2025年第40卷第6期文章目次

魏天一 , 赵观辉 , 谭巍巍

2025, 40(6).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 4.60 M](1)

摘要:
为提升船舶动力系统设计与验证水平，解决复杂流体输送设计面临验证成本高与调试难度大等问题，本文提出了基于MBSE的系统架构模型设计方法。研究遵循MBSE设计思想和RFLP建模方法论，利用M-Design等国产化建模平台，结合SysML语言和Modelica语言等建立了船舶复杂流体输送系统架构，包含需求分析，功能分析，逻辑架构，物理模型及接口等模块。可完备覆盖流体用户及内外部环境的需求，针对关键指标进行快速验证，于实物调试前驱动深化物理模型开展联调仿真，在虚拟空间内提前完成系统整定策略的计算校核，验证流体输送流量分配技术及运行方案。证明基于MBSE方法开展流体输送系统的架构设计具有科学，高效，可溯性强等优点，有必要在船舶动力系统设计中进一步推广。

2 多结构船用冷凝器管束流场特性仿真模型研究

杜威 , 代收宝 , 王景富

2025, 40(6).

[摘要](5) [HTML](0) [PDF 10.17 M](1)

摘要:
多结构集成化冷凝器被广泛发展应用于有限舱容条件下的船舶动力装置中，以较小的空间重量满足大功率的功能需求。冷凝器管束为其功能实现的核心换热区，存在两相多组分凝结相变的复杂过程，多种集成结构管束区的汽气混合物流动与传热特性的精确计算分析，是船舶冷凝器方案论证和评估的核心环节。为满足船舶动力系统功构集成、工具软件自主可控及创新正向设计体系的发展需求，本文针对典型多介质套管式集成冷凝器紧凑结构和运行特点，采用有限体积法计算管束核心换热区汽气混合物的传热流动及冷凝过程，建立自主可控的涵盖传统和集成结构冷凝器管束流场的通用仿真模型。利用开发的模型对某传统结构冷凝器壳侧管束流场的仿真计算，及与试验结果的对比分析，最大计算误差1.35%，验证了模型的准确性。最后，分别用本模型和CFD计算壳式集成冷凝器壳侧管束多介质流场特性，验证模型对船舶冷凝器多结构优化设计和运行的有效性。

3 电极构型对等离子体激励改善气膜冷却特性影响的数值模拟研究

张华磊 , 赵子晨 , 崔连柱 , 李赫

2025, 40(6).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 17.75 M](0)

摘要:
为优化等离子体气动激励器电极构型布局形式，保持激励强度不变（电压为16 kV，频率为14 kHz），采用数值模拟的方法，对比分析了吹风比为0.4、0.7、1.0、1.3时直条形、波浪形和直角形3种电极构型激励器对平板气膜冷却特性的影响。研究结果表明，诱导静止空气流动方面，直条形电极构型激励器仅具有流向诱导能力，流场展向方向上不存在对涡结构，直角形和波浪形电极构型激励器具有流向和展向诱导能力，其中直角形电极构型激励器流场展向方向上涡对的涡核间距小、涡结构尺寸大；改善气膜冷却效果方面，直条形电极仅对肾形涡对起到流向方向的下洗诱导作用，提高气膜冷却效果最差，其他两种类型电极均诱导气膜冷却流场展向两侧形成逆反向旋转涡对，抑制了肾形涡对的发展，改善气膜冷却效果显著；三种电极构型等离子体激励器下气膜冷却效率提高百分比均随着吹风比的增大而降低，吹风比为0.4时直条形、波浪形和直角形电极构型面平均气膜冷却效率分别提高了5.52%、42.56%、92.47%。

4 基于代理模型的船用复合减振器动力学特性分析与多目标结构优化设计

陈凯杰 , 邱中辉 , 李增光 , 张景雨

2025, 40(6).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 19.81 M](0)

