘侧一定程度的偏转能通过减小叶片前缘激波损失、削弱动静干涉作用从而改善压气机内部流场,提升压气机的整体气动性能并一定程度上减小压气机的气动噪声。

基于船用涡轮增压器焊接涡轮设计参数的仿真分析研究

摩擦焊工艺已广泛应用于机械加工领域,船用涡轮增压器产品已大量使用摩擦焊焊接工艺,本文针对船用涡轮增压器转子系统的焊接涡轮进行研究,分析了焊接涡轮在倒角为3mm、4mm、5mm、开孔深度为12 mm、16 mm、19 mm、20 mm、25 mm下涡轮的应力情况。结果表明,焊接涡轮开孔深度可选择12~16mm,涡轮总体应力变化趋势较为缓和,有利于堆放焊接加工时形成的焊渣;倒角对涡轮应力受开孔深度的影响较小,但根据加工经验来看,倒角建议选择倒角为4mm。该研究结果进一步确定了船用涡轮增压器焊接涡轮机械加工的初步参数,对指导摩擦焊接加工具有重要意义。

大型齿轮锻钢件中最大夹杂物尺寸预测及验证

极值统计分析法(SEV)被广泛应用于材料相关领域。本文利用SEV法,根据夹杂物分布规律,使用扫描电镜对冒口(M)和水口(S)试样中的夹杂物进行分析,预测齿轮钢锻件中最大夹杂物尺寸。对同一大型锻件不同位置最大夹杂物尺寸进行检测,其中M和S试样检测出的最大夹杂物尺寸分别为34.43μm和32.10μm,预测的最大夹杂物尺寸为47.42μm和56.45μm,95%置信区间分别为5.05和6.29,实测夹杂物尺寸与预测值相近,证明了SEV法的可行性和有效性。

基于声学有限元的柴油机增压器压气机气动噪声研究

为研究船用低速柴油机增压器压气机气动噪声,采用计算流体动力学和声学有限元的混合计算方法进行了数值预测。通过试验对压气机计算模型进行了验证。在3个工况下对压气机非定常流场进行了计算,其中压力脉动被用作声学计算中的声源信息;采用声学有限元方法对压气机气动噪声进行了预测。结果表明:计算流体力学和声学有限元的混合计算方法具有较高的计算精度,可以用于压气机气动噪声数值预测;压气机进口气动噪声主要谱成分为离散单音噪声和宽频噪声;离散单音噪声在叶片通过频率处有明显的指向性,存在两个突出峰值。

高速永磁同步电机控制策略综述

永磁同步电机具有结构简单、质量轻、体积小、损耗低等优点,是汽车、船舶等交通领域的关键部件之一。电机转速的提高能够减小体积、降低噪音及提高功率密度,是未来的一个必然发展趋势。电机高速和小型化将导致难以安装传感器,使现有基于多传感器的控制理论面临挑战。本文通过回顾永磁同步电机的结构、工作原理和建模思想,对其相关的控制理论如现代控制、智能控制等现状进行了综述,并比较了优缺点。针对高速永磁同步电机无传感器的需求,讨论了矢量控制、神经网络学习等控制方法,并对未来控制策略的建立给出相关的建议。

DFMEA在车用燃料电池空压机设计中的应用

氢气具有资源丰富、热值高和无污染等特点,因而是燃料电池汽车最理想的二次能源。空压机作为燃料电池汽车的关键总成,掌握其核心部件的设计和制造技术非常必要。应用传统的设计方法进行相关零部件如空气轴承、压气叶轮、外壳等开发容易出现精度、可靠性及寿命等问题,导致反复修改提高了研发的成本,因而在零部件设计中引入设计潜在失效模式及影响分析(DFMEA)等分析理论有助于提升设计的合理性。论文首先回顾DFMEA的产生背景、分类及在汽车行业的应用现状,其次分析了使用时存在的问题,最后以DFMEA在空压机核心零部件设计中的应用为例,评估了设计的风险并给出了改进的建议。相关研究有助于提升车用燃料电池空压机的设计水平,进一步缩小与国外的技术差距,促进燃料电池汽车的快速普及。

