【摘要】：Dome A地區(qū)位于南極高原的最高點,其海拔高度約4100m,年平均溫度約-60℃,全年氣溫波動明顯,面對如此惡劣的極端臺址環(huán)境,研制可靠高效的天文科考支撐平臺就成為了在該地區(qū)開展天文觀測研究的首要保障。南極發(fā)電艙作為天文科考支撐平臺的能源供應(yīng)系統(tǒng),其熱特性直接關(guān)系到整個天文科考支撐平臺的可靠運行。由于南極柴油機熱平衡特性受到低壓空氣影響,且柴油機工作需要引入大量的艙外新鮮空氣,外界低溫空氣的進入又會對艙內(nèi)熱平衡產(chǎn)生干擾;另外,發(fā)電艙為一多熱源耦合傳熱的能量供應(yīng)系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)存在復(fù)雜的熱量交換關(guān)系,當(dāng)艙外溫度全年動態(tài)變化時,發(fā)電艙內(nèi)部可能出現(xiàn)過熱或過冷的情況。因此,如何保證發(fā)電艙內(nèi)部工作溫度穩(wěn)定且處于安全范圍內(nèi)是科考平臺研制面臨的重要挑戰(zhàn),也是研究系統(tǒng)失效機理的前提和基礎(chǔ)。此外,現(xiàn)有的發(fā)電艙熱平衡計算還是基于穩(wěn)態(tài)極端低溫環(huán)境展開,對于南極極端環(huán)境下發(fā)電艙全年熱動態(tài)過程研究則相當(dāng)缺乏。為此,本文通過低壓環(huán)境模擬平臺對柴油機在低壓環(huán)境中熱特性及發(fā)電性能進行了實驗研究,在此基礎(chǔ)上,運用集總參數(shù)法建立了南極發(fā)電艙的熱動態(tài)模型,研究了發(fā)電艙在全年溫度變化及不同策略下的熱特性,并將狀態(tài)空間原理及經(jīng)典控制理論運用到發(fā)電艙熱控制中,對發(fā)電艙溫度控制及能量管理進行了研究。本文的主要工作及結(jié)論如下:(1)搭建了低壓環(huán)境柴油機性能測試系統(tǒng),通過實驗研究了柴油機在低壓環(huán)境中熱平衡特性及發(fā)電性能的變化情況。實驗研究表明:在南極氣壓下,柴油機熱平衡特性將發(fā)生較大變化,低壓下柴油機燃燒效率明顯下降,柴油機熱負荷增加,排煙溫度及整機溫度水平升高,柴油機發(fā)電功率、散熱量及排煙損失量隨轉(zhuǎn)速的增加逐漸增大,但增長速度逐漸變緩。低壓下柴油機排煙損失更大,散熱損失更小,南極氣壓下柴油機散熱量與發(fā)電功率的比值較正常氣壓下高。對比不同工況下的實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),柴油機不同氣壓下存在使得燃油消耗率最小的最佳轉(zhuǎn)速,且最佳轉(zhuǎn)速一般位于柴油機的中等轉(zhuǎn)速區(qū)間,對于南極低氣壓,柴油機在低轉(zhuǎn)速下發(fā)電效率下降不明顯,而在高轉(zhuǎn)速下降低幅度較大,考慮到發(fā)電的經(jīng)濟性與可靠性,在南極低氣壓下,建議的柴油機轉(zhuǎn)速為2200r·min~(-1)。(2)建立了南極發(fā)電艙的熱動態(tài)模型,以Dome A地區(qū)的全年溫度為邊界條件,研究了發(fā)電艙的全年熱動態(tài)過程,并分析了通風(fēng)量變化及柴油機間歇運行對艙內(nèi)空氣溫度的影響。研究結(jié)果表明:在無主動排風(fēng)的情況下,發(fā)電艙溫度嚴(yán)重超過正常水平,為了保證艙內(nèi)空氣溫度在合理的范圍,發(fā)電艙必須設(shè)置一定大小的排風(fēng)量。當(dāng)柴油發(fā)電機正常運行時,通過變通風(fēng)量策略可以將艙內(nèi)空氣溫度維持在0~30℃的范圍內(nèi)。在間歇運行模式下,艙內(nèi)空氣溫度及底層燃油溫度下降明顯,為防止底層燃油凍結(jié),在柴油發(fā)電機組停機的空隙期間需要開啟艙內(nèi)的電加熱器輔以加熱。在柴油發(fā)電機組啟動過程中,艙內(nèi)各組成部分熱慣性大小差異明顯,隨著時間的推移,底層燃油與艙內(nèi)空氣之間的溫差逐漸增大,因此需要采取相應(yīng)的均溫措施以提高底層燃油的溫度水平。(3)改進了發(fā)電艙換熱結(jié)構(gòu),并將控制理論運用到發(fā)電艙的溫度動態(tài)控制上,建立了發(fā)電艙的熱控制模型,對發(fā)電艙的溫度控制及能量管理進行了研究。研究結(jié)果表明:在外界溫度全年動態(tài)變化的干擾下,通過控制發(fā)電艙排風(fēng)及底層燃油暖風(fēng),可將艙內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定在10~40℃,將底層燃油溫度穩(wěn)定在-5~5℃,并可以減小發(fā)電艙上下部分的溫差。在控制過程中,艙內(nèi)空氣溫度受外界擾動的影響較為明顯,為保證艙內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定,排風(fēng)機全年需頻繁動作,而底層燃油具有較大的熱慣性,油溫控制風(fēng)機全年變化幅度小。此外,綜合考慮當(dāng)控制器動作步長為30min時,溫度控制穩(wěn)定性及經(jīng)濟性綜合效果最好。本文研究工作為掌握南極發(fā)電艙的熱特性提供熱工數(shù)據(jù),將為發(fā)展中國南極天文臺獨立能源支撐控制系統(tǒng)提供重要的技術(shù)支撐。
【圖文】：

圖 1-1 DomeA 地區(qū)地理位置圖omeA(東經(jīng) 74°，南緯 71°，，海拔 4100m)位于南極高原貢獻，并聯(lián)合國際方面于第 24 次南極科考時在 Dom得了歷史性突破[3-5]。為掌握南極天文科考的主動權(quán)，研發(fā)了中國第一代南極天文科考支撐平臺，并隨第

16圖 2-1(a) 柴油機性能測試系統(tǒng)示意圖支撐架；2.環(huán)境模擬艙體；3.閥門；4.渦街流量計；5.艙體進氣管道；6機；9.換熱盤管；10.浮子流量計；11.恒溫水浴；12.真空泵；13.功率表；儀；16.艙體控制機柜
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P111

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本文編號：2611928