摘要:
复合减振器作为船用动力设备隔离系统的关键减振元件，其优良的隔振与抗冲击性能可以避免船舶因失去动力而造成人员、装备的损失。然而复合减振器通常包含多种减振材料，具有明显非线性特征，其结构优化设计存在难点。针对某型号船用复合减振器，为研究其动力学特性并优化其抗冲击性能。基于丁腈橡胶大应变率范围本构模型，建立了复合减振器有限元仿真模型，对其开展了三向静刚度、垂向扫频和跌落冲击特性的试验与仿真分析；基于仿真开展了影响因素分析，获得了复合减振器结构参数对其静刚度、固有频率以及隔离单元冲击最大加速度、冲击最大位移的影响规律；基于影响因素分析，采用带精英策略的非支配排序的多目标遗传算法、多目标粒子群算法开展了考虑复合减振器静、动态特性约束的多目标结构优化。结果表明：复合减振器刚度仿真与试验误差小于10%，阻尼误差小于13%，证明了仿真模型的准确性；优化后，隔离单元在冲击条件下的最大相对位移下降7.39%、最大绝对加速度下降3.9%，证明了优化设计方法的有效性。

5 汽轮机动叶除湿结构设计与变工况除湿性能研究

钱勇 , 周祚弘 , 范小平 , 李音 , 李志刚 , 李军

2025, 40(6).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 26.40 M](1)

摘要:
为了探究汽轮机中湿蒸汽级的水滴沉积过程，以某型十五级汽轮机为研究对象，设计了第十三级动叶除湿沟槽结构，并基于非平衡态凝结模型，针对在不同运行负荷下的汽轮机除湿级开展了除湿性能与水滴运动特性分析对比研究。研究结果表明:一次水滴的运动轨迹主要由气流力与湍流扩散控制，而二次水滴运动轨迹则主要受惯性影响。第十三级动叶的压力侧与吸力侧沟槽均能有效捕获叶栅通道中的液滴。此外，在不同运行负荷下，经过第十三级动叶除湿后的汽轮机末级出口湿度相较于除湿前均显著降低。其中额定工况下，第十三级动叶除湿沟槽的二次水滴分离率达到50.7%，出口湿度相对降低率达到20.6%。

6 某船用燃气轮机涡轮盘疲劳裂纹扩展寿命研究

林枫 , 梁晨 , 季晨 , 孙景国

2025, 40(6).

[摘要](4) [HTML](0) [PDF 14.54 M](0)

摘要:
为提高船用燃气轮机涡轮盘的寿命设计水平,本文基于数值仿真方法分析获得的典型循环载荷作用下涡轮盘应力、应变状态,预测涡轮盘裂纹萌生位置及寿命。针对涡轮盘高温合金材料开展不同温度下疲劳裂纹扩展试验,建立涡轮盘裂纹扩展速率模型,通过ANSYS和裂纹扩展程序仿真获得裂纹扩展历程及寿命。研究表明:涡轮盘通气孔与中心孔等典型位置为裂纹萌生危险位置,涡轮盘材料裂纹扩展速率随温度升高而明显增加,涡轮盘裂纹萌生寿命涡轮盘开裂模式为张开型主导,涡轮盘疲劳裂纹扩展寿命为18525次循环,本研究可为燃气轮机涡轮盘损伤容限设计提供有价值的参考。

7 船用锅炉燃烧器旋转喷嘴雾化性能PIV实验研究

张晨 , 陈琳 , 丁傲霜 , 孙建平

2025, 40(6).

[摘要](4) [HTML](0) [PDF 10.91 M](1)

摘要:
在船用锅炉中,喷嘴的雾化效果是十分重要的指标。采用粒子图像测速技术,研究了燃烧器冷态工作时水滴通过喷嘴进入炉膛的雾化过程,对不同转杯转速下的喷雾流动特性参数进行了分析。实验研究表明：三种转杯转速的速度场分布具有相似性,离喷嘴轴向和径向距离最近的一小部分区域的速度最大,沿着喷嘴轴向和径向越远速度越低,直到速度接近为0。把粒径测量区域分成了三部分,底部区域的索特直径大于中部,中部大于顶部,这主要是由于液滴随径向的分裂过程；同时三个区域的索特直径随时间的变化规律相同,但区域之间存在滞后性,这是流场中涡流和湍流随时间运动导致的。转杯转速为3000r/min、4800r/min以及7000r/min时,索特平均直径分别为0.0957mm、0.0905mm以及0.0774mm。

