基于閉式循環動力系統的魚雷殼體冷凝器一維建模與仿真

韓勇軍，楊赪石，彭　博，郭兆元，路　駿，馬為峰

（中國船舶重工集團公司 第705研究所，陜西 西安，710075）

基于閉式循環動力系統的魚雷殼體冷凝器一維建模與仿真

韓勇軍，楊赪石，彭博，郭兆元，路駿，馬為峰

（中國船舶重工集團公司 第705研究所，陜西 西安，710075）

為深入研究魚雷閉式循環熱動力系統殼體冷凝器的傳熱特性，建立了殼體冷凝器一維傳熱數學模型。通過仿真計算，獲得了殼體冷凝器沿軸向溫度、壓力以及干度分布特性，討論了不同冷卻通道截面尺寸、入口乏汽質量流量及入口乏汽溫度條件對殼體冷凝器工作特性的影響。計算分析結果表明，在殼體冷凝器相同入口乏汽參數條件下，對于不同截面尺寸的冷卻通道，其換熱特性也不同。殼體冷凝器出口溫度受入口乏汽溫度影響較大，出口壓力受入口乏汽質量流量影響較大。可為魚雷殼體冷凝器的性能預示和結構設計提供參考。

魚雷；閉式循環熱動力系統；殼體冷凝器；一維仿真

0　引言

冷凝空間小尺度化對冷凝特性影響的研究是近年來發展迅速的新課題，主要體現在緊湊型冷凝過程和冷凝換熱器的研究和開發上。雖然小尺度通道換熱器在汽車、空調、制冷等行業中得到了廣泛的應用，但是仍然沒有完善的理論模型可以用來指導小尺度通道冷凝換熱器的設計。因此國內外學者針對小尺度通道內兩相流體流動、兩相流壓降及冷凝相變傳熱特性進行了大量理論和試驗的研究，但是有限的小尺度通道冷凝換熱模型只能預測特定范圍的試驗數據，而不能外推到其試驗范圍以外的區域，另外針對閉式循環動力系統這種特殊應用環境的魚雷殼體冷凝器冷凝換熱特性研究更為鮮有。

魚雷閉式循環動力系統不向雷外作任何排放，完全無尾跡，能適應大深度航行，不受背壓影響，是未來魚雷動力發展的方向之一。魚雷閉式循環動力系統一般以過熱蒸汽為工質驅動發動機做功。由于系統與外界無物質交換，做功后的乏汽必須經冷凝裝置冷凝成水后才能供給系統作為循環工質使用。由于魚雷外形和空間的限制，殼體冷凝器必須與魚雷殼體制成一體，利用魚雷殼體外表面與雷外海水進行熱交換，達到冷凝汽輪機乏汽的目的。殼體冷凝器在閉式循環動力系統中起著冷源的作用，其功能是利用魚雷殼體外部海水對汽輪機的乏汽進行冷卻，使水蒸汽凝結變成可重復使用的液態水。殼體冷凝器工作性能的好壞直接影響到閉式循環動力系統的熱經濟性和運行可靠性。

文中針對閉式循環動力系統的魚雷殼體冷凝器流動換熱過程的特點，建立了殼體冷凝器一維仿真計算模型和仿真計算程序，并通過仿真計算分析了不同冷卻通道截面尺寸、入口乏汽質量流量及入口乏汽溫度條件對殼體冷凝器工作特性的影響。

1　一維仿真模型

1.1模型假設

結合殼體冷凝器特殊的使用和運行環境，采用內、外兩層殼體的形式，內殼體外圓周布置冷卻通道，外殼體為光滑圓筒形殼體。冷卻通道采用多頭螺旋矩形通道，冷卻通道整體結構及通道剖面如圖1所示，圖中：D0為殼體冷凝器外表面直徑，即魚雷外表面直徑；D1為冷卻通道底部直徑；D2為冷凝器內殼體外徑；H為螺旋通道高度；b為螺旋通道寬度。

計算時作以下假設：

1）冷卻通道間壁認為是強化傳熱肋片，在計算時考慮翅片效率；

2）將殼體冷凝器外部海水溫度視為常溫；

3）殼體冷凝器內部蒸汽流動為一維穩態流動；

4）忽略沿殼體冷凝器軸向的換熱，只考慮垂直于殼體冷凝器軸向的換熱；

5）忽略重力影響，不計導熱及散熱損失影響。

根據上述假設，考察如圖2所示的控制體，圖中：Tw為外管壁溫度；Tsw為外部海水溫度；in為冷凝器入口蒸汽質量流量；out為冷凝器出口蒸汽質量流量；Tcd為蒸汽溫度；內管壁視為絕熱。殼體冷凝器工作時換熱過程分為兩部分：蒸汽與外管壁的對流換熱、外管壁與外部海水的對流換熱。

