变地域燃油暖风机热力性能及结构优化研究

【摘要】：本文着重围绕高原样机研制中关键技术与结构优化问题,深入开展了一系列变地域燃油暖风机热力性能及结构优化的理论与实验研究。获得了如下主要研究成果: 为使高原样机能在高海拔地区正常使用,提出了高原样机研制中关键技术的解决方法;分析归纳了炉膛和尾部换热面的设计原则;确定了燃烧器的选型原则及燃烧器的改进方法;确定了系统阻力的计算方法及风机选择的方法。 针对变地域燃油暖风机缺乏应用基础理论研究的问题,深入开展了其热力性能的理论与实验研究,确立了热力系统设计计算方法,揭示了热力性能变化规律。在详细分析了换热机理的基础上,首次建立了其复杂结构热力系统传热计算数学模型,编制了经实验验证的热力计算软件,为不同容量、不同海拔高度此类暖风机的热力系统设计或较核提供了理论依据和软件支持,同时,软件计算所能提供的详尽信息为此类暖风机结构的优化提供了基础和改进方向。利用热力计算软件多工况计算与分析,获得了大气压力、过剩空气系数、送风量等各因素对机组热效率影响的规律。并综合分析了海拔高度对机组热力性能的影响。 为实现流动减阻、探寻流动与换热的匹配性,详细进行了多通道空气流动数值研究,数值分析了不同海拔高度、送风量、送风口位置各工况对多通道空气流动的速度场、压力场的影响,获得了不同工况下三通道流量分配比、流量分配比与其换热匹配性、送风口合理位置、机组压力损失等方面的结论。计算分析表明,海拔高度或送风量的改变,均对流量分配比基本没有影响,但此流量分配比与其换热能力比不相匹配,因而结构优化时,应设法减小环形通道、外壳空间通道的流量,或增强环形通道、外壳空间通道的换热能力,从而使两者相匹配。送风口合理位置,应是送风口中心在燃烧室纵向中心线下方垂直距离为82.5mm位置处。 针对高海拔地区点火困难、燃烧不稳定的问题,开展了燃烧器配风器结构优化数值研究,数值分析了不同海拔高度、漩流片张角、漩流片位置、喷火筒形状等各工况,对配风器点火电极处的速度、漩流区最大切向速度与中心区最大轴向速度之比、燃烧室中心位置横断面最大回流速度与最大轴向速度之比、进口至出口压力损失等影响规律,获得了配风器的优化结构:漩流片张角应为20°,点火时漩流片的位置应在△z=14.5mm(△z为漩流片距配风器出口处的距离),喷火筒形状应为扩缩型。在此基础上,进一步开展了燃烧室空气与油雾混合数值研究,数值分析了液雾喷射角、喷火筒形状、平原/高原等工况,对燃烧室中油雾粒子分散度及空气分布状况的影响,获得了有利于液雾粒子与空气中氧组分充分混合的油雾喷射角、配风器结构型式等。计算分析表明,合理的油雾喷射角为α=50°,合理的配风器结构亦为扩缩型。 【关键词】：高海拔地区 燃油暖风机 关键技术 热力性能 结构优化 数值模拟
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TU832
【目录】：

