水下航行器发动机排气喷雾冷却机理及其多元回归模型研究

In order to increase the infrared stealth perfomance of underwater vehicle and solve the prominent infrared signiture problem of exhaust gas, a two-stage spray cooling method is presented in this project, wich is based on the numerical calculation of hot exhaust gas and cooling water droplets. First, in a water-collecting box in the engine exhaust system, the heat and mass numerical model between the exhaust gas and water droplets is established, based on which the three-dimentional design of nozzles will be studied, and the effect of flow field characteristic and droplets’ motion parameters on heat and mass transfer of two phases will be investigated. Then, the numerical calculation of two-stage spray cooling will be done to illustrate the specific rules of heat and mass transfer between the gas-vapor mixture and water droplets with low temperature. Next, based on the dynamic model of engine exhaust flux, temperature and pressure, the nozzles location and parameters of spray system will be confirmed. Relative experiments will be done in the experimental platform. Finally, base on the theoretical and experimental data, the polynomial regression model of the best spray flux and the spray occasion will be established under all engine conditions. The object will bring the advantage of phase-transfer cooling into effect, and make the hot exhaust gas be cold sufficiently. The research will laid solid foundation for the application of spray cooling in the infrared stealth of underwater vehicle exhaust system.

为提高水下航行器红外隐身性能，解决其水下排气红外特征突出的问题，本项目在对发动机排出高温烟气与冷却水雾进行传热传质数值计算的基础上，提出两级喷雾冷却方法。首先，建立水下航行器发动机排气系统集水箱内旋转气流中烟气与雾化液滴群传热传质的数值模型，对喷嘴布置进行三元优化设计，并研究气流流场特性和雾滴运动参数对两相传热传质的影响；然后，进行两级喷雾数值计算，揭示烟气与饱和蒸汽的混合气流中喷入冷却水雾传热传质的具体规律；接着，以数值计算结果为依据，根据所建立的发动机排气流量、温度和压力的动态模型，确定喷嘴的空间位置和喷雾系统参数，在实验平台上进行实验验证；最后，综合数值计算与实验研究结果，建立水下航行器发动机全工况的两级喷雾最佳喷雾量和喷雾时机的多元回归模型。项目发挥相变冷却技术的优势，实现水下航行器发动机排出气体的充分冷却，为喷雾冷却技术在水下航行器排气红外隐身中的应用奠定坚实的理论和技术基础。

为提高潜艇水下排气的红外隐身性能，本项目采用两级喷雾冷却方法，降低发动机排出高温烟气的温度，充分抑制发动机排气红外特征。为提高排气系统集水箱的烟气降温特性，降低其排气阻力，对集水箱分流管长度、转折形式及分流管偏转角等参数进行优化，利用数值模拟和实验研究的方法，对集水箱六种典型结构模型的气体降温及阻力特性进行了研究。. 应用欧拉-拉格朗日方法和离散相模型对发动机排气系统集水箱中高温烟气气流与低温水雾的传热与传质进行数值计算。推导了集水箱排气室烟气旋流数的理论计算式，并将理论计算解与数值解进行了对比分析验证。分析研究表明集水箱排气室内形成了一个“屏障”，其左侧的气流可以向上游流动进入回流区；其右侧的气流不能向上游流动，而只能向排气出口处流动。旋流强度越大，两相传热传质越充分，集水箱降温效果越好。. 分析了集水箱内水雾雾滴喷射的初始位置对喷嘴喷雾冷却性能的影响，分别对雾滴从三个区域进入流场的情况进行了计算分析。当液滴初始位置位于分流管弯曲段截面和“屏障”之间的区域时，液滴有效运动行程长，蒸发时间长，冷却效果好。对烟气与水雾相互作用过程进行非稳态数值计算，分析了液滴碰撞与合并对液滴蒸发和烟气温降的影响，掌握了液滴温度和直径的瞬态变化规律。. 在发动机排气管路内设计安装丝网，并研究丝网对烟气、水蒸气和液滴的混合气流除水的机理，在此基础上进行了数值模拟计算，对获得的单层丝网的除水特性和阻力特性进行了分析。设计了排气系统喷雾降温实验系统，进行了集水箱烟气降温及阻力特性和喷雾式集水箱综合性能验证实验。通过对三种典型的不同孔径喷嘴降温性能的对比实验，得到了喷嘴喷雾流量和雾滴直径对烟气温降的影响规律。实验结果表明，烟气经过两级喷雾降温后，温度明显降低。在实验研究基础上，建立了发动机排气喷雾降温两级最佳喷雾压力和最佳喷雾流量与发动机排气温度的关联模型，建立了发动机烟气温度降至稳定值的响应时间数学模型。