劉美伊 ，孫 濤 ，劉家興 ，沈啟航 ，李中柱

（哈爾濱工程大學(xué)南安普頓海洋工程聯(lián)合學(xué)院1，動(dòng)力與能源工程學(xué)院2：哈爾濱 150001；3.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

在對(duì)船舶燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行試驗(yàn)或仿真分析時(shí)，很難真正還原實(shí)際整機(jī)模型，往往是對(duì)單獨(dú)的試驗(yàn)部件進(jìn)行分析，進(jìn)而推斷整機(jī)特性，這就需要對(duì)部件試驗(yàn)和整機(jī)試驗(yàn)的差異進(jìn)行修正。二者之間的差異通常體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，會(huì)對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行成比例的縮小來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)分析。然后，由于實(shí)際試驗(yàn)很難達(dá)到實(shí)際的高溫條件，通常進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)，通過(guò)相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)試驗(yàn)條件。另外，排氣系統(tǒng)在工作時(shí)，渦輪出口截面工質(zhì)的物性、流動(dòng)不均勻性，排氣系統(tǒng)外界環(huán)境的風(fēng)、溫度場(chǎng)、鹽霧等也會(huì)影響排氣系統(tǒng)的工作特性。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于排氣系統(tǒng)的研究主要關(guān)注船舶排氣系統(tǒng)內(nèi)紅外抑制器的結(jié)構(gòu)與紅外抑制特性，采用試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算做了大量關(guān)于引射器內(nèi)流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)與引射性能的基礎(chǔ)性研究。杜朝輝等[1]根據(jù)搭建的排氣試驗(yàn)臺(tái)，提出由試驗(yàn)結(jié)果到實(shí)物需要經(jīng)過(guò)?；刃拚椒?；周紹榮等[2]則通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了各級(jí)擴(kuò)壓環(huán)引射入口沿主流方向的時(shí)均速度分量隨不同工況的變化規(guī)律；張?jiān)萚3]對(duì)不同結(jié)構(gòu)和邊界條件主流傾斜的引射器進(jìn)行試驗(yàn)研究；李東明等[4]對(duì)船舶燃?xì)廨啓C(jī)排氣引射器進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究確定引射器結(jié)構(gòu)對(duì)引射系數(shù)的影響，引射器內(nèi)部的氣流參數(shù)分布；肖新鷹等[5]提出了一種新型節(jié)能環(huán)保的帶噴射泵的排氣引射器方案，該方案提高了引射系數(shù)，并且可實(shí)現(xiàn)無(wú)污染排放；張保成等[6]為重載車(chē)輛優(yōu)選設(shè)計(jì)了一種排氣抽塵引射器；曹學(xué)偉等[7]提出了針對(duì)直升機(jī)動(dòng)力艙冷卻用的排氣引射混合管設(shè)計(jì)的改進(jìn)方法—修正系數(shù)法；方浩百等[8]對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)排氣引射器性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了地面試車(chē)間內(nèi)噴管-引射器流動(dòng)規(guī)律；林仁磊[9]對(duì)新型船用燃?xì)廨啓C(jī)排氣引射器進(jìn)行了研究，提出了兩大結(jié)構(gòu)創(chuàng)新點(diǎn)噴管結(jié)構(gòu)從圓形過(guò)渡到矩形和擴(kuò)壓管采用多級(jí)結(jié)構(gòu)；文彬等[10]對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣引射器推力性能進(jìn)行了研究，給出了各波瓣引射器相對(duì)于引射器的推力損失情況；孫起超[11]、于云亮等[12]對(duì)不同構(gòu)型的排氣引射器進(jìn)行了研究；龔偉[13]則對(duì)復(fù)合型紅外抑制裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究；李波[14]搭建試驗(yàn)臺(tái)模擬船舶排氣煙囪內(nèi)部流動(dòng)情況，測(cè)定不同百葉窗參數(shù)對(duì)排氣系統(tǒng)引射能力的影響；李強(qiáng)[15]完成了進(jìn)排氣系統(tǒng)阻力模擬裝置自身流動(dòng)損失特性的試驗(yàn)研究；Maqsood 等[16]通過(guò)試驗(yàn)以及數(shù)值仿真研究了混合管的彎曲角度對(duì)引射器性能的影響以及進(jìn)口氣流旋轉(zhuǎn)對(duì)引射器性能的影響；Bottenheim 等[17]在對(duì)2 種特殊形狀的引射器排氣外殼進(jìn)行了試驗(yàn)研究，考察進(jìn)氣旋轉(zhuǎn)對(duì)2 種引射器性能的影響；Qi 等[18]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)帶有4 級(jí)擴(kuò)壓器的圓形直管排氣引射器進(jìn)行了研究，得到了進(jìn)氣旋轉(zhuǎn)和流體溫度對(duì)引射器性能的影響；Moss[19]和Harrell[20]研究了噴嘴出口與混合管進(jìn)口間距對(duì)引射效果的影響；Ross[21]和Welch[22]對(duì)排氣引射系統(tǒng)進(jìn)行了熱態(tài)研究，驗(yàn)證了Moss 和Harrell 在冷態(tài)條件下得到的結(jié)論；Eick[23]和Kavalis[24]對(duì)帶有多重屏蔽罩的排氣引射器進(jìn)行了熱態(tài)試驗(yàn)，得到了引射系數(shù)、混合管靜壓、出口速度等性能參數(shù)；Staples[25]研究了紊態(tài)橫向流動(dòng)對(duì)引射器工作性能的影響規(guī)律；White[26]在熱態(tài)試驗(yàn)中首次使用了計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；Davis[27]研究了噴嘴的傾斜扭轉(zhuǎn)及短混合管對(duì)引射能力的影響。