8 二维叶栅内H2O/CO2混合工质凝结流动特性及激波演化

韩旭 , 施海波

2025, 40(6).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 7.68 M](0)

摘要:
为研究超临界水煤气制氢技术中所用混合工质透平低压级内的非平衡凝结流动特性和激波演化规律，基于国内外研究现状，建立了二维叶栅通道模型，采用自编程的双组分凝结模型对透平低压区H2O/CO2混合气体进行数值模拟，得到5种不同混合工质组分下水蒸气的凝结特性及伴随的激波效应。结果表明：CO2作为不凝气体对混合工质的凝结产生了抑制，随着CO2组分含量从0%增加到40%过程中，混合工质中的H2O分压逐步减小，凝结速率逐渐降低（凝结现象被削弱），成核位置向后移动；CO2组分含量增加使得水蒸汽凝结量减少，释放凝结潜热产生的压力脉动减小，对气动激波的干涉作用减弱，叶栅通道内激波效应增强。同时，CO2组分的变化还引起水蒸汽凝结位置向出口移动，凝结压力脉动的位置也随之改变，最终导致叶栅尾缘激波形态发生改变。

9 不同承载角度下梯度Gyroid结构的能量吸收分析

邱绪哲 , 李涛 , 周生俊 , 何涛 , 王斌斌 , 夏阳 , 吕永涛

2025, 40(6).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 9.52 M](0)

摘要:
三周期极小曲面(TPMS)能够避免局部应力集中现象,有效地提高能量吸收性能。典型的TPMS结构包括了Primitive、Gyroid、Diamond、IWP(I-graph and Wrapped Package-graph)等。为了提升管路系统的能量吸收性能,通过对Gyroid梯度结构的分析,设计了梯度吸能结构,并研究了不同承载角度下梯度Gyroid结构的能量吸收规律。研究表明：轴向梯度Gyroid结构在压溃过程中呈现出分层逐步破坏的特性,相比于均匀Gyroid结构,提升了其在压缩阶段的平台应力,从而其结构的比能量吸收性能在0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°时分别提高了1.59%、4.58%、10.74%、30.66%、18.44%、7.75%和1.54%,所有角度的平均比吸能提高了10.67%；Gyroid结构孔隙率线性梯度的变化未对承受压缩载荷时的变形响应造成显著影响。因此,轴向梯度Gyroid结构可保证压溃变形不变的情况下,提高结构的能量吸收能力。

10 摇摆条件下非能动安全壳冷却系统瞬态运行特性实验研究

王涵 , 李思念 , 黄予凡 , 陈伟雄

2025, 40(6).

[摘要](2) [HTML](0) [PDF 3.90 M](0)

摘要:
非能动安全壳冷却系统作为核电站安全系统的重要组成部分,承担着维持安全壳结构完整性和密封性的任务。本研究对摇摆条件下非能动安全壳冷却系统瞬态运行特性开展了实验研究,获得了不同摇摆参数对系统瞬态运行的影响规律。研究结果表明：摇摆条件会促进安全壳内的热量导出,最大瞬时压降速率基本不受摇摆周期和摇摆角度的影响,而平均压降速率随摇摆角度的增大或摇摆周期的减小而增大。在所研究工况范围内,冷却水温度的影响可以忽略,此外压力体内发生了热分层现象,空间高度上每增加100 mm,压力体内混合气体温度将增大约1.43℃。

11 相变材料对非能动系统换热管性能影响研究

黄予凡 , 王涵 , 马云飞 , 陈伟雄

2025, 40(6).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 8.42 M](0)

