微重力下動態(tài)氣液分離裝置的數(shù)值模擬

蔡玉強，李亞叢

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

微重力下動態(tài)氣液分離裝置的數(shù)值模擬

蔡玉強，李亞叢

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

微重力；動態(tài)氣液分離裝置；數(shù)值模擬；分離效率；fluent

微重力環(huán)境下的氣液分離作為尿液預處理單元的關(guān)鍵環(huán)節(jié)對維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，保證蒸汽壓縮蒸餾裝置安全運行具有至關(guān)重要的作用。為了實現(xiàn)微重力條件下氣/液(尿)分離，采用ICEM CFD軟件建立了錐式動態(tài)氣液分離裝置的有限元模型；利用Fluent數(shù)值模擬了裝置內(nèi)部氣液兩相的分離過程，分析了錐式轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)速度、氣液混合物中各組分的含量、氣泡直徑大小等參數(shù)對分離效果的影響，為未來微重力環(huán)境下氣液分離裝置的設(shè)計優(yōu)化和效率提高提供了有效的參考依據(jù)。

蒸汽壓縮蒸餾系統(tǒng)(VCD)是國際空間站從尿液廢水中回收純凈水的重要裝置，自19世紀60年代初，美國開始著手利用蒸汽壓縮蒸餾系統(tǒng)實現(xiàn)循環(huán)用水的研究，經(jīng)過幾十年的不斷改進，已順利將其應(yīng)用到國際空間站中[1]。微重力環(huán)境下的氣液分離作為尿液預處理單元的關(guān)鍵環(huán)節(jié)對維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，保證裝置安全運行具有至關(guān)重要的作用。

由于空間站微重力環(huán)境的搭建工作操作系數(shù)低且價格昂貴，因此運用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法分析微重力環(huán)境下的氣液分離問題已成為更多研究者的選擇。在空間微重力環(huán)境下氣泡失去液相浮力不能自行上浮，使得氣體從液體中分離出來存在一定的難度。近年來，利用fluent模擬常重力條件下氣液分離器的文章廣見報道[2-5]，且取得了明顯的進步，但關(guān)于微重力環(huán)境下的氣液分離卻鮮被研究。以實現(xiàn)微重力條件下氣/液(尿)分離為目的，利用Fluent軟件對動態(tài)氣液分離裝置內(nèi)部兩相流動進行數(shù)值模擬，從而得出不同旋轉(zhuǎn)速度、含氣量、氣泡直徑大小下的分離效率，為以后微重力環(huán)境下氣液分離裝置的設(shè)計和改進提供可靠的參考依據(jù)。

1 三維模型的建立及網(wǎng)格劃分

1.1 三維模型的建立

美國宇航局(NASA)對于微重力環(huán)境下動態(tài)氣液分離裝置進行了大量研究。在分析時，為了使問題簡化，根據(jù)NASA公開的氣液(尿)分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)[6-7]，設(shè)計了分離腔的基本尺寸(如圖1所示)，錐角約為14°，這是因為錐角在分離過程中對分離效率影響較小，只是提供一個自動卸料的功能。采用Creo Parametric軟件建立錐式動態(tài)氣液分離裝置三維模型(如圖2所示)，其中內(nèi)、外錐轉(zhuǎn)鼓上分別設(shè)計了5層小孔、每層12個，出口總數(shù)為120個。

該裝置主要由殼體、內(nèi)錐轉(zhuǎn)鼓和外錐轉(zhuǎn)鼓組成，內(nèi)外轉(zhuǎn)鼓上面均開有小孔且同軸旋轉(zhuǎn)形成分離腔。尿液與空氣的混合物從外殼上的入口進入分離腔內(nèi)，在電動機的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，受到慣性離心力的作用。由于氣體和液體存在較大的密度差，密度較大的尿液向外層移動，流經(jīng)轉(zhuǎn)鼓外側(cè)的小孔進入尿液儲罐等待下一步處理；密度較小的空氣則向內(nèi)層移動，通過內(nèi)錐上所開的孔進入內(nèi)錐，從排氣管抽出，經(jīng)過除味兒和微生物過濾器之后直接排放到座艙中。

圖1 分離腔基本尺圖

圖2 錐式動態(tài)氣液分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

利用ICEM CFD對動態(tài)氣液分離裝置的數(shù)值模型進行網(wǎng)格劃分。由于模型結(jié)構(gòu)比較復雜，故對整個流體計算域均采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，同時為了提高計算精度，對流動復雜區(qū)域進行局部加密處理，計算網(wǎng)格數(shù)為496 630個，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型示意圖

2 數(shù)值分析

2.1 控制方程

錐式動態(tài)氣液分離裝置內(nèi)部的氣液分離歸根結(jié)底就是氣液兩相流動問題，且屬于氣體稀相流范疇，因此，將液體看成連續(xù)相，為不可壓縮流動；氣體看成離散相，為可壓縮流動，數(shù)值模擬采用兩相流Mixture模型。Mixture模型的控制方程如下：

(1)混合模型的連續(xù)方程

(2)混合模型的動量方程

(2)

(3)混合模型的能量方程

(3)

(4)第二相的體積分數(shù)方程

(4)

從第二相p的連續(xù)方程，可以得到第二相p的體積分數(shù)方程為

(5)

2.2 計算方法及邊界條件的設(shè)置

數(shù)值求解時采用離散的隱式方法，選取Realizable k-ε模型，對壓速耦合采用SIMPLE算法；充分考慮錐式動態(tài)氣液分離裝置內(nèi)的流動狀態(tài)為強旋流動，壓力離散方法采用PRESTO！格式；動量方程采用二階迎風差分格式進行離散，收斂判據(jù)為各項參數(shù)的殘差小于10-3，同時進出口流量差在5%范圍內(nèi)即認為達到穩(wěn)態(tài)平衡[8-10]。

