蔡玉強(qiáng)，李亞叢

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

蒸汽壓縮蒸餾裝置(VCD)是國(guó)際空間站從尿液廢水中回收純凈水的重要裝置[1]，具有重量輕、體積小、廢水回收率高、產(chǎn)水水質(zhì)好、散熱少、能耗小等優(yōu)點(diǎn)[2]，是我國(guó)未來(lái)空間站建設(shè)研究的主要方向之一。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)微重力環(huán)境下的氣液兩相流動(dòng)、分離、相變傳熱分別進(jìn)行了數(shù)值模擬[3-6]，并取得了一定的成就，然而缺少對(duì)復(fù)雜裝置涉及耦合問(wèn)題的研究。本文針對(duì)蒸汽壓縮蒸餾裝置的運(yùn)行，將離心力及微重力環(huán)境共同作用下的氣液兩相流動(dòng)、動(dòng)態(tài)分離、相變傳熱等問(wèn)題耦合在一起，利用Fluent多相流混合模型，結(jié)合自定義函數(shù)(UDF)模擬了蒸汽壓縮蒸餾裝置共軛換熱的相變過(guò)程，比較真實(shí)地反映了VCD裝置內(nèi)兩相流的流動(dòng)、氣液相變以及兩相分布情況，為以后蒸汽壓縮蒸餾裝置的整體設(shè)計(jì)提供可靠的參考。

1 VCD三維模型的建立及網(wǎng)格劃分

1.1 三維模型及簡(jiǎn)化

根據(jù)美國(guó)宇航局(NASA)公開(kāi)的蒸汽壓縮蒸餾裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及相關(guān)文獻(xiàn)的研究[7]，初步設(shè)計(jì)的VCD三維模型如圖1所示。該裝置主要有兩個(gè)重要部分：蒸發(fā)器和冷凝器。尿液流入蒸發(fā)器內(nèi)，吸收冷凝潛熱蒸發(fā)，變成水蒸汽，在離心力的作用下，實(shí)現(xiàn)氣液初步分離，分離后的水蒸汽經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮提高飽和溫度，進(jìn)入冷凝器內(nèi)遇冷液化成水，釋放潛熱，潛熱由冷凝器冷凝表面?zhèn)鞯秸舭l(fā)器蒸發(fā)表面，使其等質(zhì)量的廢水蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)流固共軛換熱。

在分析時(shí)，為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，先拋開(kāi)壓縮機(jī)部分，簡(jiǎn)化三維模型，得到VCD幾何簡(jiǎn)化模型(如圖2所示)，重點(diǎn)對(duì)蒸發(fā)器(液相流體域)、冷凝器(氣相流體域)及其共用金屬壁(固體域)進(jìn)行研究以定性分析裝置內(nèi)的相變過(guò)程。

圖1 VCD三維模型

圖2 VCD幾何簡(jiǎn)化模型

1.2 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模型創(chuàng)建后，在ICEM CFD中建立蒸汽壓縮蒸餾裝置的網(wǎng)格模型。為了提高計(jì)算精度、加快收斂速度，對(duì)3個(gè)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格的建立均采用三維六面體網(wǎng)格，同時(shí)根據(jù)蒸汽壓縮蒸餾裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，創(chuàng)建4層O-block[8]，網(wǎng)格總數(shù)為415 296個(gè)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

2 數(shù)值分析

尿液作為VCD裝置的工作介質(zhì)，在進(jìn)入蒸汽壓縮蒸餾單元之前，需要添加H2SO4、CrO3預(yù)處理劑以防止尿液變質(zhì)，經(jīng)處理后尿液的物理特性如表1所示。

圖3 VCD裝置網(wǎng)格模型

參數(shù)數(shù)值密度(kg/m3)1.012×103比熱容[J/(kg·℃)]4.135×103黏度(Pa·s)0.968×10-3

2.1 控制方程

數(shù)值模擬選用兩相流混合模型，該模型允許各相以不同速度運(yùn)動(dòng)，求解混合相各特征方程[9]如下：

(1) 連續(xù)方程：

(1)

