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移动电型柴油发电机组的物理模型和边界条件

柴油发电机组主要由柴油机、发电机以及控制系统三部分组成,移动式柴油发电机组通常处于移动箱内,便于移动的同时还可以起到隔音的作用。本文针对某地面作业的移动式空冷柴油发电机简化模型的红外隐身特征计算分析,其红外隐身主要是通过箱体外壁面壁的保温隐身设计以及对地方向的高温流体出口通道实现的。本文根据模型流场计算结果,对模型各组件壁面的红外辐射进行计算。主要通过箱体外壁面辐射和地面辐射两者之间的对比,验证模型红外隐身设计的可行性。

一、移动电站物理模型和边界条件 

移动式柴油发电机物理简化模型如图 1。整体计算模型主要分为箱体、内部机体和地面三个部分。 箱体分为左、右壳腔和中心壳腔三部分。内部机体则由柴油机和发电机组成,两者均采空气冷却的冷却技术。外界环境冷空气从箱体左右壳腔的百叶窗进入箱体内对机体进行冷却,冷却过后的气体一部分从中心壳腔的百叶窗流出,一部分从底部出口通道流出直接冲击地面。箱体底部不同通道出口分布如图 3 所示。模型中利用固体域与流体域间隔的形式模拟百叶窗简化结构如图 4 所示。黑色区域表示固体域,白色区域表示流体域,按 2:1 的面积比例进行设置。为了降低箱体的表面温度和辐射强度,即降低内部高温部件和流体对箱体外表面的温度的影响,设计箱体壁厚由两层结构组成(如图 5 所示):一层是厚 20 mm、导热系数较低的玻璃棉保温层,一层是厚 2 mm 是发射率较低的金属铝。 

静音型发电方舱-柴油发电机组.png

柴油机缸体设为内热源(按照一般风冷柴油机缸体散热量估算内热源体积热容量);整体模型中外界环境域为无风状态,箱体外表面设置为自然对流,流体域选择的是理想气体。其余相关流场计算边界设置见表 1。 

二、静音发电机组计算结果与分析 

1、温度场分布 

箱体外壁面在玻璃棉保温层的保温作用下温度明显较低,如图 8 所示。由于高温燃气出口和冷却流体出口均设置在箱体底侧,所以箱体外壁面高温区域主要集中在箱体下侧。壳内流体的温度较高,从百叶窗流出时会影响其周围箱体外表面的温度分布情况,所以百叶窗出口周围的箱体外壁面温度也相对较高。箱体外壁面上部出现的局部高温和上部百叶窗周围的高温情况,分析是由箱体内高温流体在箱体内上部的流动冲击所致。 

地面温度分布可见高温燃气和冷却后流体对地面的冲击使得地面整体温度偏高。而从箱体外壁面百叶窗出口流出的流体也会冲击到地面,影响地面温度分布,使得地面温度呈现不对称的分布情况。 

2、红外探测面 

红外特征计算中将模型中心两个相互垂直的截面作为探测面(记作:探测面 A 和探测面 B),180° 角度范围内进行计算,观察模型中各组件(柴油机、发电机、箱体外壁面以及地面)的辐射强度和对整个模型的辐射贡献等。

中波波段λ=3~5 μm 上,箱体外壁面的辐射亮度最大值为 0.00015 W/(cm2⋅sr),而整体辐射亮度最大值为 0.00026 W/(cm2⋅sr);同样长波波段λ=8~14 μm 上,箱体外壁面的辐射亮度最大值为 0.0019 W/(cm2⋅sr),而整体辐射亮度最大值为 0.016 W/(cm2⋅sr)。可见,与模型中其他部件相比,箱体外壁面的辐射亮度较弱。

三、结论 

本文流场计算中使用 FLUENT 软件,红外特征根据流场计算结果,并采用多种辐射方程进行计算,以下为几点重要结论: 

1、箱体外壁面平均温度不高,相对环境温度升高约 13 K,但由于内部流体和燃气等高温流体出流的影响,百叶窗出口和箱体外壁面底侧温度较高。地面温度分布整体高于箱体外壁面温度,相对环境温度升高约 35 K。 

2、中波波段λ=3~5 μm 上,随着波长的增大,辐射强度增加,辐射强度最大接近 30 W/(sr⋅μm);长波波段λ=8~14 μm 上,辐射强度随着波长的增大先增大后减小,最大值接近 70 W/(sr⋅μm)。辐射强度最大的情况都出现在 90°的位置上。 

3、壳内部件虽然温度较高,但其受到外壳的遮挡,辐射投影面积受到限制,对整体辐射强度的贡献较小。 

4、虽然箱体外壁面与地面面积相差不大,但地面积分辐射强度远大于箱体积分辐射强度,一方面由于箱体外壁面温度较低,另一方面由于地面的发射率(α=0.95)远大于箱体外壁表面铝材料的发射率(α=0.2)。 

 


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