文摘
基于协作运行界面的仿真软件的详细分析/流利,额定工况的系统仿真以及船用燃气轮机的变工况,从而提高仿真效率的船用燃气轮机燃烧室发展中仿真模型的流利和仿真模型仿真软件的其他组件。结果表明,模型/流利的协同仿真缩放使燃烧室的内部工作环境可以观察到具体地说,基于总体性能匹配分析;这样一种有效的技术手段对燃烧室的结构优化设计提供了。
1。介绍
系统仿真技术是一种有效的手段对船用燃气轮机的模块化设计,仿真模型和不同的维度选择不同的组件根据需要研究在模拟的过程中实现模拟放大,这样可以找到一个合理的平衡程度的模型之间的细度和耗时的模拟,从而提高仿真效率。例如,在总体方案的设计,进行系统仿真与0 d组件模型基本上可以满足总体性能匹配分析的需要;当设计一个组件的结构优化,所需要做的就是分布参数计算的组件,而其他组件仍然可以选择0 d模型。因此内部机制的详细研究组件可以执行的基础上整体性能匹配。
模块化建模的过程中,可以充分利用各种类型的商业仿真软件有不同的特点。通常,各种商业仿真软件属于一个特定的科学领域和支持特定尺寸的仿真模型。例如,Matlab / Simulink实现在动态系统建模与仿真,可以用来建立燃气轮机控制系统或其他组件的适当的0 d仿真模型;流利的专业分析流体场和温度场,这是适合建立2 d或3 d维燃烧室的稳态仿真模型。使用仿真软件的协作运行界面/流畅,两种仿真软件建立的仿真模型耦合在一起来实现模拟放大,已应用于许多科学领域的仿真研究[1- - - - - -5]。
为了扩大应用领域,提高通用性,为用户提供了以下界面(流利1]:流利/ UDF是基于C语言编写处理nonfixed边界条件或动态网格计算和其他个性化应用程序;流利/杂志是用来记录流利的操作程序/ GUI,然后可以开始流利的外部程序包括与期刊命令参数,以便模拟任务是自动操作根据期刊的操作程序。仿真结果在计算区域边界可以存储在指定的文本文件通过流利的促进与外部程序的共享数据。
功能的计算机语言描述仿真软件仿真模块和它还提供了各种语言版本的模板可以用来定制仿真模块的研究人员。功能是由回调函数。图1展示了主要的回调函数的调用模式(M语言版本)的模拟仿真软件解算器在不同阶段固定步骤算法(6]。在初始化阶段的模拟、仿真软件解算器调用回调函数”mdlInitializeSizes()来确定仿真模块状态数量、初始状态值,采样时间,和其他基本信息;在每个积分步骤模拟循环阶段,模型解算器调用回调函数”mdlOutputs()计算仿真模块的输出数据值;如果有一个连续状态的仿真模块,仿真软件解算器需要调用回调函数”mdlDerivatives()实现积分连续状态;最后模拟、仿真软件解算器调用回调函数”mdlTerminate()来释放存储空间。应该注意的是,模型解算器将调用相应的回调函数仿真模块的序列。例如,在每个积分步骤模拟循环阶段,模型解算器将调用回调函数”mdlOutputs()仿真模块的序列,然后调用“mdlDerivatives()函数的仿真模块。
利用流利的外部接口和仿真软件,以下三种方法可以实现仿真软件/流利的协同仿真:流利是嵌入到仿真软件4,5];封装,流利的仿真模型的仿真模块有相同的属性和操作的风格和内置模块和参与的运行仿真软件仿真模型;仿真软件是嵌入式流利的1];也就是说,仿真软件仿真模型被编译成流利的/ UDF调用C函数;仿真软件和流利的平行运行,通过全球合作是实现模拟变量(1)或一种进程阻塞的技术(2,3]。第一种方法有更多的优势在通用性和灵活性,它已成为当前的主流应用。
总体思想发展的协同运行界面模型/流利,基于第一种方法,如下4,5:基于仿真软件开发接口程序/功能;开始流利的命令包括杂志参数;存储的更新值函数输入端口到一个文本文件;访问文本文件通过流利/ UDF和使用这些值来处理nonfixed边界条件;最后,流利的将计算区域边界的仿真结果存储到另一个文本文件,函数将访问这个文本文件传播其价值观通过输出端口仿真软件。因为许多用流利的仿真模型边界条件和物理参数不能修改通过UDF,上面提到的界面开发的想法不能被应用在一些特定的领域。
的方法,一个新的协作运行界面开发的仿真软件/流利,也在第一种方法的范围。与现有的人相比,新的协作运行界面提供了流畅的环境通过修改参数边界条件直接杂志,而不是乏味的UDF编程。
在应用程序,模拟放大研究进行,以某种类型的三轴燃气轮机为物理模型,建立了二维仿真模型燃烧室的流畅,建立系统仿真模型由0 d组件与仿真软件仿真模型。燃烧室的二维仿真模型嵌入到仿真软件环境通过封装书面合作运行界面的仿真软件/流利的功能模块。
2。方法
2.1。协作运行仿真软件的界面/流利