摘要:
海洋核平台的等高差非能动安全壳冷却系统运行中容易发生流动不稳定现象,同时非能动系统的惯性导致事故初期自然循环换热不足。相变材料具有大潜热和等温吸热特性,因此被用于提升非能动系统的性能。本研究通过建立耦合相变材料的等高差非能动安全壳冷却系统的Apros仿真模型,对比分析了耦合相变材料前后对自然循环换热管内的运行特性和换热特性的影响规律。结果显示,耦合相变材料后能够有效降低自然循环阻力,换热管顶部的自然循环阻力峰值从1510 Pa降低至1310 Pa,下降幅度超过13%。相变材料可以使管内对流传热系数更快到达峰值,加快自然循环的建立和稳定,缓解了事故初期自然循环换热不足的问题。

12 数据驱动的船舶动力冷凝器系统容错控制策略研究

王豪 , 李献领 , 宁哲远 , 徐晓艺 , 乔新宇 , 蒋宇辰 , 罗浩

2025, 40(6).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 4.24 M](0)

摘要:
随着船舶动力系统智能化和自动化水平的提升，其复杂性和故障概率显著增加，对安全性和可靠性提出了更高要求。针对传统容错控制方法依赖精确模型的局限性，提出了一种基于Youla参数化的数据驱动容错控制方法。该方法通过自适应观测器实时辨识冷凝器的系统参数，并利用残差驱动的Youla参数化控制器进行在线参数学习，实现了控制性能的实时优化与容错控制。仿真结果表明，所提方法能够有效诊断冷凝器故障并实现容错控制，显著提高了冷凝器系统的可靠性和稳定性。这项工作的创新点在于将数据驱动方法应用于船舶动力系统，为解决复杂难以建模的非线性系统的故障诊断与容错控制问题提供了新思路。

13 子空间映射的船舶核动力二回路系统闭环故障诊断方法研究

乔新宇 , 李献领 , 罗浩 , 徐晓艺 , 宁哲远 , 王豪

2025, 40(6).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 3.54 M](0)

摘要:
为进一步提高船舶核动力二回路系统的安全性与可靠性，提出了一种子空间映射的船舶核动力二回路系统闭环故障诊断方法。针对船舶核动力二回路系统闭环控制结构导致控制器输入和测量输出存在的相关性问题，所提方法利用控制器输入和输出数据构造汉克尔矩阵，结合已知控制器的参数，构造了与控制器输入和测量输出无关的辅助矩阵。基于信号子空间方法，设计了一种数据驱动稳定核描述（Stable Kernel Representation, SKR）的闭环故障诊断方法，通过对未来和过去数据的辅助矩阵与输出矩阵进行LQ分解，获得二回路系统的数据驱动SKR，即残差产生器。然后，根据训练的输入和输出数据设计阈值、检验统计量与故障检测逻辑，实现对二回路系统有效的故障诊断。最后，实验主要在二回路系统的给水泵和冷凝器上进行算法测试，实验结果验证说明所提方法可以有效的检测二回路系统发生故障诊断。

14 基于数字孪生的水润滑轴承试验台状态监控和故障诊断系统研究

张同港 , 金勇 , 阮俊鹏 , 朱汉华

2025, 40(6).

[摘要](2) [HTML](0) [PDF 12.87 M](0)

摘要:
水润滑轴承试验台是船舶水润滑轴承性能分析的重要平台,通过缩比模型可以模拟水润滑轴承的实际运行环境开展试验研究,获取水润滑轴承的运行数据,以评价轴承的性能。在试验过程中,试验台的稳定性对于水润滑轴承的测试结果有着影响。因此,开展水润滑轴承试验台的运行状态监控和故障诊断系统的研究十分有必要。本文以水润滑轴承试验台为研究对象,针对在运行过程中的状态监控和故障诊断功能存在的不足,应用数字孪生技术,开展水润滑轴承试验台状态监控和故障诊断系统的研究,实现对试验台全方位、多视角的实时监控,以及运行状态数据和故障诊断结果的可视化,提高系统状态监控与故障诊断功能的实时高效,为水润滑轴承的测试系统提供新的思路。

15 基于贝叶斯网络和剩余寿命的船舶典型动力设备状态评估

王语嘉 , 周宏宽 , 贺怡伟 , 马波

2025, 40(6).

