微重力下动态气液分离装置的数值模拟

蔡玉强，李亚丛

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)

微重力下动态气液分离装置的数值模拟

蔡玉强，李亚丛

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)

微重力；动态气液分离装置；数值模拟；分离效率；fluent

微重力环境下的气液分离作为尿液预处理单元的关键环节对维持系统压力稳定，保证蒸汽压缩蒸馏装置安全运行具有至关重要的作用。为了实现微重力条件下气/液(尿)分离，采用ICEM CFD软件建立了锥式动态气液分离装置的有限元模型；利用Fluent数值模拟了装置内部气液两相的分离过程，分析了锥式转鼓的旋转速度、气液混合物中各组分的含量、气泡直径大小等参数对分离效果的影响，为未来微重力环境下气液分离装置的设计优化和效率提高提供了有效的参考依据。

蒸汽压缩蒸馏系统(VCD)是国际空间站从尿液废水中回收纯净水的重要装置，自19世纪60年代初，美国开始着手利用蒸汽压缩蒸馏系统实现循环用水的研究，经过几十年的不断改进，已顺利将其应用到国际空间站中[1]。微重力环境下的气液分离作为尿液预处理单元的关键环节对维持系统压力稳定，保证装置安全运行具有至关重要的作用。

由于空间站微重力环境的搭建工作操作系数低且价格昂贵，因此运用数值模拟与理论分析相结合的方法分析微重力环境下的气液分离问题已成为更多研究者的选择。在空间微重力环境下气泡失去液相浮力不能自行上浮，使得气体从液体中分离出来存在一定的难度。近年来，利用fluent模拟常重力条件下气液分离器的文章广见报道[2-5]，且取得了明显的进步，但关于微重力环境下的气液分离却鲜被研究。以实现微重力条件下气/液(尿)分离为目的，利用Fluent软件对动态气液分离装置内部两相流动进行数值模拟，从而得出不同旋转速度、含气量、气泡直径大小下的分离效率，为以后微重力环境下气液分离装置的设计和改进提供可靠的参考依据。

1 三维模型的建立及网格划分

1.1 三维模型的建立

美国宇航局(NASA)对于微重力环境下动态气液分离装置进行了大量研究。在分析时，为了使问题简化，根据NASA公开的气液(尿)分离器的结构设计参数[6-7]，设计了分离腔的基本尺寸(如图1所示)，锥角约为14°，这是因为锥角在分离过程中对分离效率影响较小，只是提供一个自动卸料的功能。采用Creo Parametric软件建立锥式动态气液分离装置三维模型(如图2所示)，其中内、外锥转鼓上分别设计了5层小孔、每层12个，出口总数为120个。

该装置主要由壳体、内锥转鼓和外锥转鼓组成，内外转鼓上面均开有小孔且同轴旋转形成分离腔。尿液与空气的混合物从外壳上的入口进入分离腔内，在电动机的带动下高速旋转，受到惯性离心力的作用。由于气体和液体存在较大的密度差，密度较大的尿液向外层移动，流经转鼓外侧的小孔进入尿液储罐等待下一步处理；密度较小的空气则向内层移动，通过内锥上所开的孔进入内锥，从排气管抽出，经过除味儿和微生物过滤器之后直接排放到座舱中。

图1 分离腔基本尺图

图2 锥式动态气液分离装置结构示意图

1.2 网格划分

利用ICEM CFD对动态气液分离装置的数值模型进行网格划分。由于模型结构比较复杂，故对整个流体计算域均采用四面体非结构化网格，同时为了提高计算精度，对流动复杂区域进行局部加密处理，计算网格数为496 630个，如图3所示。

图3 网格模型示意图

2 数值分析

2.1 控制方程

锥式动态气液分离装置内部的气液分离归根结底就是气液两相流动问题，且属于气体稀相流范畴，因此，将液体看成连续相，为不可压缩流动；气体看成离散相，为可压缩流动，数值模拟采用两相流Mixture模型。Mixture模型的控制方程如下：

(1)混合模型的连续方程

(2)混合模型的动量方程

(2)

(3)混合模型的能量方程

(3)

(4)第二相的体积分数方程

(4)

