哈尔滨工程大学硕士学位论文
摘要
燃气轮机在船舶领域得到了广泛的应用，船用燃气轮机排气系统成为了保证机组
正常运行必不可缺的组成部分。排气系统将涡轮排出的高温气体经过充分冷却后排入
到大气中，同时需要尽量降低高温排气的红外辐射特性。当船舶在海面航行时，环境
中风速风向的变化对燃气轮机排气系统运行的稳定性会产生不可忽略的影响。
本文以船用燃气轮机排气系统为研究对象，利用数值计算方法，将环境风速与环
境风向进行多种组合转化为数值计算的边界条件，对不同环境风速和环境风向下的燃
气轮机排气系统进行以下几方面的研究：
首先，以整机燃气轮机排气系统为研究对象，以实际环境风速和环境风向作为参
考建立计算模型的边界条件，对排气系统进行湍流模型适用性验证及网格无关性验证，
以及对排气系统排气进行气体透射率实验数据与计算数据对比，以保证数值模拟的准
确性和高效性和逐线积分法计算烟羽辐射的准确性。
其次，数值模拟在无风环境下，船舶处于全速工况、设计工况和巡航工况时排气
系统的性能。将环境风速和环境风向的变化具体表现为环境风速与环境风向耦合形成
多种边界条件进行数值计算，对处于这些环境风速和环境风向下的排气系统进行性能
分析。对排气系统内部流场、温度场、压力场的变化进行对比分析，为排气系统优化
设计提供参考。
然后，对不同环境风速和环境风向下排气系统的计算数据进行整理，并应用响应
曲面法对不同环境风速和环境风向下的排气系统参数进行分析，得到排气系统出口总
温随环境风向和环境风速变化的响应曲面，以快速分析排气系统在不同环境风速和环
境风向下的性能变化情况，为船舶排气系统的高效运行提供数据参考。
最后，根据数值计算所得的外部烟羽温度场数据进行数据提取、分析与数据重构，
基于高精度光谱数据库HITEMP高温粒子光谱数据，将具有非均匀局部高温气体特点
的排气系统外部烟羽进行辐射强度计算。对目标气体种类、目标温度范围、目标波段
进行分析，同时对排气系统外部烟羽温度场数据进行提取、重构、分析并进行计算，
最后，运用逐线积分法与层辐射计算法对排气系统外部烟羽红外辐射特性进行了非均
匀高温气体辐射计算，对不同环境风速和环境风向下的烟羽辐射特性进行对比分析。
关键词：燃气轮机；排气系统；气体辐射；数值计算
哈尔滨工程大学硕士学位论文
Abstract
Gasturbinesarewidelyutilizedinthemarineindustry,andtheirexhaustsystemshave
becomeanessentialcomponentforensuringproperunitoperation.Thesesystemseffectively
coolhigh-temperaturegasesdischargedbytheturbineintotheatmospherewhileminimizing
infraredradiationcharacteristicsoftheseemissions.However,whenshipsnavigatethrough
changingwindspeedsanddirectionsatsea,environmentalfactorscanimpactsystem
performance.
Takingmarinegasturbineexhaustsystemastheresearchobject,thispaperusesnumerical
calculationmethodtoconvertvariouscombinationsofambientwindspeedandambientwind
directionintoboundaryconditionsfornumericalcalculation,andstudiesgasturbineexhaust
systemunderdifferentambientwindspe