動力與結(jié)構(gòu)混合增壓的水下排氣方法

動力與結(jié)構(gòu)混合增壓的水下排氣方法

近年來，國外的水下氣候法進(jìn)行了廣泛的研究和實(shí)驗(yàn)。從偉達(dá)到艾什。wilmadon設(shè)計s開發(fā)的所有系列ie-hs浮游生物都采用了水下氣候法，顯著減少了空氣噪聲，減少了環(huán)境空氣的污染，為游客提供了相對安靜的空間。美國洛克希德公司將發(fā)動機(jī)排氣管道安裝在吃水線上，減少了廢氣系統(tǒng)的熱量分布，并避免在船體表面形成明顯的紅外熱點(diǎn)。在國內(nèi),水下排氣方式仍處于試研階段,李四媂等利用潛艇指揮臺附近的“負(fù)壓區(qū)”布置柴油機(jī)通氣排氣口,表明:采用“負(fù)壓區(qū)”排氣口后,柴油機(jī)的排氣背壓有明顯的降低.孟清正教授等研究了水下排氣對螺旋槳的影響、排氣口位置的選擇和艇的阻力變化3個方面,認(rèn)為水下排氣是軍用高速艇柴油機(jī)的理想排氣方式.本文在分析已有水下排氣方式基礎(chǔ)上,提出水下動力與結(jié)構(gòu)混合增壓的排氣方式,并對其水下排氣機(jī)理進(jìn)行簡要的分析與研究.1低負(fù)荷和結(jié)構(gòu)的混合壓力法1.1兩種排氣方式所形成的負(fù)低壓區(qū)水下負(fù)(低)壓區(qū)排氣即通過形成一定的負(fù)(低)壓區(qū)域,并將柴油機(jī)排氣口布置在此負(fù)(低)壓區(qū)內(nèi),單靠柴油機(jī)的排氣壓力就可以克服外界海水壓力,實(shí)現(xiàn)水下排氣.可分為兩種情況:一種是根據(jù)流體的繞流理論,在阻擋物體的周圍存在一定時間的負(fù)壓變化.例如:在船底設(shè)計和安裝某型裝置,當(dāng)船高速行駛時,在該裝置的末端、船體的底部出現(xiàn)不規(guī)則的、紊亂的漩渦流動狀況.根據(jù)理想流體理論,由于漩渦不可能將旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為勢能,因而尾渦區(qū)內(nèi)的壓力總是低于裝置前端的壓力,即在裝置的末端形成負(fù)(低)壓區(qū)域.另一種是根據(jù)文丘里效應(yīng),在漸縮管口由于流速的增加,導(dǎo)致管內(nèi)形成真空.例如:在船底設(shè)計和安裝“中間窄、兩邊寬”的流體管道,當(dāng)船高速行駛時,高速水流經(jīng)過中間的漸縮管道后,速度愈加加快,根據(jù)定常流中的能量方程,速度加快,壓強(qiáng)降低,即在流體管道的中間部位產(chǎn)生一定的真空度,由此將柴油機(jī)排氣管道內(nèi)的廢氣吸出,實(shí)現(xiàn)水下排氣.兩種排氣方式所形成的負(fù)(低)壓區(qū)域的范圍大小和壓強(qiáng)大小受航速、水深、橫距及船型的影響較大,給水下負(fù)(低)壓區(qū)排氣方式的實(shí)現(xiàn)帶來了很大難度.1.2y型叉管支管直徑在上述水下排氣方式基礎(chǔ)上,如圖1所示,設(shè)計出水下動力與結(jié)構(gòu)混合增壓排氣方式,右上圖為導(dǎo)流罩內(nèi)叉管結(jié)構(gòu)的俯視圖.其工作原理是借用空壓機(jī)5產(chǎn)生的高壓氣體克服外界海水背壓,在排氣管末端Y型叉管4內(nèi)形成“氣泡”,增加排氣壓力,降低排氣背壓,使動力系統(tǒng)排出的廢氣能順利排到外界環(huán)境中.其中,Y型叉管不僅起結(jié)構(gòu)增壓的作用,而且能充分利用空壓機(jī)排出的高壓氣體,防止因排氣管道直徑過大而導(dǎo)致海水倒灌.圖中,α為Y型叉管叉角,d1為Y型叉管支管直徑.2產(chǎn)品尺寸的影響針對水下動力與結(jié)構(gòu)混合增壓排氣方式,在Y型叉管排氣口建立水微團(tuán)力學(xué)模型,進(jìn)行水下排氣機(jī)理分析.如圖2所示.在文獻(xiàn)基礎(chǔ)上,根據(jù)連續(xù)性方程,在叉管的主管與支管間有其中,v0和d0分別為叉管主管排氣速度與直徑.由公式(1)和文獻(xiàn)可知,排氣壓力p1*中動壓的大小取決于主管直徑d0、支管直徑d1和主管排氣速度v0.靜壓p1的大小取決于柴油機(jī)與空壓機(jī)的混合排氣壓力p0和管道的靜壓損失Δp.一般認(rèn)為v′=0,這樣海水壓力p3*與排氣深度h0有關(guān).因此,若想實(shí)現(xiàn)水下排氣,則必須增大排氣壓力p1*,當(dāng)柴油機(jī)參數(shù)已知時,其主要與d1、α有關(guān).3在水下動力和結(jié)構(gòu)的混合壓力下排水3.1排氣道的能量特性設(shè)排氣管道的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示,其中柴油機(jī)排氣管道直徑為120mm,動力增壓管道直徑為40mm,在GAMBIT中給排氣管道劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格.