从第二相p的连续方程，可以得到第二相p的体积分数方程为

(5)

2.2 计算方法及边界条件的设置

数值求解时采用离散的隐式方法，选取Realizable k-ε模型，对压速耦合采用SIMPLE算法；充分考虑锥式动态气液分离装置内的流动状态为强旋流动，压力离散方法采用PRESTO！格式；动量方程采用二阶迎风差分格式进行离散，收敛判据为各项参数的残差小于10-3，同时进出口流量差在5%范围内即认为达到稳态平衡[8-10]。

锥式动态气液分离装置内流体区域的工作介质是含有一定气体的尿液，选用速度入口作为入口边界条件，温度为309 K；可动区域的流动采用多重参考系模型，不考虑重力，气体和液体出口界面设置为压力出口。

3 结果与分析

微重力环境下锥式动态气液分离器分离效率的影响因素有很多，主要包括结构参数、操作设置和物理性质[11]。本文通过数值模拟的办法主要分析旋转速度、汽泡直径、含气量3个因素对分离效率的影响。

3.1 旋转速度对分离效率的影响

设定气泡直径为1 mm，含气率为30%，利用fluent分别模拟1 800 rpm、1 200 rpm、600 rpm 3种不同转速下动态气液分离装置分离效果。图4为不同转速条件下分离器轴截面(一半)气体体积分数(液体含气率)分布云图。

图4 不同转速下气体体积分布云图

由图4可以看出：在微重力环境下，锥形转鼓旋转速度越高，气液(尿)混合物进入分离腔内受到的离心力的作用越大。由于存在密度差，密度较大的液体向外锥面移动，密度较小的气体向内锥面运动从小孔内流出，使得内锥孔附近的混合物含气率较小；同时转速越高，沿轴向含水量较高的汽液混合物分布范围越大，因而外锥转鼓所开的孔可以在轴向有较大的选取范围。因此，随着旋转速度的不断增加，贴近外壁的气液混合物的液体含气率不断减少(含液率不断增加)，分离效果越好。

3.2 汽泡直径大小对分离效率的影响

转速为1 800 rpm，含气率为30%，利用fluent分别模拟气泡直径是0.1 mm、0.5 mm、1 mm的情况下，动态气液分离装置环形腔中气液(尿)混合物的分离过程，如图5所示为不同气泡直径条件下分离器轴截面(一半)气体体积分数(液体含气率)分布云图。

图5 不同气泡直径下的气相体积分布云图

由图5可知：在空间微重力条件下，汽泡直径越大，分离效果越好，经过分离器后水中含气率从内壁到外壁逐渐递减。这是因为较小直径的气泡受到的离心力相对较小且粘性较大，需要采用更大的转速才能保证气泡从液体中溢出的时间小于气泡周围的液体从排水孔流出的时间。因此，在微重力环境下，利用离心力实现气液分离的装置对于含有大气泡的气液混合物的分离效果比较明显。

3.3 含气量对分离效率的影响

转速为1 800 rpm，气泡直径为1 mm条件下，改变气液混合物的含气量进行模拟。设置含气量分别为0.3、0.5、0.7时，分离后混合物中气体体积分数分布云图如图6所示。

图6 不同含气率下气体体积分布云图

从图6可以发现：通过观察外锥壁面上气体体积分数可知，气液混合物中含气比率越大，则贴近外壁处气液混合物的液体含气率越小，且靠近内锥孔附近的气体体积分数越低，分离效果越好。

4 结论

(1)锥形转鼓旋转速度越大，靠近外锥面的气液混合物中含气率越小，分离效果越好；同时转速越高，沿轴向含水量较高的气液混合物分布范围越大，因而外锥转鼓所开的孔可以在轴向有较大的选取范围。

(2)汽泡直径越大，分离效果越好，经过分离器后水中含气率从内壁到外壁逐渐递减；对于直径较小的小气泡来说，则需要更大的离心力才能使分离后水中含气率满足要求。

(3)气液混合物中含气率越高，分离效果越好。

[1] 杨祺，张文瑞，于锟锟. 空间站尿液处理技术研究及进展[J].真空与低温,2014,(6):315-318.

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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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