基于闭式循环动力系统的鱼雷壳体冷凝器一维建模与仿真

韩勇军，杨赪石，彭　博，郭兆元，路　骏，马为峰

（中国船舶重工集团公司 第705研究所，陕西 西安，710075）

基于闭式循环动力系统的鱼雷壳体冷凝器一维建模与仿真

韩勇军，杨赪石，彭博，郭兆元，路骏，马为峰

（中国船舶重工集团公司 第705研究所，陕西 西安，710075）

为深入研究鱼雷闭式循环热动力系统壳体冷凝器的传热特性，建立了壳体冷凝器一维传热数学模型。通过仿真计算，获得了壳体冷凝器沿轴向温度、压力以及干度分布特性，讨论了不同冷却通道截面尺寸、入口乏汽质量流量及入口乏汽温度条件对壳体冷凝器工作特性的影响。计算分析结果表明，在壳体冷凝器相同入口乏汽参数条件下，对于不同截面尺寸的冷却通道，其换热特性也不同。壳体冷凝器出口温度受入口乏汽温度影响较大，出口压力受入口乏汽质量流量影响较大。可为鱼雷壳体冷凝器的性能预示和结构设计提供参考。

鱼雷；闭式循环热动力系统；壳体冷凝器；一维仿真

0　引言

冷凝空间小尺度化对冷凝特性影响的研究是近年来发展迅速的新课题，主要体现在紧凑型冷凝过程和冷凝换热器的研究和开发上。虽然小尺度通道换热器在汽车、空调、制冷等行业中得到了广泛的应用，但是仍然没有完善的理论模型可以用来指导小尺度通道冷凝换热器的设计。因此国内外学者针对小尺度通道内两相流体流动、两相流压降及冷凝相变传热特性进行了大量理论和试验的研究，但是有限的小尺度通道冷凝换热模型只能预测特定范围的试验数据，而不能外推到其试验范围以外的区域，另外针对闭式循环动力系统这种特殊应用环境的鱼雷壳体冷凝器冷凝换热特性研究更为鲜有。

鱼雷闭式循环动力系统不向雷外作任何排放，完全无尾迹，能适应大深度航行，不受背压影响，是未来鱼雷动力发展的方向之一。鱼雷闭式循环动力系统一般以过热蒸汽为工质驱动发动机做功。由于系统与外界无物质交换，做功后的乏汽必须经冷凝装置冷凝成水后才能供给系统作为循环工质使用。由于鱼雷外形和空间的限制，壳体冷凝器必须与鱼雷壳体制成一体，利用鱼雷壳体外表面与雷外海水进行热交换，达到冷凝汽轮机乏汽的目的。壳体冷凝器在闭式循环动力系统中起着冷源的作用，其功能是利用鱼雷壳体外部海水对汽轮机的乏汽进行冷却，使水蒸汽凝结变成可重复使用的液态水。壳体冷凝器工作性能的好坏直接影响到闭式循环动力系统的热经济性和运行可靠性。

文中针对闭式循环动力系统的鱼雷壳体冷凝器流动换热过程的特点，建立了壳体冷凝器一维仿真计算模型和仿真计算程序，并通过仿真计算分析了不同冷却通道截面尺寸、入口乏汽质量流量及入口乏汽温度条件对壳体冷凝器工作特性的影响。

1　一维仿真模型

1.1模型假设

结合壳体冷凝器特殊的使用和运行环境，采用内、外两层壳体的形式，内壳体外圆周布置冷却通道，外壳体为光滑圆筒形壳体。冷却通道采用多头螺旋矩形通道，冷却通道整体结构及通道剖面如图1所示，图中：D0为壳体冷凝器外表面直径，即鱼雷外表面直径；D1为冷却通道底部直径；D2为冷凝器内壳体外径；H为螺旋通道高度；b为螺旋通道宽度。