圖1　殼體冷凝器冷卻通道結構示意圖Fig.1 Structure of the shell condenser cooling channel

圖2　殼體冷凝器換熱過程簡化模型Fig.2　Simplified heat exchange model of the shell condenser

1.2溫度求解模型

由熱力學第一定律可將殼體冷凝器工作時的換熱過程描述如下［1］。

蒸汽與外管壁的對流換熱過程

式中：h為蒸汽焓值；?cd為蒸汽與壁面的對流換熱系數；n為螺旋通道數；ηf為螺旋通道間強化傳熱肋片效率；dl為計算微元段螺旋通道長度。

η可由以下公式計算［2］

式中：k為各肋片之間的影響系數；mcd為翅片參數；λcd為殼體材料的導熱系數；σcd為冷卻通道間壁厚度，σcd=（πD1-1.2nb/sinα）［sinα/（1.2n）］，其中，α為螺旋通道螺旋升角。

dl可由以下公式計算

式中：s為螺旋通道螺距，s=πD2tanα/ （0.649 5πtanα+1）。

故式（1）可整理為

外管壁與外部海水的對流換熱過程可表示為

式中：?0為外部海水與壁面的對流換熱系數，，其中，UT為魚雷航速，vs為海水動力粘度系數，Prs為海水普朗特數，λs為海水的導熱系數；Bw為冷凝器外圓周長；Tsw為海水溫度。

1.3對流換熱系數求解模型

將殼體冷凝器分3個相區來考慮：過熱區、兩相區、過冷區。相變流動示意圖見圖3。

圖3　相變流動示意圖Fig.3　Schematic of phase change and flow

在過熱區和過冷區，根據管內湍流強迫對流換熱系數試驗關聯式可得［3］

式中：Rem為流動雷諾數，Rem=ρmUm×decdμcd，其中，ρm為流體密度，Um為流體流速，μcd為流體動力粘度；Prm為流體的普朗特數，Prm=μcdcpλcd，其中，cp為流體比熱；decd為通道水力直徑，decd=4×通道流通截面/環形通道濕周長。

在兩相區，采用Akers和Rosson的關聯式［4］，可得對流換熱系數為

式中：Reeq為當量雷諾數，其中，為當量質量流量，Acd為通道橫截面積，μl為飽和水動力粘度。

當量質量流量可由下式計算

式中：xcd為計算微元段的干度；ρl和ρv分別為計算微元段溫度對應的飽和水和飽和蒸汽的密度。

1.4壓力求解模型

計算段蒸汽壓力為

式中：P0為計算微元段進口的蒸汽壓力；ΔPcd為計算微元段的壓力降。

計算微元段的壓力降ΔPcd主要由摩擦阻力壓力降、加速壓力降和流體流動方向發生變化或冷卻通道流通截面變化引起的局部阻力組成。在冷凝過程中，加速壓力降和局部阻力相對摩擦壓降很小可忽略不計，因此只考慮摩擦壓降。

殼體冷凝器冷卻通道內過熱段和過冷段摩擦阻力壓力降ΔPsp的計算公式為

式中：fcd為流體摩擦阻力系數；Lcd′為冷卻通道長度。

fcd計算公式采用Blasius關聯式［5］

對于飽和段，兩相流體的摩擦阻力壓力降為

式中：μl為飽和水的動力粘度系數；ρl為飽和水密度。

2　仿真結果與分析

根據殼體冷凝器一維仿真模型，使用Matlab軟件的Simulink工具箱編制仿真計算程序見圖4。

圖4　仿真計算程序Fig.4　Program for simulation

根據計算初始參數可求得殼體冷凝器第一個計算微元段的換熱系數和壓力，然后由式（7）可得計算微元段出口處的蒸汽焓值，再由焓值、壓力查水和水蒸氣性質計算數據庫，可得到計算微元段出口處的溫度、干度等參數。經迭代計算，即可得到沿殼體冷凝器軸向的各參數分布情況。

下面分別針對不同冷卻通道截面尺寸、入口乏汽質量流量和入口乏汽溫度條件，對殼體冷凝器進行仿真計算。

1）冷卻通道截面寬和高的尺寸分別為4×5、6×5、8×5、10×5時，在相同入口乏汽參數條件下，乏汽各參數沿軸向變化情況見圖5～圖8。

2）在相同入口乏汽溫度條件下，不同入口乏汽質量流量的仿真結果如圖9所示。

3）在相同入口乏汽質量流量條件下，不同入口乏汽溫度的仿真結果如圖10所示。

從圖5～圖8可以看出，在殼體冷凝器的入口氣相段，乏汽迅速與外部冷卻水換熱并降溫，溫度很快從過熱溫度降低到飽和溫度，并且由于乏汽體積的減小，壓力也迅速下降。此時進入兩相區進行相變，兩相區的溫度維持在飽和溫度附近。但由于流動阻力，導致單元的壓力有所下降，以致兩相區的溫度并不是完全恒定的，而是有略微的下降。在殼體冷凝器后段，乏汽溫度又開始逐漸下降，說明已經進入液相區，此時乏汽處于過冷狀態，直至殼體冷凝器出口。