錐式動態(tài)氣液分離裝置內(nèi)流體區(qū)域的工作介質(zhì)是含有一定氣體的尿液，選用速度入口作為入口邊界條件，溫度為309 K；可動區(qū)域的流動采用多重參考系模型，不考慮重力，氣體和液體出口界面設(shè)置為壓力出口。

3 結(jié)果與分析

微重力環(huán)境下錐式動態(tài)氣液分離器分離效率的影響因素有很多，主要包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作設(shè)置和物理性質(zhì)[11]。本文通過數(shù)值模擬的辦法主要分析旋轉(zhuǎn)速度、汽泡直徑、含氣量3個因素對分離效率的影響。

3.1 旋轉(zhuǎn)速度對分離效率的影響

設(shè)定氣泡直徑為1 mm，含氣率為30%，利用fluent分別模擬1 800 rpm、1 200 rpm、600 rpm 3種不同轉(zhuǎn)速下動態(tài)氣液分離裝置分離效果。圖4為不同轉(zhuǎn)速條件下分離器軸截面(一半)氣體體積分數(shù)(液體含氣率)分布云圖。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下氣體體積分布云圖

由圖4可以看出：在微重力環(huán)境下，錐形轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)速度越高，氣液(尿)混合物進入分離腔內(nèi)受到的離心力的作用越大。由于存在密度差，密度較大的液體向外錐面移動，密度較小的氣體向內(nèi)錐面運動從小孔內(nèi)流出，使得內(nèi)錐孔附近的混合物含氣率較小；同時轉(zhuǎn)速越高，沿軸向含水量較高的汽液混合物分布范圍越大，因而外錐轉(zhuǎn)鼓所開的孔可以在軸向有較大的選取范圍。因此，隨著旋轉(zhuǎn)速度的不斷增加，貼近外壁的氣液混合物的液體含氣率不斷減少(含液率不斷增加)，分離效果越好。

3.2 汽泡直徑大小對分離效率的影響

轉(zhuǎn)速為1 800 rpm，含氣率為30%，利用fluent分別模擬氣泡直徑是0.1 mm、0.5 mm、1 mm的情況下，動態(tài)氣液分離裝置環(huán)形腔中氣液(尿)混合物的分離過程，如圖5所示為不同氣泡直徑條件下分離器軸截面(一半)氣體體積分數(shù)(液體含氣率)分布云圖。

圖5 不同氣泡直徑下的氣相體積分布云圖

由圖5可知：在空間微重力條件下，汽泡直徑越大，分離效果越好，經(jīng)過分離器后水中含氣率從內(nèi)壁到外壁逐漸遞減。這是因為較小直徑的氣泡受到的離心力相對較小且粘性較大，需要采用更大的轉(zhuǎn)速才能保證氣泡從液體中溢出的時間小于氣泡周圍的液體從排水孔流出的時間。因此，在微重力環(huán)境下，利用離心力實現(xiàn)氣液分離的裝置對于含有大氣泡的氣液混合物的分離效果比較明顯。

3.3 含氣量對分離效率的影響

轉(zhuǎn)速為1 800 rpm，氣泡直徑為1 mm條件下，改變氣液混合物的含氣量進行模擬。設(shè)置含氣量分別為0.3、0.5、0.7時，分離后混合物中氣體體積分數(shù)分布云圖如圖6所示。

圖6 不同含氣率下氣體體積分布云圖

從圖6可以發(fā)現(xiàn)：通過觀察外錐壁面上氣體體積分數(shù)可知，氣液混合物中含氣比率越大，則貼近外壁處氣液混合物的液體含氣率越小，且靠近內(nèi)錐孔附近的氣體體積分數(shù)越低，分離效果越好。

4 結(jié)論

(1)錐形轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)速度越大，靠近外錐面的氣液混合物中含氣率越小，分離效果越好；同時轉(zhuǎn)速越高，沿軸向含水量較高的氣液混合物分布范圍越大，因而外錐轉(zhuǎn)鼓所開的孔可以在軸向有較大的選取范圍。

(2)汽泡直徑越大，分離效果越好，經(jīng)過分離器后水中含氣率從內(nèi)壁到外壁逐漸遞減；對于直徑較小的小氣泡來說，則需要更大的離心力才能使分離后水中含氣率滿足要求。

(3)氣液混合物中含氣率越高，分離效果越好。

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NumericalSimulationofDynamicGas-liquidSeparatorunderMicrogravity

CAI Yu-qiang, LI Ya-cong

(College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China)

microgravity; dynamic gas-liquid separator; numerical simulation; separation efficiency; fluent

The separation of gas-liquid under microgravity is the key part of the urine pretreatment unit, which is very important to maintain the pressure stability of the system and ensure the safe operation of vapor compression distillation. In order to realize gas-liquid separation (urine)under microgravity, the finite element model of cone dynamic gas-liquid separator was established by using ICEM CFD software. The separation process of gas-liquid in the device was simulated by using Fluent software. The influence of rotating speed of cone drum, content of components in gas-liquid mixture, bubble size and some other parameters on the separation effect were analyzed. The reference is provided for the structure optimization and efficiency improvement of gas-liquid separator in the future microgravity environment.

2095-2716(2017)04-0060-06

2017-03-17

2017-09-19

TQ051.8

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