计算时作以下假设：

1）冷却通道间壁认为是强化传热肋片，在计算时考虑翅片效率；

2）将壳体冷凝器外部海水温度视为常温；

3）壳体冷凝器内部蒸汽流动为一维稳态流动；

4）忽略沿壳体冷凝器轴向的换热，只考虑垂直于壳体冷凝器轴向的换热；

5）忽略重力影响，不计导热及散热损失影响。

根据上述假设，考察如图2所示的控制体，图中：Tw为外管壁温度；Tsw为外部海水温度；in为冷凝器入口蒸汽质量流量；out为冷凝器出口蒸汽质量流量；Tcd为蒸汽温度；内管壁视为绝热。壳体冷凝器工作时换热过程分为两部分：蒸汽与外管壁的对流换热、外管壁与外部海水的对流换热。

图1　壳体冷凝器冷却通道结构示意图Fig.1 Structure of the shell condenser cooling channel

图2　壳体冷凝器换热过程简化模型Fig.2　Simplified heat exchange model of the shell condenser

1.2温度求解模型

由热力学第一定律可将壳体冷凝器工作时的换热过程描述如下［1］。

蒸汽与外管壁的对流换热过程

式中：h为蒸汽焓值；ςcd为蒸汽与壁面的对流换热系数；n为螺旋通道数；ηf为螺旋通道间强化传热肋片效率；dl为计算微元段螺旋通道长度。

η可由以下公式计算［2］

式中：k为各肋片之间的影响系数；mcd为翅片参数；λcd为壳体材料的导热系数；σcd为冷却通道间壁厚度，σcd=（πD1-1.2nb/sinα）［sinα/（1.2n）］，其中，α为螺旋通道螺旋升角。

dl可由以下公式计算

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

故式（1）可整理为

外管壁与外部海水的对流换热过程可表示为

式中：ς0为外部海水与壁面的对流换热系数，，其中，UT为鱼雷航速，vs为海水动力粘度系数，Prs为海水普朗特数，λs为海水的导热系数；Bw为冷凝器外圆周长；Tsw为海水温度。

1.3对流换热系数求解模型

将壳体冷凝器分3个相区来考虑：过热区、两相区、过冷区。相变流动示意图见图3。

图3　相变流动示意图Fig.3　Schematic of phase change and flow

在过热区和过冷区，根据管内湍流强迫对流换热系数试验关联式可得［3］

式中：Rem为流动雷诺数，Rem=ρmUm×decdμcd，其中，ρm为流体密度，Um为流体流速，μcd为流体动力粘度；Prm为流体的普朗特数，Prm=μcdcpλcd，其中，cp为流体比热；decd为通道水力直径，decd=4×通道流通截面/环形通道湿周长。

在两相区，采用Akers和Rosson的关联式［4］，可得对流换热系数为

式中：Reeq为当量雷诺数，其中，为当量质量流量，Acd为通道横截面积，μl为饱和水动力粘度。

当量质量流量可由下式计算

式中：xcd为计算微元段的干度；ρl和ρv分别为计算微元段温度对应的饱和水和饱和蒸汽的密度。

1.4压力求解模型

计算段蒸汽压力为

式中：P0为计算微元段进口的蒸汽压力；ΔPcd为计算微元段的压力降。

计算微元段的压力降ΔPcd主要由摩擦阻力压力降、加速压力降和流体流动方向发生变化或冷却通道流通截面变化引起的局部阻力组成。在冷凝过程中，加速压力降和局部阻力相对摩擦压降很小可忽略不计，因此只考虑摩擦压降。

壳体冷凝器冷却通道内过热段和过冷段摩擦阻力压力降ΔPsp的计算公式为

式中：fcd为流体摩擦阻力系数；Lcd′为冷却通道长度。

fcd计算公式采用Blasius关联式［5］

对于饱和段，两相流体的摩擦阻力压力降为

式中：μl为饱和水的动力粘度系数；ρl为饱和水密度。

2　仿真结果与分析

根据壳体冷凝器一维仿真模型，使用Matlab软件的Simulink工具箱编制仿真计算程序见图4。

图4　仿真计算程序Fig.4　Program for simulation

根据计算初始参数可求得壳体冷凝器第一个计算微元段的换热系数和压力，然后由式（7）可得计算微元段出口处的蒸汽焓值，再由焓值、压力查水和水蒸气性质计算数据库，可得到计算微元段出口处的温度、干度等参数。经迭代计算，即可得到沿壳体冷凝器轴向的各参数分布情况。

