闭式循环柴油机排气冷却吸收系统研究

论文摘要

水下动力装置选择闭式循环柴油机系统作为主动力,主要由于柴油机技术成熟而具有风险小、成本低等优点。而其排放气体的冷却及CO2处理是非常重要的关键技术。为了提高闭式循环柴油机系统的整体性能,本文以其排气冷却吸收系统为研究对象展开工作。以仿真计算为基础,自行设计了直接接触式冷却器,并得到实验验证。对用于排气CO2吸收系统的错流型旋转床压降及吸收传质特性进行了实验研究,针对性能状况提出结构改进方案,利用计算流体力学软件理论分析方案的可行性。研究内容如下：1.利用VOF多相流模型,计算分析壁面散热和混合气体不同浓度对冷却器温度场的影响,仿真计算排气经水直接接触冷却。实验测量值低于计算值,实验得到冷却效果较为理想,能够满足闭式循环柴油机系统的要求。2.实验研究错流型旋转床的气相压降随旋转床转速和吸收水流量的变化关系；测定旋转床进出口CO2气体浓度与旋转床转速和吸收水流量的变化关系,计算得出吸收传质效率值。实验测得该旋转床最大吸收传质效率为12%左右。3.对旋转床结构提出改进方案,数值仿真轴折流旋转床的单相流场及两相流场。气相单相阻力损失约为55Pa,气流整体上沿“S”形通道在床层内螺旋上升,理论分析得出最有利于传质的是逆流接触区。选择欧拉多相流模型模拟旋转床内气液两相的流动情况,得到了旋转床内不同截面的压力云图、速度矢量图,相含率分布图等流体力学分布情况,模拟结果较为合理,能够真实反应旋转床内两相流场的分布情况。利用计算流体力学软件并合理简化模型,对气液两相流传热、传质进行数值仿真,为闭式循环柴油机冷却吸收系统的设计提供一定的理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 AIP系统简介
• 1.1.1 闭式循环柴油机系统
• 1.1.2 闭式循环斯特林系统
• 1.1.3 闭式循环汽轮机系统
• 1.1.4 燃料电池系统
• 1.1.5 小功率核动力装置
• 1.2 闭式循环柴油机发展历史及现状
• 1.3 排气冷却吸收系统研究背景
• 1.3.1 直接接触式冷却及研究进展
• 1.3.2 超重力旋转床及研究进展
• 1.4 本文主要内容和工作
• 第2章 计算模型及理论基础
• 2.1 计算流体力学控制方程及模型
• 2.1.1 能量守恒方程
• 2.1.2 质量守恒方程
• 2.1.3 动量守恒方程
• 2.1.4 标准k-ε湍流模型
• 2.1.5 容积比率方程
• 2.1.6 VOF模型
• 2.1.7 Eulerian模型
• 2.2 超重力旋转床理论基础及模型
• 2.2.1 流体力学性能及模型
• 2.2.2 气液传质性能及模型
• 2.2.3 气液吸收时的平衡关系
• 2.3 本章小结
• 第3章 直接接触式冷却器模拟计算
• 3.1 冷却器温度场计算简化
• 3.1.1 壁面散热对冷却器温度场的影响
• 3.1.2 排气成分对冷却器温度场的影响
• 3.2 网格划分及相关设置
• 3.3 冷却器温度场结果分析
• 3.4 冷却器压力场结果分析
• 3.5 冷却器流场结果分析
• 3.6 气液两相流体积分布
• 3.7 本章小结
• 第4章 排气冷却吸收系统实验研究
• 4.1 实验台架的搭建
• 4.2 主要实验设备及仪器
• 4.2.1 冷却器
• 4.2.2 吸收器
• 4.2.3 烟气分析仪
• 4.2.4 其它仪器
• 4.3 实验流程
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.4.1 冷却器换热性能
• 4.4.2 旋转床压降特性
• 4.4.3 旋转床吸收特性
• 4.5 本章小结
• 第5章 旋转床结构改进与探讨
• 5.1 轴折流旋转床的提出
• 5.2 模拟介质的假设
• 5.3 气相单相流场CFD模拟
• 5.3.1 网格划分及相关设置
• 5.3.2 气相单相流场结果及分析
• 5.3.3 气相单相压力场结果及分析
• 5.4 气液两相流场CFD模拟
• 5.4.1 网格划分及相关设置
• 5.4.2 气液两相流场结果及分析
• 5.4.3 气液两相压力场结果及分析
• 5.4.4 气液两相流液相含率
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