[摘要](4) [HTML](0) [PDF 2.24 M](0)

摘要:
为了能够结合多部件的失效概率实现船舶典型动力设备的状态评估，提出一种基于贝叶斯网络和剩余寿命的设备状态评估模型。基于二元维纳过程对部件寿命预测，将部件剩余寿命转化为失效概率，根据设备运行时部件间的依赖关系、部件失效概率与设备失效概率的影响关系，构建设备状态评估的贝叶斯网络，将部件失效概率作为贝叶斯网络的输入，计算设备的失效概率。根据设备失效概率所处范围，评估设备的整体状态。以船舶典型动力设备中的离心泵为例对上述模型验证。结果表明：该模型相较于基于故障树的评估模型在判断设备的健康状态时具有更高的准确度。

16 凝给水系统多目标耦合控制及参数自适应更新

谢军 , 申世军 , 何俐萍 , 王孟博 , 张磊

2025, 40(6).

[摘要](4) [HTML](0) [PDF 5.72 M](0)

摘要:
针对凝给水系统运行时面临着来自上下游设备的强烈边界干扰问题，考虑高度非线性系统下存在的泵阀强耦合特性及管道回路振荡、设备控制延迟等现象，基于传统PID控制方式的凝给水系统整体调节过程稳定性较差。论文应用Matlab Simulink软件进行凝给水系统控制策略仿真研究，在泵阀耦合分析的基础上提出供水流量-给水阀压差多目标耦合控制策略；针对系统抗干扰和稳定运行需求，构建基于模糊神经网络的控制参数更新方案，增强控制系统自适应能力和调节性能。仿真结果显示，相较传统PID控制方式，论文采用的控制方案对于供水流量波动减小6.6%，给水阀两端压差波动范围减小53.8%。

17 极小展弦比跨音速汽轮机叶片非定常流动机理研究

漆粤川

2025, 40(6).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 14.89 M](0)

摘要:
随着能源效率需求的不断提升，汽轮机叶片的设计在不同应用场景中展现出显著的多样性。大展弦比叶片因端壁损失较低、流动效率较高，广泛用于传统燃气轮机和工业汽轮机。然而，在空间受限或特殊工况下，例如航空发动机的高负荷小型化设计、船舶推进系中的高压级和调节级的应用场景，小展弦比叶片因其紧凑设计成为首选。尽管如此，小展弦比叶片在性能上仍存在明显短板。端壁二次流和混合损失等问题显著增加了能量损失，严重影响整体性能。本文基于跨音速条件下的极小展弦比汽轮机叶片，采用延迟脱体涡模拟（DDES）方法，深入研究了小展弦比叶片的流动特性，重点分析了涡流结构、激波与边界层干扰引发的流动分离及其对性能的影响。研究发现，小展弦比叶片虽然具有结构紧凑的优势，但其能量损失主要集中在尾缘区域，且尾迹涡、端壁涡与激波的相互作用是损失增加的关键因素。结果表明，DDES方法在捕捉小展弦比叶片中小尺度涡流和瞬时现象方面表现出显著优势，能够更准确地反映激波的平均扰动效应及涡流对整体性能的影响。此外，本文还提出了针对极小展弦比叶片性能优化的未来方向，包括优化尾缘形状、调整端壁区域设计、减少激波干扰以及控制边界层分离等略。本研究为小展弦比叶片的性能优化提供了理论支持，同时展示了DDES方法在复杂流动模拟中的巨大优势。未来研究将进一步验证这些优化方案的可行性，以有效降低能量损失并提升汽轮机的整体效率。

18 多孔介质对蝶阀后弯管流噪声控制研究

黄嘉豪 , 华如南 , 王浩煜 , 王鹏展 , 熊永亮

2025, 40(6).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 6.43 M](0)

摘要:
为了降低大口径船舶管路中常见的蝶阀后弯管结构流致噪声,减少管路噪声对声学器件的干扰,实现管路系统环境友好化,本文提出多孔介质流噪声控制方案。本文分别从数值模拟和试验验证出发探究了多孔介质的降噪效果:数值模拟基于混合湍流模型DES在三种流速工况下进行,试验验证在华中科技大学DN200高压气体驱动水流试验平台上开展；最后得到了不同流速下大口径管路的声压总级频谱图和降噪值。结果表明多孔介质控制方案能有效降低大口径管路蝶阀后弯管流噪声,在管内雷诺数7.8×105工况下降噪效果最好,降低10-1 kHz频段声压总级8.52 dB,是一种有效的蝶阀后弯管流噪声控制手段。

19 船舶燃气轮机惯性级滤清器含盐液滴二次夹带形成与作用机理

阎安琪 , 刘艳明 , 费运达 , 王建华

2025, 40(6).