針對(duì)研究船用燃機(jī)排氣系統(tǒng)部件單獨(dú)試驗(yàn)條件下與整機(jī)運(yùn)行環(huán)境下流場(chǎng)工作特性的差別問(wèn)題，采用數(shù)值仿真的方法，研究由于燃機(jī)渦輪出口排氣溫度、工質(zhì)組分等造成的排氣系統(tǒng)中流動(dòng)狀態(tài)的改變，研究在不同外界風(fēng)速風(fēng)向條件下排氣系統(tǒng)中內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，獲取引射器阻力特性變化，分析外界不同大氣條件對(duì)于排氣系統(tǒng)各組成部件工作特性的影響機(jī)制。結(jié)合整機(jī)運(yùn)行的不同工況，研究排氣系統(tǒng)部件特性包括阻力特性、渦輪出口壓力分布等變化規(guī)律。針對(duì)船用燃機(jī)排氣系統(tǒng)部件特性試驗(yàn)提出考慮不同工作環(huán)境的全工況修正方法。

1 數(shù)值仿真方法

1.1 物理模型介紹

本文以大型船用排氣系統(tǒng)為研究對(duì)象，考察不同外界邊界條件下排氣系統(tǒng)特性變化。研究中所采用的部件仿真模型為進(jìn)排氣整機(jī)模型中的一部分，結(jié)構(gòu)形狀及尺寸保持一致。進(jìn)排氣系統(tǒng)如圖1 所示，船用整體的模型如圖2所示。

圖1 進(jìn)排氣系統(tǒng)

圖2 大環(huán)境整體模型

1.2 網(wǎng)格劃分

由于系統(tǒng)模型比較大，為了較真實(shí)地反映系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)特性，使用ICEM CFD 網(wǎng)格劃分工具對(duì)計(jì)算域網(wǎng)格進(jìn)行劃分。由于模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以進(jìn)行結(jié)構(gòu)化劃分，因此采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并在重點(diǎn)考察部分及結(jié)構(gòu)尺寸較小的部分進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為2440 萬(wàn)，如圖3、4所示，網(wǎng)格質(zhì)量在0.31以上。

圖3 進(jìn)排氣系統(tǒng)網(wǎng)格

圖4 船體系統(tǒng)網(wǎng)格

1.3 邊界條件設(shè)置

對(duì)于排氣系統(tǒng)整機(jī)仿真模擬，進(jìn)口邊界條件：燃?xì)獍l(fā)生器出口，設(shè)定為質(zhì)量流量進(jìn)口，溫度為燃?xì)鉁囟?，法向進(jìn)氣方向，通過(guò)改變不同流量和溫度來(lái)模擬不同工況，由于未提供燃?xì)廨啓C(jī)在不同工況下的耗油量，故燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器出口的質(zhì)量流量數(shù)值與燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口的質(zhì)量流量相同；出口邊界條件：針對(duì)不同風(fēng)速、風(fēng)向條件則需要在外界大環(huán)境給定大氣速度進(jìn)口，與相應(yīng)的壓力出口，以模擬環(huán)境因素影響。固壁給定絕熱、速度無(wú)滑移。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