• 1 绪论14-19
• 1.1 研究目的和意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-16
• 1.3 本课题研究的背景16-17
• 1.4 本文研究工作17-19
• 2 高原样机研制关键技术19-23
• 2.1 引言19
• 2.2 高原样机结构及工作原理19
• 2.3 炉膛和换热面积的正确设计19-20
• 2.3.1 炉膛正确设计19-20
• 2.3.2 尾部换热面的正确设计20
• 2.4 燃烧器的选型及其改进20-21
• 2.5 送风系统阻力的正确计算和送风机的选择方法21-22
• 2.5.1 送风系统阻力的正确计算21-22
• 2.5.2 送风机的选择方法22
• 2.6 本章小结22-23
• 3 热力性能理论与实验研究23-52
• 3.1 研究背景及方法23-24
• 3.1.1 问题的提出23
• 3.1.2 拟解决的问题23
• 3.1.3 研究的技术难点及对策23
• 3.1.4 研究的技术路线23-24
• 3.2 热力计算数学模型24-35
• 3.2.1 换热系统及传热原理24
• 3.2.2 热平衡方程组及其封闭性24-25
• 3.2.3 传热计算的难点及解决对策25-26
• 3.2.4 换热计算公式筛选及确定26-35
• 3.3 结构化的程序设计35-40
• 3.3.1 计算的目的和主要内容35
• 3.3.2 结构化的程序模块35-37
• 3.3.3 结构化的计算框图37-40
• 3.4 暖风机系统平原与高原冷热态实验40-44
• 3.4.1 空气换热通道流量分配实验40-41
• 3.4.2 平原热态实验41-42
• 3.4.3 高原热态实验42-44
• 3.5 热力计算的实验验证44-45
• 3.5.1 平原热力计算的实验验证44
• 3.5.2 高原热力计算的实验验证44-45
• 3.6 机组热效率影响因素分析45-47
• 3.6.1 冷空气温度t_ik对机组热效率的影响45
• 3.6.2 送风量V_k对机组热效率的影响45-46
• 3.6.3 过剩空气系数α对机组热效率的影响46
• 3.6.4 燃油量B对机组热效率的影响46-47
• 3.6.5 大气压力P对机组热效率的影响47
• 3.7 海拔高度对机组热力性能影响的综合分析47-48
• 3.7.1 海拔高度对机组热效率η影响的综合分析47-48
• 3.7.2 海拔高度对机组热力系数ζ影响的综合分析48
• 3.8 本章结论及展望48-50
• 本章附录3-1～3-250-52
• 4 多通道空气流动数值模拟及换热性能分析52-86
• 4.1 研究背景及方法52-53
• 4.1.1 问题的提出52
• 4.1.2 拟解决的问题52
• 4.1.3 研究的技术难点及对策52
• 4.1.4 研究的技术路线52-53
• 4.2 物理模型描述及计算工况53-55
• 4.3 数学模型描述及求解方法55-64
• 4.3.1 控制方程及其封闭性55
• 4.3.2 通用微分方程55-56
• 4.3.3 紊流模型及近壁面处理56-63
• 4.3.4 求解方法及计算模型的筛选计算工况63-64
• 4.4 计算对象图形的构建及网格的划分64-70
• 4.5 边界条件70-72
• 4.6 数值解的有效性及计算模型的选择计算72-76
• 4.6.1 数值解的验证72-74
• 4.6.2 数值计算模型的选择计算74
• 4.6.3 采用网格自适应技术后的计算实效74-76
• 4.7 计算结果与分析76-79
• 4.7.1 不同送风量的影响76-77
• 4.7.2 不同海拔高度(大气压力)的影响77-78
• 4.7.3 不同送风口位置的影响78-79
• 4.8 本章结论及展望79-81
• 4.8.1 有关CFD技术方面的结论79-80
• 4.8.2 计算工况数值分析的结论80
• 4.8.3 本问题研究工作展望80-81
• 本章附图4-1～4-681-86
• 5 燃烧器配风器结构优化及燃烧室空气动力场数值研究86-117
• 5.1 研究背景及方法86
• 5.1.1 问题的提出86
• 5.1.2 拟解决的问题86
• 5.1.3 研究的技术难点及对策86
• 5.1.4 研究的技术路线86
• 5.2 物理模型和数学模型86-91
• 5.2.1 物理模型描述及模拟工况86-89
• 5.2.2 数学模型描述及求解方法89-91
• 5.3 燃烧器配风器空气射流速度测定实验91-92
• 5.3.1 实验目的及内容91
• 5.3.2 实验测试系统及测试仪器91
• 5.3.3 测试方法及测点布置91-92
• 5.3.4 实验测试数据及整理92
• 5.4 燃烧器配风器空气射流数值计算的实验验证92-96
• 5.4.1 实验解与数值解的对比数据表92-94
• 5.4.2 实验解与数值解的对比曲线94-96
• 5.5 计算模型的筛选96-101
• 5.5.1 计算模型筛选方案96
• 5.5.2 计算模型筛选计算结果96-101
• 5.6 计算结果与分析101-107
• 5.6.1 海拔高度影响的数值分析101-102
• 5.6.2 漩流片张角影响的数值分析102-104
• 5.6.3 漩流片位置影响的数值分析104-105
• 5.6.4 喷火筒形状影响的数值分析105-107
• 5.7 本章结论及展望107-109
• 5.7.1 计算模型方面的结论107
• 5.7.2 物理问题方面的结论107-108
• 5.7.3 展望108-109
• 本章附图5-1一5-～8109-117
• 6 燃烧室空气与油雾混合数值研究117-136
• 6.1 研究背景及方法117-118
• 6.1.1 问题的提出117
• 6.1.2 拟解决的问题117
• 6.1.3 研究的技术难点及对策117
• 6.1.4 研究的技术路线117-118
• 6.2 物理模型及模拟工况118-119
• 6.3 数学模型及求解方法119-131
• 6.3.1 控制方程及其求解119-121
• 6.3.2 离散相模型121-130
• 6.3.3 网格的划分130
• 6.3.4 边界条件及初始条件130-131
• 6.4 数值计算结果及分析131-135
• 6.4.1 油雾喷射角影响的数值分析131-133
• 6.4.2 海拔高度影响的数值分析133-134
• 6.4.3 喷火筒型式影响的数值分析134-135
• 6.5 本章结论及展望135-136
• 7 本文结论及展望136-139
• 7.1 结论136-137
• 7.2 展望137-139
• 致谢139-140
• 参考文献140-144
• 附录 攻读博士学位期间的研究成果144-145

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