[摘要](4) [HTML](0) [PDF 6.43 M](0)

摘要:
船舶燃气轮机进气过滤部件内含盐液滴二次夹带，严重影响进气品质以及燃气轮机的安全运行。本文采用气-液两相流数值模拟方法并耦合欧拉壁面液膜模型，研究了船用双钩惯性级滤清器内含盐液滴二次夹带形成与作用机理及海洋环境下不同进气流速对含盐液滴二次夹带的影响规律，对比分析了相较于纯水液滴，含盐液滴物性参数改变对惯性级内液膜分布及液滴二次夹带的影响。结果表明：相较于纯水液滴，惯性级滤清器对含盐液滴的过滤效果更好，过滤效率相对提升20.6%。这是由于液滴含盐后密度增加，液滴更容易受惯性力作用撞击壁面形成壁膜，并且含盐液滴表面张力和粘性更大，形成的壁膜更稳定，更不易发生二次夹带；惯性级内含盐液滴二次夹带的主要形式为发生在疏水钩钩峰处的液膜剥离；随着进气流速由3 m/s增大至12 m/s，疏水钩处液膜厚度先增后减，进气流速大于6 m/s时发生二次夹带，液滴从液膜上剥落重新进入流场并撞击疏水钩后的壁面，叶片上表面尾缘附近及下表面迎风侧附近液膜厚度明显增大。滤清器内液膜剥离的临界气流速度为14.6 m/s。

20 轮缘密封与轴端密封及卸荷孔对模拟转子轴向力的影响规律研究

杜向宇 , 贾兴运

2025, 40(6).

[摘要](2) [HTML](0) [PDF 7.04 M](0)

摘要:
为解决某燃气轮机试验中频繁出现转子轴向力调整困难的问题，基于一种转-静盘腔气动轴向推力的直接动态测试方法，通过对比实验揭示轮缘密封半径、轴端密封结构及卸荷孔对转-静盘腔气动轴向力的影响规律。结果表明：轴端迷宫密封半径从22mm增大到42mm，轮盘轴向力减少约74.1%；与直梳齿相比，当轴端迷宫密封齿具有5°的倾角时，轴向力减少约71.1%；轴端迷宫密封的间隙比从1.14%增加到1.82%时，轴向力减少约87.7%；此外，周向布置卸荷孔也可以降低气动轴向推力约50.3%。当燃气轮机转子轴向力失衡时，可通过调整迷宫密封半径、倾角、间隙比与增加卸荷孔等方式，实现转子轴向力调整。

21 天然气低排放燃烧室掺氢燃烧性能试验研究

王威 , 武萍 , 齐秀龙 , 任艳平

2025, 40(6).

[摘要](1) [HTML](0) [PDF 6.65 M](1)

摘要:
为探究传统天然气燃气轮机对氢气燃料的适应性，开展现役某型天然气燃气轮机燃烧室掺氢燃烧性能试验研究。本文对燃烧室在使用不同掺氢比燃料时的性能进行了试验，设计了一种监测燃烧室回火方法，测得了燃烧室掺氢燃烧的回火情况、污染物排放、出口温度分布、总压损失等性能。试验结果表明：燃料中掺氢比增加，喷嘴回火风险升高；受到燃机整机参数影响，在燃机低工况更容易出现回火；燃料中掺氢比例增加，燃烧室总压损失升高，NOx排放升高，CO排放减少，火焰筒壁面温度有所升高，但分布规律几乎没有变化；在试验范围内，燃料中掺氢，对燃烧室出口温度均匀性和压力脉动几乎没有影响。

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