(2) 動(dòng)量方程:

(2)

其中：F為體積力；μm為混合黏度；vdr,k為第k相的飄移速度；αk為第k相的體積分?jǐn)?shù)；ρk為第k相的密度；g為重力體積力；p為壓力。

(3) 能量方程：

(3)

2.2 計(jì)算方法及邊界條件

求解時(shí)運(yùn)用離散的隱式方法，選取Realizablek-ε模型，打開(kāi)能量方程。定義壁面溫度恒定為300 K，設(shè)置流體域內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)為旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，同時(shí)定義內(nèi)外轉(zhuǎn)鼓壁為轉(zhuǎn)動(dòng)“滑移”壁面。壓速耦合方法采用的是SIMPLE算法；壓力離散方法采用PRESTO！格式；對(duì)動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散。

使用速度進(jìn)口作為入口邊界條件；擬定尿液進(jìn)口、水蒸汽進(jìn)口位于X軸正方向，速度分別為8.5 mm/s(溫度恒定為36 ℃)和14 mm/s(溫度恒定為50 ℃)；定義操作環(huán)境為8 036 Pa，設(shè)置操作密度為0.554 2；出口為壓力出口。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

目前，F(xiàn)luent兩相流混合模型還不能實(shí)現(xiàn)不同相之間的質(zhì)量傳輸，因此，擬采用自定義函數(shù)(UDF)來(lái)定義從液體相到蒸汽相的質(zhì)量傳輸問(wèn)題，將相變潛熱嵌入能量方程，實(shí)現(xiàn)傳輸過(guò)程中總質(zhì)量、能量守恒[10-11]。得出不同時(shí)刻(當(dāng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為360 r/min時(shí))冷凝器內(nèi)的氣、液兩相分布圖(如圖4、圖5所示)，以及蒸發(fā)器內(nèi)的氣、液兩相分布圖(如圖6、圖7所示)。

由圖4、圖5可看出：過(guò)熱水蒸汽進(jìn)入冷凝器后，與溫度較低的換熱壁面接觸，冷凝形成大量小液滴，釋放潛熱，表明蒸汽已經(jīng)開(kāi)始冷凝；小液滴不斷長(zhǎng)大、凝聚、形成大水滴直至脫落。由于蒸汽流動(dòng)產(chǎn)生壓強(qiáng)差，使得冷凝水沿X軸負(fù)向流動(dòng)，形成新液膜在離心力的作用下緊貼冷凝器外壁面向外流出。

圖4 不同時(shí)刻冷凝器內(nèi)的氣相分布

圖5 不同時(shí)刻冷凝器內(nèi)的液相分布

圖6 不同時(shí)刻蒸發(fā)器內(nèi)的氣相分布

如圖6、圖7所示，尿液進(jìn)入內(nèi)轉(zhuǎn)鼓后，與冷凝器的共用金屬壁接觸吸收潛熱，溫度逐漸升高并超過(guò)飽和溫度(316 K)，從而蒸發(fā)產(chǎn)生大量的水蒸汽；在離心力的作用下，密度較小的水蒸汽泡向內(nèi)轉(zhuǎn)鼓移動(dòng)，通過(guò)除霧器進(jìn)入內(nèi)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部然后逸出。

圖7 不同時(shí)刻蒸發(fā)器內(nèi)的液相分布

為了更加清楚地了解氣液兩相沿軸向方向不同位置的整體分布情況，截取距離入口位置40 mm、80 mm、120 mm處的切面氣液兩相分布云圖，如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可知：靠近蒸發(fā)器入口處液體的體積分布較少，遠(yuǎn)離入口液體的體積分?jǐn)?shù)較大，并形成一定厚度的液膜緊緊地包裹在壁面上。這是因?yàn)槟蛞哼M(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)迅速蒸發(fā)，形成水汽混合物，使得接近入口處液體的體積分?jǐn)?shù)偏小，但仍有一部分水由于沒(méi)有達(dá)到其飽和溫度而沿軸線方向向外流動(dòng)。在流動(dòng)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓產(chǎn)生的離心力將密度較大的液體拋向壁面形成較為均勻的液膜，密度較小的水蒸汽則向轉(zhuǎn)鼓的軸心方向運(yùn)動(dòng)。過(guò)熱水蒸汽進(jìn)入氣相流體域后快速冷凝，在入口處形成液滴，向外流出。

