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鱼雷燃烧室气-液-固三相耦合换热数值仿真

陈肯 冯要飞 宗潇 伊进宝 肖炎彬 史小锋

陈肯, 冯要飞, 宗潇, 等. 鱼雷燃烧室气-液-固三相耦合换热数值仿真[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(3): 442-450 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0004
引用本文: 陈肯, 冯要飞, 宗潇, 等. 鱼雷燃烧室气-液-固三相耦合换热数值仿真[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(3): 442-450 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0004
CHEN Ken, FENG Yaofei, ZONG Xiao, YI Jinbao, XIAO Yanbin, SHI Xiaofeng. Simulation of Torpedo Combustion Chamber Thermal-Fluid-Solid Coupling Heat Transfer[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(3): 442-450. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0004
Citation: CHEN Ken, FENG Yaofei, ZONG Xiao, YI Jinbao, XIAO Yanbin, SHI Xiaofeng. Simulation of Torpedo Combustion Chamber Thermal-Fluid-Solid Coupling Heat Transfer[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(3): 442-450. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0004

鱼雷燃烧室气-液-固三相耦合换热数值仿真

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0004
详细信息
    作者简介:

    陈肯:陈 肯(1997-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下航行器能源动力推进技术

  • 中图分类号: TJ630.32

Simulation of Torpedo Combustion Chamber Thermal-Fluid-Solid Coupling Heat Transfer

  • 摘要: 为了提高鱼雷燃烧室的冷却换热性能, 文中基于热流固耦合数值计算方法, 开展了鱼雷燃烧室内气-液-固三相冷却换热过程数值仿真, 得到了燃烧室在2种不同冷却水流道结构下的流场分布情况, 并对不同流道结构下的冷却换热性能进行了分析。研究结果表明, 随着冷却区域底部流道数量的增加, 冷却区域底部湍流强度减弱, 局部高温区变小; 随着冷却区域出口流道数量的增加, 出口处的湍流、漩涡及局部高温区逐渐消失, 冷却区域底部由水流对冲而产生的截流现象消失; 增加流道数量的方式使换热效率提升, 且增加底部流道数量的方式对换热效率的提升效果更明显; 通过增加燃烧室流道数量使冷却换热功率提升了约8.5%, 壳体的最高温度降低了11 K。文中的研究结果可对鱼雷燃烧室冷却结构的设计及改进提供参考。

     

  • 图  1  计算域提取图

    Figure  1.  Extraction graph of computational domain

    图  2  不同结构冷却水域流道差异

    Figure  2.  Channel differences of the cooling water area for different structures

    图  3  计算域网格划分结果

    Figure  3.  Grid division result of computational domain

    图  4  网格无关性验证结果

    Figure  4.  Verification results of grid independence

    图  5  不同结构燃烧域温度分布云图

    Figure  5.  Temperature contours of combustion area for different structures

    图  6  不同结构燃烧域出口端温度分布曲线

    Figure  6.  Temperature curves of combustion area in the outlet for different structures

    图  7  不同结构燃烧域速度流线图及矢量图

    Figure  7.  Velocity streamlines and vectors of combustion area for different structures

    图  8  不同结构冷却水域温度分布云图

    Figure  8.  Temperature contours of the cooling water area for different structures

    图  9  不同结构冷却水域螺旋流道温度分布曲线

    Figure  9.  Cooling water temperature curves in the spiral channel for different structures

    图  10  不同结构冷却水域出口段温度分布曲线

    Figure  10.  Temperature curves of the cooling water in the outlet area for different structures

    图  11  不同结构差异处冷却水域温度分布云图

    Figure  11.  Temperature contours of the cooling water area at the differences for different structures

    图  12  不同结构冷却水速度流线图

    Figure  12.  Velocity streamlines of the cooling water area for different structures

    图  13  不同结构螺旋流道水流速度分布曲线

    Figure  13.  Cooling water velocity curves in the spiral channel for different structures