假設(shè)空壓機(jī)氣體與柴油機(jī)氣體不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng),采用FLUENT中的SPECIES容積反應(yīng)物質(zhì)輸運(yùn)模型,由于考慮了溫度的影響,因此選擇能量方程.設(shè)排氣管道的入口流速為114m/s,增壓管道的入口流速為500m/s,排氣管出口壓強(qiáng)為排氣深度1m所對應(yīng)的靜水壓,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù).柴油機(jī)與空壓機(jī)氣體的物質(zhì)屬性見表1.圖3為排氣管道與增壓管道連接處的速度、壓強(qiáng)云圖,從圖中可以看出,連接處的壓強(qiáng)值最小,這主要是因?yàn)楦叩蛪簹怏w之間劇烈的剪切作用,使得氣體的能量損失增加,從而形成了一定的低壓區(qū)域.而在連接處以外,排氣的壓力明顯逐漸增加,起到了動力增壓的效果.此時,如果連接處的壓強(qiáng)值小于柴油機(jī)允許的排氣背壓7000Pa,那么就可以實(shí)現(xiàn)1m深的水下排氣,即柴油機(jī)排出的低壓氣體能通過卷吸作用而排出排氣管道.3.2y型叉管仿真模型建立若靜壓損失Δp=p0-p1<0,則認(rèn)為叉管結(jié)構(gòu)起增壓作用,為了研究叉管結(jié)構(gòu)的增壓機(jī)理,不考慮動力增壓與結(jié)構(gòu)增壓的耦合作用,運(yùn)用FLUENT進(jìn)行流場仿真分析.設(shè)叉管主管直徑為120mm,主管、支管的長度為700mm,在GAMBIT中建立如圖1所示的叉管模型,并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.設(shè)置入口流速為114m/s、出口壓強(qiáng)為7000Pa,其他仿真參數(shù)同上.如圖4(a)表示的是當(dāng)d1=80mm時,靜壓損失Δp、排氣總壓p1*隨叉角α的變化關(guān)系圖,從圖中可以看出,隨著叉角α的不斷增加,Y型叉管的靜壓損失Δp不斷增加,排氣壓力p1*總體上呈下降趨勢.圖4(b)表示的是當(dāng)α=75°時,靜壓損失Δp、排氣總壓p1*隨支管直徑d1的變化關(guān)系圖,從圖中可以看出,隨著支管直徑d1的不斷增加,Y型叉管的靜壓損失Δp逐漸減少,排氣總壓p1*總體上呈上升趨勢,當(dāng)支管直徑較大時,排氣總壓的增加量并不明顯.綜上所述,當(dāng)叉角α較小、支管直徑d1較大時,叉管結(jié)構(gòu)能夠起到增壓作用.3.3y型叉管排氣比直接排氣更有利于提高倒灌量當(dāng)外界海水壓力p3*大于排氣壓力p1*時,海水滲入排氣管,此時艇上浮,因此需考慮海水壓力p3*的不斷變化.設(shè)艇的上浮速度為v↑,在其開始上浮后t時刻,根據(jù)不可壓縮流體的能量方程,并忽略沿程損失的影響,取截面0-0、1-1,列伯努利方程有式中,ξ0為海水經(jīng)過Y型叉管處的局部阻力系數(shù),ξ1為海水經(jīng)過Y型叉管排氣口處的局部阻力系數(shù),其本質(zhì)上等同于水槽中的水經(jīng)過水龍頭排出.由此,當(dāng)艇從水下深度h0浮到水面時,流入排氣管內(nèi)的水流體積為由式(5)可知,隨著支管直徑d1的不斷增大,流入排氣管內(nèi)的水流體積也不斷增多,而且這種影響效應(yīng)非常大.同時,上浮速度越快,排氣深度越深,流入排氣管內(nèi)的水流體積也越多.若柴油機(jī)廢氣不經(jīng)過Y型叉管直接排放到外界環(huán)境當(dāng)中,則式(2)變?yōu)榍蠼鈜0,則t時刻叉管主管內(nèi)的流量為比較式(6)和式(8),若常數(shù)A<B,即時,采用Y型叉管排氣比直接排氣更有利于減小海水的倒灌量.4堿減量的影響本文提出了一種新型的水下動力與結(jié)構(gòu)混合增壓排氣方式,并分析論證了其可以實(shí)現(xiàn)水下排氣.利用流體動量定理,在排氣口建立水微團(tuán)力學(xué)模型,分析表明提高排氣壓力可以實(shí)現(xiàn)水下排氣.采用SPE-CIES仿真模型,對高低壓氣體的混合特性進(jìn)行分析研究,得出高低壓氣體之間劇烈的剪切作用,使得兩管道的連接處出現(xiàn)低壓區(qū)域,揭示出柴油機(jī)氣體排出管道的排氣機(jī)理.通過仿真分析與理論計算,證明了叉管結(jié)構(gòu)不僅具備結(jié)構(gòu)增壓的作用,而且有利于減小海水的倒灌量.本文的研究內(nèi)容為后續(xù)混合增壓排氣系統(tǒng)的設(shè)計提供了理