對(duì)于排氣系統(tǒng)部件的仿真模擬，進(jìn)口給定和整機(jī)仿真一致的質(zhì)量流量和總溫，出口給定壓力出口邊界。

對(duì)于整機(jī)仿真的百葉窗、濾清器及消音器均給定體的多孔介質(zhì)條件，相關(guān)參數(shù)給定為：03 甲板上面的百葉窗給定：α=7.38×10-6m2，C2=19.25（1/m）；排氣百葉窗：α=5.20×10-6m2，C2=27.33（1/m）；燃燒空氣濾清器：α=4.04×10-7m2，C2=27.88（1/m）；冷卻空氣濾清器：α=2.60×10-6m2，C2=26.04（1/m）；消音器：α=1.12×10-4m2，C2=1.04（1/m）。

船舶在不同海況以及不同需求下需要燃機(jī)在變工況下運(yùn)行，燃機(jī)在不同工況下的排氣引射性能也會(huì)有相應(yīng)的變化。為模擬實(shí)船進(jìn)、排氣系統(tǒng)在工作環(huán)境下的性能指標(biāo)，在給定邊界條件賦予不同的風(fēng)向風(fēng)速條件。

2 邊界條件對(duì)排氣部件特性影響機(jī)理分析

排氣系統(tǒng)的整體性能以及排氣系統(tǒng)中各個(gè)部件的性能會(huì)隨著外界環(huán)境以及發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化而發(fā)生一定的波動(dòng)。外界環(huán)境的影響因素主要包括環(huán)境中的風(fēng)速以及風(fēng)向，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)固定后，排氣系統(tǒng)主要受到發(fā)動(dòng)機(jī)的出口流量的影響，本節(jié)內(nèi)容分別分析外界的風(fēng)速、風(fēng)向和流量對(duì)排氣系統(tǒng)造成的影響。

2.1 流量對(duì)排氣系統(tǒng)特性影響分析

3 種燃機(jī)流量下排氣系統(tǒng)各關(guān)鍵位置的總壓以及溫度等參數(shù)見(jiàn)表2~4。結(jié)合數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的流量的降低，排氣系統(tǒng)入口（發(fā)動(dòng)機(jī)出口）的總壓以及溫度值都隨之降低。

表2 燃機(jī)流量為82.5 kg/s下無(wú)風(fēng)排氣系統(tǒng)各截面參數(shù)

表3 燃機(jī)流量為80.0 kg/s下無(wú)風(fēng)排氣系統(tǒng)各截面參數(shù)

表4 燃機(jī)流量為75.0 kg/s下無(wú)風(fēng)排氣系統(tǒng)各截面參數(shù)

2.1.1 流量對(duì)排氣系統(tǒng)總壓損失影響

總壓損失定義為經(jīng)過(guò)某結(jié)構(gòu)之后進(jìn)口截面上總壓減去出口截面總壓之差。

為了評(píng)價(jià)在不同流量下排氣系統(tǒng)的性能變化，需要對(duì)各參數(shù)進(jìn)行處理。首先將總壓值轉(zhuǎn)化為經(jīng)過(guò)各位置后的總壓損失數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。不同流量下排氣系統(tǒng)各部件的阻力損失值如圖5 所示，從圖5 中可以比較清晰地發(fā)現(xiàn)隨著流量的降低，排氣系統(tǒng)各部件整體的總壓損失也呈下降的趨勢(shì)，并且下降值與流量的變化值呈正相關(guān)。不同流量條件下，排氣系統(tǒng)的主要總壓損失都位于一分四管道位置，而多級(jí)引射器的總壓損失值最低。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，多級(jí)引射器的總壓損失受到發(fā)動(dòng)機(jī)流量變化的影響最小。

表5 不同流量下排氣系統(tǒng)各部件總壓損失情況

圖5 不同流量下排氣系統(tǒng)各部件的阻力損失值

2.1.2 流量對(duì)排氣系統(tǒng)溫度分布影響

排氣系統(tǒng)需要將各位置的排氣溫度控制在可接受的范圍內(nèi)，所以各部件的溫度值也是衡量排氣系統(tǒng)性能最重要的指標(biāo)，尤其是紅外抑制器（多級(jí)引射部分），其作用即為降低排氣溫度。為了綜合衡量不同流量下排氣系統(tǒng)各部件的溫度降低情況，需要對(duì)溫度變化值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得到不同流量下各位置的相對(duì)溫度變化見(jiàn)表6。從表中可見(jiàn)，排氣系統(tǒng)各部件位置的降溫能力隨著排氣流量的增加表現(xiàn)為不同的趨勢(shì)。其中箱裝體引射器和一分四管道的相對(duì)溫度變化隨著流量的降低而降低，但是多級(jí)引射器的相對(duì)溫度變化隨著流量的降低反而有小幅增加。

