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船舶余热蒸汽喷射器的数值模拟及实验研究

康春录  
【摘要】:能源危机和气候变化问题日益严重,节能减排刻不容缓,航运业耗能巨大,提高船舶能效已成为研究热点。蒸汽喷射器能够有效地利用船舶低品位热能进行制冷、朗肯循环发电和海水淡化,且其结构简单、可靠性高、成本低,具有较高的研究价值和广阔的应用前景。因此,本文开展了蒸汽喷射器性能的实验研究和数值模拟研究。主要研究工作包括:首先,为了探索蒸汽喷射器在发生温度低于100℃工况条件下的性能,拓展其应用领域,本文根据等压混合理论模型设计并制作了适合发生温度低于100℃条件下工作的蒸汽喷射器。针对发生温度40~70℃和蒸发温度10~25℃的工况条件,分别研究了工况条件、喷嘴结构、等截面段结构尺寸和喷嘴出口位置对蒸汽喷射器性能的影响规律。通过实验研究发现:当发生温度为40℃和蒸发温度为25℃时,蒸汽喷射器的性能系数可高达2.6。其次,本文根据实验研究中的蒸汽喷射器结构,建立了蒸汽喷射器数值模拟模型,分别采用k-ε STD、k-ε RNG、k-ε Realizable、k-ω STD和k-ω SST五个湍流模型计算得到不同工况和结构参数条件下蒸汽喷射器的引射系数和临界冷凝压力,将数值模拟结果与实验结果进行对比分析,在两种不同工况条件下分别获得了五个湍流模型中最佳的湍流计算模型。最后,为了进一步优化蒸汽喷射器的结构,在最佳湍流模型基础之上,当发生温度130℃和蒸发温度10℃时,对喷射器轴截面和轴线上的压力、速度、温度、密度分布和流线等蒸汽喷射器内部流场特性进行分析,并研究了混合室等截面段长度和喷嘴出口位置两个结构参数对蒸汽喷射器性能的影响。通过研究发现:引射系数随混合室等截面段长度的增加先增后降,蒸汽喷射器性能最佳的长度区间为25-75mm;引射系数随喷嘴出口与混合室进口距离的增加先增后降,喷嘴的最佳NXP值为55mm。


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