圖8 40 mm處氣、液兩相分布云圖

圖9 80 mm處氣、液兩相分布云圖

圖10 120 mm處氣、液兩相分布云圖

為了驗(yàn)證其過(guò)程的正確性，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，提取不同進(jìn)口流量下的產(chǎn)水率值，采用上述模擬操作對(duì)蒸汽壓縮蒸餾裝置換熱模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得出的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[7]進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。由圖11可知：數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)偏差均小于5%，可以認(rèn)定數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可靠。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)開(kāi)發(fā)自定義函數(shù)，將相變潛熱嵌入能量方程實(shí)現(xiàn)了VCD裝置共軛換熱的相變過(guò)程，得到的不同時(shí)刻下蒸發(fā)器、冷凝器內(nèi)氣液兩相體積分布狀態(tài)及氣液相變過(guò)程的傳熱特性、流動(dòng)狀態(tài)與裝置實(shí)際工作情況相符。

(2) 在蒸汽壓縮蒸餾裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)不變前提下，改變尿液的進(jìn)口流量，模擬得出相應(yīng)流量下的產(chǎn)水率值與國(guó)外文獻(xiàn)資料中的數(shù)據(jù)相對(duì)比，結(jié)果表明偏差均小于5%，可以認(rèn)定數(shù)值模擬可靠，并總結(jié)出當(dāng)進(jìn)口流量為5.5 kg/h時(shí)產(chǎn)水率最高，為3.256 kg/h。

圖11 模擬數(shù)據(jù)平均值與文獻(xiàn)[7]數(shù)據(jù)對(duì)比

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊祺，張文瑞，于錕錕.空間站尿液處理技術(shù)研究及進(jìn)展[J].真空與低溫,2014(6):315-318.

[2] Hutchens C F.A description and comparison of US and Russian urine processing hardware for the international space station[J]. SAE Paper 941251.

[3] 周云龍，黃娜.微重力環(huán)境下水平方管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)特性的數(shù)值研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(26):4500-4507.

[4] 楊飛，張永健.微重力下氣液分離特性的數(shù)值模擬[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014,38(4):14-19.

[5] 黃娜.不同流場(chǎng)環(huán)境影響下管內(nèi)氣(汽)液兩相流動(dòng)與傳熱特性的數(shù)值研究[D].保定:華北電力大學(xué),2016:1-5.

[6] 張文偉，柯鵬.微重力動(dòng)態(tài)水氣分離器性能仿真與理論分析[J].航空學(xué)報(bào),2016,37(9):2646-2658.

[7] Cindy F Hutchens, Results of the vapor compression distillation flight experiment (VCD-FE)[C]//34 th International Conference on Environmental Systems (ICES).Colorado Springs:[s.n.],2004：19-22.

[8] 紀(jì)兵兵，陳金瓶.ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分技術(shù)實(shí)例分析[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2012.

[9] 寧?kù)o紅，劉敬坤，劉圣春，等.水平管內(nèi)水蒸汽冷凝換熱特性的數(shù)值模擬[J].流體機(jī)械,2014(11):73-78.

[10] Alberto Cavallini,Davide Del Col,Luca Doretti,et al.Condensation in horizontal smooth tubes:A new heat transfer model for heat exchanger design[J].Heat Transfer Engineering,2006,27(8):31-38.

[11] 孫東亮，徐進(jìn)良，王麗.求解兩相蒸發(fā)和冷凝問(wèn)題的氣液相變模型[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,46(7):7-11.