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船舶二冲程柴油机因其热效率高、可靠性高而成为船舶应用最多的动力装置之一。为了降低船舶柴油机氮氧化物(NOx)的排放，废气再循环(Exhaust Gas Recirculation, EGR)系统被主机厂采用。然而采用EGR系统后，由于柴油机缸内燃烧变差和EGR附属设备耗功等原因导致柴油机的燃油经济性变差。为了提高柴油机的燃油经济性，本文开展了再循环烟气余热回收利用研究。本文以6S80ME-C9.5型船舶柴油机EGR系统为研究对象，将EGR系统和余热回收(Waste Heat Recovery, WHR)系统相结合，通过WHR系统回收EGR系统再循环烟气的余热，解决柴油机采用EGR系统所带来的油耗增加的问题。本文主要通过仿真的手段对EGR系统再循环烟气的余热回收问题进行分析。本文首先建立了换热器稳态数学模型、动态数学模型，工质泵、膨胀机的稳态数学模型，之后将这些模型组合形成了余热利用系统稳态仿真数学模型和动态仿真数学模型。结合余热利用系统稳态仿真模型和多目标优化算法(Non-dominationSortingGeneticAlgorithmVersion2，NSGA-Ⅱ)对余热利用系统进行了多目标寻优，并通过余热利用系统动态仿真模型对有机郎肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)系统的动态特性进行了仿真分析。本文的主要工作有：
(1)针对现有的换热器稳态仿真模型的优缺点，独立提出了基于滑移边界和有限体积耦合算法的换热器稳态仿真模型，有效的平衡了计算时间和计算精度。推导了基于有限体积法的换热器动态仿真模型。
(2)针对现有余热利用系统仿真模型的不通用性，提出了余热利用系统无序求解模型。该模型通过使余热利用系统中能够求解的部件优先求解，暂时不能求解的部件延后求解的思路，使基于该思想建立的余热利用系统仿真模型能够支持任意结构和多层嵌套的余热利用系统。
(3)给出了基于滑移边界和有限体积耦合算法的换热器仿真算例，包括亚临界蒸发器的仿真算例和超临界CO2(Super Critical CO2, S-CO2)冷却器的仿真算例。通过将算例的仿真结果与基于滑移边界法的换热器稳态仿真模型和基于有限体积法的换热器稳态仿真模型进行对比分析，得出了本文提出的模型在计算时间和计算精度上的优越性。同时本文也给出了换热器动态仿真模型的算例。
(4)以发动机计算应用系统(Computerised Engine Application System, CEAS)程序的计算结果为基础，根据EGR系统各部件之间的关系，计算了EGR系统再循环烟气的参数。对EGR系统再循环烟气进行了简单热力学分析，评价了EGR系统再循环烟气余热回收的必要性。
(5)根据6S80ME-C9.5型柴油机EGR系统的结构，提出了WHR系统与EGR系统相结合的两种方式，分别为并联系统和串联系统。分析了两种系统的优缺点，得出了串联系统不仅能够对EGR系统再循环烟气余热进行回收，也能够在EGR系统关闭时对增压空气余热进行回收，不仅占用空间体积小，且阻力损失增加不大的结论。
(6)根据6S80ME-C9.5型柴油机EGR系统再循环烟气的参数，设计了五种EGR系统再循环烟气余热利用系统，分别为回热有机郎肯循环(Regeneration Organic Rankine Cycle, RORC)循环系统、S-CO2布雷顿循环系统、双循环RORC耦合余热利用系统、S-CO2和RORC耦合余热利用系统以及S-CO2和ORC耦合余热利用系统，并采用NSGA-Ⅱ算法以循环总功率和总换热面积为优化目标对该两种余热利用系统进行了多目标寻优分析。结果表明S-CO2和RORC耦合循环系统不仅系统投资低，空间体积占用少，且发电功率损失不大，更加适用于对EGR系统再循环烟气的余热进行回收。在优化分析结果的基础上，通过基于滑移边界和有限体积耦合算法的换热器稳态模型设计了S-CO2和RORC耦合循环系统中相关换热器的几何结构。
(7)建立了ORC系统的动态仿真模型，并将其应用在了耦合循环系统中的低温级RORC循环动态特性的仿真中，获取了RORC循环系统的动态特性。结果表明，ORC系统中的蒸发器和冷凝器均具有较大的热惯性，且温度的响应时间远大于压力的响应时间。在ORC系统非稳态的过程中，膨胀机的质量流量会滞后于工质泵的质量流量。
(1)针对现有的换热器稳态仿真模型的优缺点，独立提出了基于滑移边界和有限体积耦合算法的换热器稳态仿真模型，有效的平衡了计算时间和计算精度。推导了基于有限体积法的换热器动态仿真模型。
(2)针对现有余热利用系统仿真模型的不通用性，提出了余热利用系统无序求解模型。该模型通过使余热利用系统中能够求解的部件优先求解，暂时不能求解的部件延后求解的思路，使基于该思想建立的余热利用系统仿真模型能够支持任意结构和多层嵌套的余热利用系统。
(3)给出了基于滑移边界和有限体积耦合算法的换热器仿真算例，包括亚临界蒸发器的仿真算例和超临界CO2(Super Critical CO2, S-CO2)冷却器的仿真算例。通过将算例的仿真结果与基于滑移边界法的换热器稳态仿真模型和基于有限体积法的换热器稳态仿真模型进行对比分析，得出了本文提出的模型在计算时间和计算精度上的优越性。同时本文也给出了换热器动态仿真模型的算例。
(4)以发动机计算应用系统(Computerised Engine Application System, CEAS)程序的计算结果为基础，根据EGR系统各部件之间的关系，计算了EGR系统再循环烟气的参数。对EGR系统再循环烟气进行了简单热力学分析，评价了EGR系统再循环烟气余热回收的必要性。
(5)根据6S80ME-C9.5型柴油机EGR系统的结构，提出了WHR系统与EGR系统相结合的两种方式，分别为并联系统和串联系统。分析了两种系统的优缺点，得出了串联系统不仅能够对EGR系统再循环烟气余热进行回收，也能够在EGR系统关闭时对增压空气余热进行回收，不仅占用空间体积小，且阻力损失增加不大的结论。
(6)根据6S80ME-C9.5型柴油机EGR系统再循环烟气的参数，设计了五种EGR系统再循环烟气余热利用系统，分别为回热有机郎肯循环(Regeneration Organic Rankine Cycle, RORC)循环系统、S-CO2布雷顿循环系统、双循环RORC耦合余热利用系统、S-CO2和RORC耦合余热利用系统以及S-CO2和ORC耦合余热利用系统，并采用NSGA-Ⅱ算法以循环总功率和总换热面积为优化目标对该两种余热利用系统进行了多目标寻优分析。结果表明S-CO2和RORC耦合循环系统不仅系统投资低，空间体积占用少，且发电功率损失不大，更加适用于对EGR系统再循环烟气的余热进行回收。在优化分析结果的基础上，通过基于滑移边界和有限体积耦合算法的换热器稳态模型设计了S-CO2和RORC耦合循环系统中相关换热器的几何结构。
(7)建立了ORC系统的动态仿真模型，并将其应用在了耦合循环系统中的低温级RORC循环动态特性的仿真中，获取了RORC循环系统的动态特性。结果表明，ORC系统中的蒸发器和冷凝器均具有较大的热惯性，且温度的响应时间远大于压力的响应时间。在ORC系统非稳态的过程中，膨胀机的质量流量会滞后于工质泵的质量流量。