流利/杂志和仿真软件/ s函数有以下特点:期刊使用标准语法格式来记录操作程序;能流利阅读《华尔街日报》,它是保存为文本格式;M s函数可以调用的函数来读,写和修改文本文件。考虑这些特性,它可以用来修改参数在《文本文件直接处理nonfixed边界条件,从而避免了繁琐的UDF编程。基于以上想法,本文开发的仿真软件/流利的某种类型的协同运行界面三轴燃气轮机模拟放大,使用M语言版本模板的功能。图2显示了模型的工作流程/流利的协作运行界面。图1虚线2表示模型解算器总是开始流利与命令包括参数在每个积分步骤》杂志上。虚线在图22表示,根据目前的仿真,仿真结果(Cas和Dat文件)由流利的重命名的仿真软件在每个积分求解步骤,以避免自动覆盖流利的仿真结果。例如,当当前仿真时间是1 s,更名为“1仿真结果。中科院”和“1 s.dat”;当当前仿真时间是1.05秒,仿真结果更名为“1.05 s。中科院”和“1.05 s.dat。”
2.2。船用燃气轮机数学模型
2.2.1。燃烧室
而液体燃料在燃烧室的燃烧过程是由分布参数模拟,假设通常是由如下(7:化学反应发生在气相液体燃料;燃料液滴的内部和表面只有身体上的变化,以及液滴的载流子迁移率小于5%;液体燃料的湍流扩散燃烧过程可视为液相粒子运动的拉格朗日坐标沿着轨道,气相湍流和化学反应的过程欧拉坐标,两个过程相互耦合的实现连续离散相之间的传热传质和continuous-phases;的传热传质气体燃料的燃烧过程只发生在continuous-phases;燃烧流场的热力学平衡和化学平衡。在这些假设的基础上,建立了燃烧室分布参数的数学模型,包括气相基本控制方程(8- - - - - -10),提高湍流模型(11),EDC燃烧模式12- - - - - -15),和控制方程的离散相(16- - - - - -18]。
2.2.2。其他组件
本文以三轴燃气轮机某种类型的物理模型(如图3)。主要的数学模型建立了根据容积惯性的传统方法如下: 在哪里之间的体积是低压压气机和高压压气机;下标,下标,下标空气,气体和燃料;和下标在下标进口和出口的燃烧室;参见图3对于其他下标的意义。
利用,,,分布参数模型,燃烧室输出和平均法处理,在燃烧室的输出边界。
3所示。应用程序
3.1。船用燃气轮机的仿真模型
特定类型的三轴燃气轮机主要用于机械或电力推进的海洋,其主要性能参数如表所示1,在那里和是船用燃气轮机的效率和输出功率;参见图3对于其他下标的意义。
3.1.1。燃烧室
流利的环境选择开发的分布参数仿真模型燃烧室;具体的过程如图4。
计算域离散化。回路式火焰管的三维实体模型的某型三轴燃气轮机燃烧室参考,二维轴对称模型建造的区域平均的方式,和离散计算域也是建立在结构化网格的基础。因为它是图所示4,2 d模型保持适当的漩涡黑洞,主洞,洞,混合头,和冷却孔,相应的网格域是适当加密,网格的总数是5355。
添加的数学模型和边界条件。先前所描述的数学模型都按顺序添加到仿真模型(例如,提高湍流模型)。考虑到燃烧室的工作条件和算法用于计算条件,下面的边界条件添加到仿真模型(7]:空气的入口,包括质量流量、温度、湍流强度、水力直径,平均混合分数;进口的燃料,包括使用液体燃料燃料类型(C7H16),注入模式和漩涡旋转雾化器压力角,质量流量,和温度;天然气的出口,包括回流温度、湍流强度、水力直径;确保墙保温墙和没有滑移速度,其参数是0,包括湍流参数、浓度,和正常的平方值的梯度浓度脉动。
解算器设置。流利的解算器自动使对流,扩散项,基本控制方程的源项是基于结构化网格离散计算域。本文选择简单的算法(10解决离散仿真模型,它使用“guess-correction”过程,计算压力速度耦合场利用交错网格;迭代的数量是400。
3.1.2。船用燃气轮机的系统仿真模型
选择仿真软件环境开发的系统仿真模型由0 d组件仿真模型(19,20.]。燃烧室的二维仿真模型嵌入到仿真软件环境通过封装书面合作运行仿真软件的界面/叫fluent_sub流利的功能模块,进行模拟放大。因为它是图所示5助理模块一方面发挥作用体积模块,提供燃烧室进气压力流利的仿真模型;另一方面,它输出空气燃料比和燃烧室出口气体常数,不能流利的仿真模型的输出。
图1给出了求解过程的系统仿真模型;所有的微分方程建立了根据体积计算惯性的方法在回调方法中“mdlDerivatives()”获得积分。
3.1.3。结果分析