    表  1  不同结构参数对比

    Table  1.   Parameters comparison for different structures

    参数结构1结构2
    底部流道数/条618
    出口流道数/条112
    螺旋流道及碗状底部流入
    横向出口流道的通道数/条
    110
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    表  2  网格无关性验证网格划分方案

    Table  2.   Grid division scheme of grid independence verification

    参数方案
    1234
    冷却水域网格尺寸/mm0.50.40.3400.29
    燃气域网格尺寸/mm3.03.03.0002.00
    网格总数×104687.0965.01 3491 770
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    表  3  湍流模型选择边界条件设置

    Table  3.   The boundary condition setting of turbulence model selection

    边界条件参数值
    冷却水入口类型质量流入口
    冷却水入口流量/(kg/s)0.88
    冷却水入口温度/K292.39
    冷却水出口类型压力出口
    冷却水出口压力/MPa0
    冷却水出口回流温度/K320.19
    燃料注入温度/K300.00
    燃料液滴直径/mm0.10
    燃料流量/(kg/s)1.33
    燃料喷射半角/(°)35.00
    燃气出口类型压力出口
    燃气出口压力/MPa20.02
    燃气出口回流温度/K1354.75
    计算域网格交界面类型Coupled Wall
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    表  4  不同湍流模型仿真与结果

    Table  4.   Simulation and experiment results of different turbulence models

    参数模型试验
    结果
    $ k{\text{-}}\varepsilon $RNG $ k{\text{-}}\varepsilon $可实现$ k{\text{-}}\varepsilon $
    冷却水
    出口温度/K
    317.91315.27318.44320.19
    冷却水
    出口温升/K
    25.5222.8826.0527.80
    冷却水温升相对
    误差/%
    8.2017.706.31
    燃气
    出口温度/K
    1 371.651 373.181 371.241 354.75
    燃气温度
    相对误差/%
    1.251.361.22
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    表  5  不同工况下仿真与试验结果对比

    Table  5.   Results comparation between the simulation and experiment on the different working conditions

    参数阶段低工况中工况高工况
    冷却水
    温升/K
    仿真14.3116.4827.00
    试验13.6415.9426.48
    相对误差/%4.913.391.96
    燃气出口温度/K仿真1 376.871 337.681 404.70
    试验1 398.151 353.551 418.25
    相对误差/%1.521.170.96
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    表  6  除结构差异外其余边界条件设置

    Table  6.   The other boundary condition setting except the structural difference

    边界条件参数值
    冷却水入口类型质量流入口
    冷却水入口流量/(kg/s)0.823
    冷却水入口温度/K282.110
    冷却水出口类型压力出口
    冷却水出口压力/(MPa)0
    燃料注入温度/K300.000
    燃料液滴直径/mm0.100
    燃料流量/(kg/s)1.230
    燃料喷射半角/(°)35.000
    燃烧室出口类型压力出口
    燃烧室出口压力/(MPa)21.530
    交界面类型Coupled Wall
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    表  7  不同结构仿真结果对比

    Table  7.   The comparison of simulation results for different structures

    参数结构1结构2
    冷却水出口温度/K309.1311.4
    燃气出口温度/K1404.71396.9
    冷却水温升/K27.029.3
    壳体内表面均温/K473.8470.2
    壳体内表面最高温/K948.0937.0
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    表  8  不同结构差异处温度值

    Table  8.   The temperatures at the differences for different structures

    参数结构1结构2
    碗状底部流道入口处温度/K301.8302.1
    出口流道入口处温度/K307.6309.5
    冷却水域出口处温度/K309.1311.4
    碗状底部流道段温度变化值/K5.87.4
    出口流道段温度变化值/K1.51.9
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-05
  • 修回日期:  2022-08-02
  • 录用日期:  2022-08-10
  • 网络出版日期:  2023-05-26

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