涡轮增压器喷嘴环冲蚀磨损后气动特性研究

船用柴油机排放尾气中的固体颗粒会对可变混流涡轮造成冲蚀磨损,导致喷嘴环表面材质剥落,表面粗糙度增加,降低喷嘴环使用寿命。该研究利用ANSYS CFX软件,基于气固两相流的欧拉-拉格朗日法和Finnie磨损模型,研究不同开度下,磨损产生的表面粗糙度对喷嘴环流场、静压和涡轮性能的影响。研究表明:喷嘴环吸力面和压力面两侧的流动边界层厚度、静熵、湍流动能和表面摩擦因数均随粗糙度的增大而增大,导致边界层附近的流动损失增大、气体内能增加、能量耗散增大;喷嘴环两侧的静压差随粗糙度的增大而增大,使喷嘴环结构载荷增大,可能会降低喷嘴环使用寿命;随着表面粗糙度增大,涡轮效率随之降低,但降低速率却有所减小,对不同开度的影响程度也不同。

超临界二氧化碳轴流透平进排气壳体性能影响研究与验证

透平作为超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环发电系统的核心设备之一,目前缺乏针对机组整体性能的可靠评估与试验验证。针对某S-CO_(2)机组轴流透平不同工况试验测试结果进行了仿真与测试的对比分析,重点讨论了进排气壳体对机组性能的影响。研究结果表明:采用的数值计算方法和综合考虑进排气壳体的计算模型能够较为准确地评估透平不同负荷工况性能;与测试结果相比,效率误差最大为1.77百分点,流量误差最大为5.6%。该透平动叶采取叶冠型式可降低泄漏掺混损失,与普通叶顶间隙型式相比,机组效率提升1.4百分点。有无进排气壳体的仿真结果显示,透平机组(涡轮级+进排气壳体)效率与涡轮级效率相比,最大降低了2.9百分点,主要是由进排气壳体内部的流动损失造成。研究成果为后续S-CO_(2)轴流透平设计与性能研究提供了技术支撑和依据。

新型船用中高速机涡轮增压器自主研发现状及发展趋势

在介绍国外先进船用涡轮增压器产品及技术的基础上,详细探讨我国在船用中高速机增压器的设计、制造等方面取得的技术突破。指出国产船用中高速机涡轮增压器技术经历了引进、消化吸收和自主研发的发展过程,到目前已逐步建立起较为全面的自主研发体系。展望国产船用中高速机涡轮增压器未来的发展方向以及主要的技术难点。

掠流作用及不同穿孔角度时共振腔消声器性能分析

采用数值方法研究了掠流及不同穿孔角度下共振消声器声学性能的影响。通过求解三维非定常、湍流和不可压缩线性Navier-Stokes方程,得到掠流马赫数对不同穿孔角度下消声器传递损失的影响规律。结果发现,穿孔角度越小的消声器在对应马赫数下的共振频率偏移量越少,马赫数从0.05增加至0.1时,原模型与同向穿孔45°、60°、75°、逆向穿孔45°的偏移量分别为12.3%、9.2%、12.3%、20.0%和7.5%,同时同向穿孔的消声器较原模型在共振频率处都有较大的消声量,表明在流动状态下,穿孔角度显著影响消声器的消声性能,且同向穿孔能有效降低流动对消声器的影响。

超临界二氧化碳轴流透平冷却系统耦合传热特性数值研究

针对某型超临界二氧化碳(S-CO_(2))轴流透平开展了冷却系统设计,通过抽取压缩机后管道中低温S-CO_(2)对干气密封、转轴和壳体进行冷却,以保证干气密封工作温度低于200.0℃。采用耦合传热方法分析了该冷却系统的流动和传热特性,对比了不同冷却方案的干气密封、转轴与壳体等固体域的温度分布。结果表明:采用转轴冷却方案时转轴温度降幅达到220.3℃,干气密封最高温度为229.1℃;进一步引入温度更低流量更大的S-CO_(2)对壳体进行冷却,能抑制透平进口处高温主流的加热作用,转轴温度降幅增加到244.1℃,干气密封最高温度下降到181.2℃,同时S-CO_(2)轴流透平干气密封、壳体和转轴等被冷却部件温度梯度可控。该冷却系统为S-CO_(2)轴流透平的安全可靠运行提供了解决方案。