表6 不同流量下排氣系統(tǒng)各位置相對(duì)溫度變化

2.1.3 流量對(duì)排氣系統(tǒng)引射性能影響

排氣溫度的變化主要受排氣系統(tǒng)的形式結(jié)構(gòu)以及參與摻混的冷卻氣的量來(lái)決定，為了分析造成排氣系統(tǒng)溫度變化的原因，需要對(duì)排氣系統(tǒng)中各位置的引射流量進(jìn)行分析。無(wú)風(fēng)條件下排氣引射量見(jiàn)表7。從表中可見(jiàn)，隨著燃機(jī)流量的減少，排氣系統(tǒng)的引射系數(shù)反而呈增大趨勢(shì)。不同排氣流量條件下排氣系統(tǒng)引射器各位置的總壓值見(jiàn)表8~10。

表7 無(wú)風(fēng)條件下排氣引射量

表8 流量為82.5 kg/s下排氣系統(tǒng)引射器各位置總壓值

表9 流量為80.0 kg/s下排氣系統(tǒng)引射器各位置總壓值

表10 流量為75.0 kg/s下排氣系統(tǒng)引射器各位置總壓值

2.2 風(fēng)速對(duì)排氣系統(tǒng)特性影響分析

風(fēng)速的對(duì)于船舶排氣系統(tǒng)也存在著一定的影響，研究選用無(wú)風(fēng)和較高的風(fēng)速（35 m/s）2 種情況下船舶排氣系統(tǒng)的性能變化。為了能夠代表較多的工況條件，選用靠中間的流量條件按來(lái)進(jìn)行研究，分析流量為80.0 kg/s條件下不同風(fēng)速對(duì)排氣系統(tǒng)的影響分析。無(wú)風(fēng)和風(fēng)速為35 m/s下排氣系統(tǒng)性能參數(shù)見(jiàn)表11、12。

表11 無(wú)風(fēng)條件下排氣系統(tǒng)性能參數(shù)

表12 風(fēng)速為35 m/s條件下排氣系統(tǒng)性能參數(shù)

2.2.1 風(fēng)速對(duì)排氣系統(tǒng)總壓損失影響

在0 ℃、不同風(fēng)速條件下排氣系統(tǒng)各位置總壓損失值計(jì)算值見(jiàn)表13，并如圖6 所示。從表中可見(jiàn)，高風(fēng)速條件下一分四管道的總壓損失急劇升高，多級(jí)引射器的總壓損失略微升高，但是排氣系統(tǒng)的其他部分的總壓損失卻略有降低，對(duì)于排氣系統(tǒng)的整體損失數(shù)據(jù)，無(wú)風(fēng)情況下，排氣系統(tǒng)的總體總壓損失為4132 Pa，而35 m/s 的高風(fēng)速條件下，排氣系統(tǒng)整體的總壓損失降低為4073 Pa，約降低60 Pa。

表13 在0 °C、不同風(fēng)速條件下排氣系統(tǒng)各位置總壓損失計(jì)算值 Pa

圖6 不同風(fēng)速下排氣系統(tǒng)部件總壓損失

2.2.2 風(fēng)速對(duì)排氣系統(tǒng)溫度分布影響

在不同風(fēng)速下排氣系統(tǒng)各部件的平均溫度和最高溫度見(jiàn)表14。

表14 在不同風(fēng)速下排氣系統(tǒng)各部件平均溫度和最高溫度K

在高風(fēng)速條件下，排氣系統(tǒng)的平均溫度溫降能力有所提升，但是最高溫度的溫降能力稍有下降。

2.2.3 風(fēng)速對(duì)排氣系統(tǒng)引射性能影響

當(dāng)外界具有較高風(fēng)速時(shí)，排氣系統(tǒng)的引射能力大幅降低，從10.33%降低為9.88%。同時(shí)排氣系統(tǒng)引射器的各截面的總壓值也大幅降低，從而降低了排氣系統(tǒng)的引射能力。2 種條件下排氣系統(tǒng)的引射能力以及引射器各位置的總壓分布見(jiàn)表15~17。

表15 不同風(fēng)速下排氣系統(tǒng)引射能力 kg/s

3 無(wú)風(fēng)條件下部件試驗(yàn)與整機(jī)環(huán)境的工作特性修正

分別對(duì)無(wú)風(fēng)條件下的排氣系統(tǒng)部件和排氣系統(tǒng)整體進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比修正，最終得到相關(guān)修正方法。