下面分别针对不同冷却通道截面尺寸、入口乏汽质量流量和入口乏汽温度条件，对壳体冷凝器进行仿真计算。

1）冷却通道截面宽和高的尺寸分别为4×5、6×5、8×5、10×5时，在相同入口乏汽参数条件下，乏汽各参数沿轴向变化情况见图5～图8。

2）在相同入口乏汽温度条件下，不同入口乏汽质量流量的仿真结果如图9所示。

3）在相同入口乏汽质量流量条件下，不同入口乏汽温度的仿真结果如图10所示。

从图5～图8可以看出，在壳体冷凝器的入口气相段，乏汽迅速与外部冷却水换热并降温，温度很快从过热温度降低到饱和温度，并且由于乏汽体积的减小，压力也迅速下降。此时进入两相区进行相变，两相区的温度维持在饱和温度附近。但由于流动阻力，导致单元的压力有所下降，以致两相区的温度并不是完全恒定的，而是有略微的下降。在壳体冷凝器后段，乏汽温度又开始逐渐下降，说明已经进入液相区，此时乏汽处于过冷状态，直至壳体冷凝器出口。

图5　乏汽焓值沿轴向变化曲线Fig.5　Curves of steam exhaust enthalpy along the axis

图6　乏汽压力沿轴向变化曲线Fig.6　Curves of steam exhaust pressure along the axis

图7　乏汽温度沿轴向变化曲线Fig.7　Curves of steam exhaust temperature along theaxis

从计算结果还可得到在相同入口乏汽参数条件下，对于不同截面尺寸的冷却通道，其换热特性也不同。冷却通道宽度越宽，其顶部有效换热面积会增大，更有利于换热，故乏汽焓值、温度下降梯度也会越大。但随着通道宽度的增大，通道截面积也会增大，乏汽入口流速会随之降低，换热系数会有所降低，故当通道宽度增大到一定程度后，乏汽焓值、温度下降梯度反而会有所下降。

图8　乏汽干度沿轴向变化曲线Fig.8　Curves of steam exhaust dryness along the axis

图9　不同入口乏汽质量流量下的仿真结果Fig.9　Simulation results with different mass flows of inlet steam exhaust

图10　不同入口乏汽温度下的仿真结果Fig.10　Simulation results with different inlet steam exhaust temperatures

从图9～图10可以看出，壳体冷凝器出口温度随入口乏汽质量流量和入口乏汽温度的增加而不断升高，且受入口乏汽温度影响更大。壳体冷凝器出口压力随入口乏汽质量流量和入口乏汽温度的增加而不断降低，且受入口乏汽质量流量影响更大。主要是因为当入口乏汽质量流量增加时，入口乏汽流速也随之增加，各段换热系数亦跟随增加，故虽然总体换热量增加，而壳体冷凝器出口温度变化并不是很大。不过正是由于入口乏汽流速的增加使得摩擦阻力也随之增加，所以壳体冷凝器出口压力随之降低。当入口乏汽温度增加时，总体换热量增加，而入口乏汽流速基本不变，各段换热系数也变化不大，故壳体冷凝器出口温度随乏汽入口温度增加而增加。同时由于入口流速变化不大，使得壳体冷凝器出口压力变化也比较平缓。

3　结束语

文章建立了鱼雷壳体冷凝器一维仿真计算模型，通过编制的仿真计算程序得到壳体冷凝器沿轴向的温度、压力和干度分布情况，讨论了不同冷却通道截面尺寸、入口乏汽的质量流量及温度条件对壳体冷凝器工作特性的影响，可为鱼雷壳体冷凝器的性能预示和结构设计提供参考。

［1］沈维道，蒋智敏，童钧耕.工程热力学［M］.第3版.北京：高等教育出版社，2001.

［2］余建祖.换热器原理与设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

［3］杨世铭，陶文铨.传热学［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.

（责任编辑：陈曦）

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.

国家自然科学基金资助项目（61403306）；中国博士后科学基金资助项目（2014M552503）.

韩勇军（1986-），男，在读博士，工程师，主要研究方向为鱼雷热动力技术.