闭式循环柴油机废气处理单元性能研究

摘要

闭式循环柴油机CCDE（Closed Cycle Diesel Engine）是不依赖空气动力系统AIP（Air Independent Propulsion System）的一种低成本、高可靠性方案。CCDE尾气处理技术是保证装置性能与可靠性的重要因素，根据实现方式不同可以分为废气液化处理技术、碱液吸收处理技术、海水吸收处理技术。其中，最广泛应用的是基于海水吸收的废气处理技术，主要部件包括喷淋冷却器、超重力旋转床与海水管理系统。
　　本文以喷淋冷却器及超重力旋转床作为研究对象，在以下几个方面进行了研究：
　　1)对哈尔滨工程大学闭式循环柴油机系统中存在的气体及其在各个设备中的变化规律进行描述。由于气体成分变化的复杂性，对气体组分在设备中的变化提出两种不同的简化并分别建立组分的变化模型，并通过对比实验得出的二氧化碳吸收率与两种模型结果，验证模型的有效性；
　　2)根据冷却器在CCDE实际应用条件，提出基于喷淋冷却的排气减温方案。基于上述喷淋方案建立理论理论模型，针对冷却器流体参数变化大，不宜平均化处理的问题，采用空间离散化处理内部流场，对冷却器内部分层求解运动、传热传质方程，利用Fortran和Matlab混合编程，完成喷淋冷却器性能计算，为喷淋冷却器设计提供参考。根据理论模型、空间布置、压降等因素进行喷淋冷却器装置结构设计并制定相应的供、排水方案；
　　3)基于喷淋冷却器装置结构设计，对其内部流场进行建模及网格划分。利用CFX计算流体力学软件对超重力旋转床内部传热及流场进行仿真，仿真基于欧拉-拉格朗日两相流模型、Ishii& Zuber动量输运等基本模型。搭建实验台架进行不同进气、给水条件、进气方式及喷嘴布置方式下冷却效果实验，并将冷却效果实验结果与理论理论模型、仿真计算进行对比，用以验证仿真与理论模型准确性；
　　4)对超重力旋转床进行气相传质仿真研究，以希格比的溶质渗透理论为基础，设置气相源项，对液相吸收二氧化碳过程进行仿真研究，对仿真得到的云图、流线图等进行分析研究床内流场特点。进行超重力旋转床进行实验，对不同操作参数下超重力旋转床吸收能力进行测量，并与仿真结果进行对比验证仿真合理性；对超重力旋转床操作参数无量纲化，并通过改变操作参数来研究吸收能力与参数之间的关系；

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第1章 绪论

1.1 闭式循环柴油机系统概述

1.2 闭式循环柴油机废气处理技术概述

1.3 废气处理单元核心部件发展状况

1.4 本文的研究内容和工作

第2章 废气处理单元构成与气体组分研究

2.1 闭式循环柴油机系统构成

2.2 排气的组成及其在各设备中的变化

2.3 闭式循环柴油机气体组分模型

2.4 气体组分模型验证实验

2.5 本章小结

第3章 喷淋冷却器理论模型建立及装置结构设计

3.1 冷却方案对比与选择

3.2 喷淋方案制定

3.3 喷淋冷却器理论模型建立

3.4喷淋冷却器实验装置设计

3.5 本章小结

第4章 喷淋冷却器仿真分析与实验验证

4.1 喷淋冷却器仿真分析

4.2 喷淋冷却器仿真结果与讨论

4.3 喷淋冷却器实验研究

4.4 理论模型、仿真计算与实验结果对比

4.5 本章小结

第5章 超重力旋转床吸收效果仿真计算与实验验证

5.1 超重力旋转床工作原理

5.2 超重力旋转床仿真计算

5.3 超重力旋转床仿真结果与讨论

5.4 超重力旋转床传质性能实验

5.5 实验结果与仿真结果对比分析

5.6 操作参数对于旋转床性能的影响

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录 符号说明