圖5　乏汽焓值沿軸向變化曲線Fig.5　Curves of steam exhaust enthalpy along the axis

圖6　乏汽壓力沿軸向變化曲線Fig.6　Curves of steam exhaust pressure along the axis

圖7　乏汽溫度沿軸向變化曲線Fig.7　Curves of steam exhaust temperature along theaxis

從計算結果還可得到在相同入口乏汽參數條件下，對于不同截面尺寸的冷卻通道，其換熱特性也不同。冷卻通道寬度越寬，其頂部有效換熱面積會增大，更有利于換熱，故乏汽焓值、溫度下降梯度也會越大。但隨著通道寬度的增大，通道截面積也會增大，乏汽入口流速會隨之降低，換熱系數會有所降低，故當通道寬度增大到一定程度后，乏汽焓值、溫度下降梯度反而會有所下降。

圖8　乏汽干度沿軸向變化曲線Fig.8　Curves of steam exhaust dryness along the axis

圖9　不同入口乏汽質量流量下的仿真結果Fig.9　Simulation results with different mass flows of inlet steam exhaust

圖10　不同入口乏汽溫度下的仿真結果Fig.10　Simulation results with different inlet steam exhaust temperatures

從圖9～圖10可以看出，殼體冷凝器出口溫度隨入口乏汽質量流量和入口乏汽溫度的增加而不斷升高，且受入口乏汽溫度影響更大。殼體冷凝器出口壓力隨入口乏汽質量流量和入口乏汽溫度的增加而不斷降低，且受入口乏汽質量流量影響更大。主要是因為當入口乏汽質量流量增加時，入口乏汽流速也隨之增加，各段換熱系數亦跟隨增加，故雖然總體換熱量增加，而殼體冷凝器出口溫度變化并不是很大。不過正是由于入口乏汽流速的增加使得摩擦阻力也隨之增加，所以殼體冷凝器出口壓力隨之降低。當入口乏汽溫度增加時，總體換熱量增加，而入口乏汽流速基本不變，各段換熱系數也變化不大，故殼體冷凝器出口溫度隨乏汽入口溫度增加而增加。同時由于入口流速變化不大，使得殼體冷凝器出口壓力變化也比較平緩。

3　結束語

文章建立了魚雷殼體冷凝器一維仿真計算模型，通過編制的仿真計算程序得到殼體冷凝器沿軸向的溫度、壓力和干度分布情況，討論了不同冷卻通道截面尺寸、入口乏汽的質量流量及溫度條件對殼體冷凝器工作特性的影響，可為魚雷殼體冷凝器的性能預示和結構設計提供參考。

［1］沈維道，蔣智敏，童鈞耕.工程熱力學［M］.第3版.北京：高等教育出版社，2001.

［2］余建祖.換熱器原理與設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［3］楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.第4版.北京：高等教育出版社，2006.

［4］Akers W W，Deans H A，Crosser O K.Condensation Heat Transfer within Horizontal Tubes［J］.Chemical Engineering Progress Symposium Series.1959，55（29）：171-176.

［5］Didi M B O，Kattan N，Thome J R.Prediction of Two-Phase Pressure Gradients of Refrigerations in Horizontal Tubes［J］.International Journal of Refrigeration，2002，25（7）：935-947.

（責任編輯：陳曦）

One-Dimensional Modelling and Simulation of Torpedo Shell Condenser in
Closed-loop Thermal Propulsion System

HAN Yong-jun，YANG Cheng-shi，PENG Bo，GUO Zhao-yuan，LU Jun，MA Wei-feng
（The 705 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Xi□an 710075，China）

To understand heat transfer characteristic in shell condenser of closed-loop thermal propulsion system of a torpedo，a one-dimensional heat exchange model of the shell condenser is built.And the temperature，pressure and dryness distributions along the axis of the shell condenser are acquired with the model.In addition，the influences of three factors on the performance of the shell condenser are discussed.These factors are the cross-section size of cooling channel，the mass flow rate and the temperature of inlet steam exhaust.Simulation results indicate that，for same condenser inlet steam exhaust，heat exchange of the cooling channel is affected by its cross-section area.The outlet temperature of the condenser significantly depends on the inlet steam exhaust temperature，and the outlet pressure mainly depends on the mass flow rate of inlet steam exhaust.This study may provide a reference for performance prediction and structure design of torpedo shell condensers.

torpedo；closed-loop thermal propulsion system；shell condenser；one-dimensional simulation

TJ630.32

A

1673-1948（2015）04-0291-05

2015-03-18；

2015-04-06.

國家自然科學基金資助項目（61403306）；中國博士后科學基金資助項目（2014M552503）.

韓勇軍（1986-），男，在讀博士，工程師，主要研究方向為魚雷熱動力技術.