3.1 無(wú)風(fēng)條件下的排氣阻力特性修正

將排氣系統(tǒng)按子部件結(jié)構(gòu)分解來(lái)看，排氣系統(tǒng)中主要包含了排氣蝸殼、排氣管路、一分四引射、多級(jí)引射器4 個(gè)子部件。分別對(duì)排氣系統(tǒng)各部分的阻力特性進(jìn)行修正從而得到整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)修正特性。排氣系統(tǒng)的阻力特性如圖7所示。

圖7 排氣系統(tǒng)各部件的阻力特性

從圖中可見(jiàn)，在排氣蝸殼中，整機(jī)仿真與部件仿真的排氣阻力特性在7 種流量工況下幾乎保持一致，其他部件整機(jī)仿真和部件仿真的阻力特性都存在差距。這是由于從排氣蝸殼往后的部件都會(huì)從外界引射冷空氣來(lái)降低排氣出口的溫度，使得在箱裝體出口、一分四以及多級(jí)引射器部分會(huì)有冷、熱氣流的摻混，造成在部件仿真和整機(jī)仿真中不同子部件的阻力損失不同。

由于在排氣系統(tǒng)中存在箱裝體引射、一分四以及多級(jí)引射等多個(gè)引射結(jié)構(gòu)，每個(gè)引射結(jié)構(gòu)的引射過(guò)程較復(fù)雜，對(duì)于修正模型的建立不容易實(shí)現(xiàn)。所以，在排氣系統(tǒng)的修正中，由于排氣蝸殼出口的狀態(tài)參數(shù)相似，以最終排氣煙囪出口的參數(shù)建立修正模型。

將所有影響因素考慮在內(nèi)，排氣系統(tǒng)整體阻力特性修正模型為

式中：K1=0.0185；P為修正后的阻力特性；Ps為試驗(yàn)環(huán)境下部件仿真的阻力特性；ΔPcor，1為修正的阻力特性；ρs為試驗(yàn)環(huán)境下部件仿真的流體密度；ms為試驗(yàn)環(huán)境下部件仿真的流體流量；Ss為試驗(yàn)環(huán)境下部件仿真的排氣蝸殼面積；ls為試驗(yàn)環(huán)境下部件仿真的排氣蝸殼得當(dāng)量直徑；mt為整機(jī)仿真排氣蝸殼出口流量；St為整機(jī)仿真排氣蝸殼出口面積；lt為整機(jī)仿真排氣蝸殼出口當(dāng)量直徑，其中整機(jī)與試驗(yàn)排氣蝸殼出口的當(dāng)量直徑之比即為縮比4。

修正后的排氣系統(tǒng)阻力特性如圖8 所示，修正的誤差見(jiàn)表16，通過(guò)修正模型得到的修正值與整機(jī)仿真具有較好的吻合效果。

表16 排氣系統(tǒng)阻力特性修正誤差

圖8 排氣系統(tǒng)阻力特性修正

3.2 無(wú)風(fēng)條件下的排氣引射特性修正

排氣系統(tǒng)部件仿真與整機(jī)仿真之間各子部件的引射特性基本相似，各部件在不同工況下的引射系數(shù)相差都低于1%，所以無(wú)風(fēng)條件下的排氣引射特性不需要修正。各結(jié)構(gòu)的引射特性對(duì)比如圖9所示。

圖9 排氣系統(tǒng)各部件引射特性

4 結(jié)論

（1）隨著發(fā)動(dòng)機(jī)流量的減少，排氣系統(tǒng)入口（發(fā)動(dòng)機(jī)出口）的總壓以及溫度值都隨之降低，但排氣系統(tǒng)的引射系數(shù)反而呈增大趨勢(shì)。

（2）排氣系統(tǒng)的阻力特性與風(fēng)速、風(fēng)向無(wú)關(guān)，進(jìn)行排氣系統(tǒng)阻力特性修正時(shí)只需要修正部件仿真與整機(jī)無(wú)風(fēng)時(shí)的阻力特性即可。

（3）高風(fēng)速條件下一分四管道的總壓損失急劇增大，多級(jí)引射器的總壓損失略微增大，但是排氣系統(tǒng)的其他部分的總壓損失卻略有減小。當(dāng)外界具有較高風(fēng)速時(shí)，排氣系統(tǒng)的引射能力大幅降低，同時(shí)排氣系統(tǒng)引射器的各截面的總壓值也大幅降低，從而降低了排氣系統(tǒng)的引射能力。

（4）排氣系統(tǒng)部件仿真與整機(jī)仿真之間各子部件的引射特性基本相似，各部件在不同工況下的引射系數(shù)相差都低于1%，所以無(wú)風(fēng)條件下的排氣引射特性不需要修正。