【摘 要】
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极地船舶在破冰船开辟的航道上航行过程中,船舶因动力装置运行、与冰层间的碰撞、流体脉冲等原因,会产生不同程度的振动并传递至海水系统管路,使管内流场发生变化。同时船舶海水系统极易进入由海水和冰晶组成的海水冰晶流体,冰晶颗粒在管道内流动时会发生动力学行为如:聚集、破碎、生长、成核。动力学行为会影响冰晶在管内的粒径分布,而粒径会使海水冰浆流体流动特性发生改变,在流经外循环的换热系统时,粒径的换热性能还会发
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极地船舶在破冰船开辟的航道上航行过程中,船舶因动力装置运行、与冰层间的碰撞、流体脉冲等原因,会产生不同程度的振动并传递至海水系统管路,使管内流场发生变化。同时船舶海水系统极易进入由海水和冰晶组成的海水冰晶流体,冰晶颗粒在管道内流动时会发生动力学行为如:聚集、破碎、生长、成核。动力学行为会影响冰晶在管内的粒径分布,而粒径会使海水冰浆流体流动特性发生改变,在流经外循环的换热系统时,粒径的换热性能还会发生改变。本文针对船舶海水系统中常见的水平-水平(H-H)弯管和变径管作为物理模型,将管道壁面的振动过程简化为正弦函数振动,基于颗粒动力学理论,添加数群平衡模型(PBM),建立CFD-PBM耦合模型。利用UDF动网格技术加载不同振动工况,将编译好的冰晶聚集模型、破碎模型UDF程序载入到Fluent软件中,研究振动条件下管内海水冰浆流体流动特性,得到主要结论如下:1)在实验室搭建海水冰晶流动实验台,通过实验测量不同振动工况下的管内压降与数值模拟仿真结果对比,最大误差不超过15%,在误差允许范围内,压降的变化趋势一致,验证了振动模型的有效性。2)冰晶在管内流动时,流动速度方向不变,冰晶聚集相应大于破碎效应,冰晶粒径增大。变径管中,管径减小、壁面冰晶流动方向改变,粒径逐渐减小,尤其是速度变化初期,粒径减小速率较大。冰浆初始速度和IPF增加时,冰晶粒径逐渐增加,管径较小时(弯管管径为25mm),IFP对粒径的影响程度比速度明显,振幅和振动频率对壁面处冰晶的粒径影响显著,最大粒径随着振动频率和振幅的增加而减小。水平-水平(H-H)弯管纵向振动对比横向振动管内冰晶粒径较大,重力方向与流动方向垂直和平行时,近壁面处粒径差异较大。3)振幅和频率对管内速度影响规律相反,速度与振幅呈正比,与频率呈反比。同时振幅增加,管内冰晶均匀性越大。4)变径管中,随着流动距离增加,管内流体速度分布逐渐不对称,速度增加时,速度最大值向中心轴线靠拢。变径段出口(X=102mm)处主流区冰浆速度较近壁面下降幅度增加,不同管型对该截面处的速度分布亦有明显区别,同时管型不同,粒径分布的区别在近壁面粒径最大值不同。
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