在额定工况仿真结果的验证。仿真实验方案如表所示2燃气轮机控制器的设定值速度是3270 rpm,负载功率是24265千瓦,积分步是0.05秒。如表所示2,与额定工况的设计值(21),模拟缩放的错误是不到5%,这初步验证模拟放大研究的可行性。仿真的错误数量的燃料和工作效率是相对较大;原因如下:考虑到有限的计算能力模型运行时环境,为了减少耗时的模拟,本文简化了燃烧室的三维仿真模型的2 d,所以空气均匀地进入火焰管穿过主洞,洞,混合冷却孔,等等;在三维模型中,几个小洞周围排列在圆周方向上提到的洞,空气进入燃烧管穿过小洞,这种差异削弱空气喷射的强度,这样穿透深度和对燃烧流场的影响是不明显的3 d模型,和中央循环区形成的不够大,导致一些燃料的不完全燃烧,带来了相对较大的模拟误差的燃料量和工作效率;仿真软件的协作运行界面/流利的多功能性,如果我们能够升级运行时环境;选择3 d仿真模型燃烧室参与模拟的缩放,模拟精度将会改善。
分析仿真结果的变量的工作状态。仿真实验方案如表所示2;燃气轮机控制器的设定值速度是3000 rpm,仿真时间是95年代,总积分步是0.05秒,负载功率是24265千瓦(0年代,30%负载功率突然下降5 s, 30%负载功率突然下降35岁年代,和20%的负载功率突然下降最终在65年代。从数据显示6- - - - - -9,动力涡轮机的速度突然增加负载功率时突然减少,在燃气轮机控制器的作用下,燃料流量的迅速下降,导致燃烧室进口的初始温度,输出功率和速度的动力涡轮机将会改变在同一趋势。从突然负荷降低到相应的稳态的燃气轮机,调整时间是大约10年代。上述仿真结果符合现实,它再一次证明了模拟放大研究的可行性。
仿真缩放可以进行部分“放大”组件的基础上整体性能匹配分析,因此,内部工作环境中可以观察到的细节。从仿真软件/ s函数的调用模式的工作流模型/流利的协作运行接口描述之前,燃烧室的分布参数的仿真结果可以通过模拟放大研究,在每个积分步骤中,我们可以分析燃烧室的内部工作环境在任何工作状态。例如,根据系统变工况仿真结果,燃烧室的内部工作环境20%工况可以清楚地分析了分布参数的仿真结果相应的仿真时间。
图10显示了燃烧室的内部温度分布,温度范围约465 K - 2700 K,高温区域集中在中心前面的燃烧流场,双方再循环区,中部的联合行动下主要空气和空气混合,并沿轴向收敛趋势,燃烧室,在出口形成更均匀的混合气体。出口部分的最高温度在燃烧室的中部地区,约为1700 K。燃烧室的冷却效果之间的墙的主要漏洞以及它的头比主洞后燃烧室壁;它可以改善通过增加空气流过。
图11显示内部总压分布的燃烧室;可以看出,主要区域的压力分布是均匀的,燃烧过程大约是一个等压过程,每个孔附近出现压力梯度和两侧中央循环区。最高燃烧压力流场出现在漩涡黑洞,有低压区紊流区中部,它提供了有利的条件稳定燃烧的燃料。燃烧室的总压恢复系数下降随着负载的减少(0.943和0.957在20%的工作条件和100%的工作条件、职责)。
图12显示了燃烧室的内部工作流体的速度分布;很明显,有一个中央循环区形成的交叉产生的漩涡漩涡黑洞产生的射流主要漏洞。同时中央循环区小于实际的一个,原因是如前所述。工作流体在燃烧流场的最大速度出现在漩涡洞的入口,约为166.5 m / s,燃烧室出口的工作流体的平均速度大约是42米/秒。
4所示。结论
首先。一个新的工作流模型/流利的协作运行界面,提出了为流利提供边界条件环境杂志文本直接通过修改参数,而不是乏味的UDF编程。
其次。燃烧室的二维仿真模型开发的流利的环境;系统仿真模型由0 d组件仿真模型在仿真软件开发环境;燃烧室的二维仿真模型嵌入到仿真软件环境通过封装书面合作运行仿真软件的界面/流利的功能模块,实现模拟放大。
第三。额定工况的系统仿真以及三轴燃气轮机的变工况的特定类型。结果一方面表明仿真缩放不到5%的错误;另一方面,它显示了仿真软件/流利的协同仿真缩放使燃烧室的内部工作条件可以观察到具体地说,基于总体性能匹配分析;这样一种有效的技术手段提供了燃烧室的结构优化设计。
命名法
| LC: | 低压压缩机 |
| HC: | 高压压缩机 |
| : | 燃烧室 |
| HT: | 高压涡轮 |
| LT: | 低压涡轮 |
| PT: | 动力涡轮机 |
| : | 转子转速 |
| : | 质量流量 |
| : | 转子的惯性 |
| : | 压力比 |
| : | 效率 |
| : | 比热(kJ /(公斤·K)) |
| : | 膨胀率 |
| : | 温度[K] |
| : | 绝热系数 |
| : | 输出功率(千瓦) |
| : | 负载功率(千瓦) |
| : | 压力(kPa) |
| : | 气体常数 |
| : | 比焓(kJ /公斤)。 |
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
目前的工作是基础研究基金支持的中国中央大学(没有。HEUCFZ160306)。