一种蒸发水包流阻仿真方法*

王璐璐，龚承君

(中国电子科技集团公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

一种蒸发水包流阻仿真方法*

王璐璐，龚承君

(中国电子科技集团公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

蒸发水包结构简单，成本较低，是重要的吊舱环控系统部件之一。在蒸发水包的流阻研究中，需要一种简单可行的仿真方案。文中将多孔介质方法引入蒸发水包流阻的仿真研究中，并以单个细长管路为对象，划分结构化网格，找出流阻与速度的关系，将其引入整体模型当中。最后通过对3种简化模型的分析对比，选择更为合理的模型进行数值计算。该方案不仅很好地反映了实际的流通情况，更减少了网格数量，使得蒸发水包的仿真简单可行。

蒸发水包；阻力仿真；多孔介质模型

引 言

蒸发水包是吊舱环控系统的主要部件之一，由封头、管路接口、储水介质及外壁等部件组成。储水介质在工作时处于润湿的状态，高温非饱和空气流经储水介质细孔时，水分蒸发吸收潜热从而达到等焓降温的目的。相对于涡轮制冷系统，蒸发水包环控系统管路简单，无运动部件，系统可靠性更好。在一定量级热负荷的情况下有更大的优势。

流动阻力是蒸发水包的重要性能参数。虽然通过实验的方法获得流阻更为准确，但是需要耗费大量的时间和人力物力，因此计算机数值仿真方法是一种重要的研发手段[1]。蒸发水包流道由入口及出口管路接口段、前后封头和蒸发细孔流通通道3部分组成。为了保证空气与水充分换热，细孔管路管径需小于10 mm，这使得管路数量庞大。如果直接对原模型划分网格将会非常困难。因此蒸发水包的仿真需要对模型进行简化，处理后的模型需要保证计算结果能够更好地反映实际流动情况且简单易行。

多孔介质是多相介质占据的共同空间，由固体骨架和孔隙2部分组成。多孔介质的主要特征是孔隙微小，比表面积大。孔隙有可能是全部连通的，也可能是部分连通部分不连通。该模型可以应用于很多问题，如通过管道堆、过滤纸、充满介质的流动以及流量分配器的流动[2]。在使用该模型时，需将计算区域定义为多孔介质。多孔介质的动量方程所附加的动量源项由粘性损失项和内部损失项2部分组成。在求解中需给定粘性损失项和内部损失项相关参数[3]。

1 仿真方法和思路

采用多孔介质模型进行蒸发水包流阻仿真，不仅能够准确描述实际的流动情况，同时模型也较为简单，计算量较小。

多孔介质模型的求解中需要粘性损失系数和内部损失系数2个重要参数，他们决定流体流经多孔介质时的流动特性。在本算例中，管路区域只有一个方向有流动并且各个管路结构和粗糙度相同，所以单个管路内部流动的相关损失系数可以作为多孔介质区域的相关损失系数。本文首先通过单个管路仿真确定多孔介质区域的粘性损失系数和内部损失系数，其次分析对比3种简化模型选择更为合理的模型，最后完成蒸发水包流阻的仿真分析。

2 仿真结果

2.1 多孔介质模型参数确定

多孔介质区域由若干根直径6.5 mm、长365 mm的平行细长管构成。提取单根管子并对其划分网格，部分网格如图1所示。管路细长并且内部较为粗糙，边界层对内部阻力影响较大，所以需采用边界处加密的结构化网格。

图1 管路网格

在多孔介质模型中，简化的动量方程可由下式确定：

ΔP=SΔn

(1)

式中：ΔP为多孔介质两端阻力；Δn为多孔介质厚度。

(2)

细长管路的入口边界条件设为速度入口，内部壁面粗糙度设为50μm，出口为outflow边界条件。在管路工作速度范围内，速度与流阻的仿真结果见表1。速度为3.5m/s时的出口及入口压力如图2、图3所示。

表1 速度-流阻仿真结果

图2 出口压力

图3 入口压力

对仿真结果进行多项式拟合可以得到如图4所示的拟合曲线。

图4 速度-流阻拟合曲线

拟合的多项式：

y=1.055x2+13.991x-4.314

(3)

式中：y为管路阻力；x为流体速度。

2.2 模型的简化方法

蒸发水包由封头、管路接口、储水介质及外壁等部件组成，实体模型如图5所示。

图5 蒸发水包实体模型

蒸发水包的流通区域中，细孔通道数量庞大，各个管道并列且相互不连通，如图6所示，可采用多孔介质模型简化，两端封头及入口、出口管路不做简化，使用实际的物理模型。封头与多孔介质连接的区域有3种简化方式：多孔介质区域用一维平面简化模型(见图7)；流体直接进入多孔介质区域(见图8)；流体通过多孔板进入多孔介质区域(见图9)。

图6 流体流通区域

图8 直接流通模型

图9 孔板流通模型

3种简化模型各有优劣：一维简化模型网格数量较少，计算更容易收敛，但在多孔介质区域会有管路间的流通，这与实际情况不符；直接流通模型网格数量最少，计算最容易收敛，但是该模型无孔板分流作用，造成多孔区域内部局部速度高，孔板的分流情况与实际情况不符；孔板流通模型网格数量远远大于前2种模型，但是该模型在多孔介质内部及孔板附近的流动情况与实际情况相同。3种简化模型对比见表2。

表2 3种简化模型对比

结合实际，本文采用孔板流通模型对蒸发水包进行建模。

2.3 仿真结果

蒸发水包模型如图9所示，流通区域的关键部件依次为：入口段，入口封头，孔板，多孔介质区域，孔板，出口封头，出口段。其中入口段及孔板网格局部加密，网格如图10所示。

图10 整体模型网格划分

蒸发水包入口边界条件设为流量入口，空气流速为150 kg/h；出口设为outflow边界；孔板起到分流的作用，因此需要设为内部壁面，粗糙度设为6.3 μm；多孔介质区域流体只在X方向流动，流动阻力遵守仿真所得的速度-压降关系。其他均设为壁面，粗糙度为6.3 μm。通过仿真计算，纵截面上X方向速度云图如图11所示。

蒸发水包入口、出口及多孔介质区域2个截面的压力分布如图12所示。从图中可以看出，在流体流经多孔介质区域时，压力有明显的减小，在流速为150 kg/h时压力损失为3 kPa。

图11 截面X方向速度云图

图12 入口、出口及2个截面的压力分布

3 结束语

蒸发水包的蒸发区域由密集的流通管路构成，这些管路细小而密集。如果采用全模型仿真，网格数量巨大，不仅对计算机硬件有较高的要求，而且难以收敛。

本文通过引入多孔介质模型很好地解决了该问题。首先通过对单根细小管路的研究，确定多孔介质模型所需的参数，然后根据多孔介质边界的实际流通情况，选择合适的简化模型，最终完成蒸发水包的仿真。该方法所需网格数量少，因此对计算机硬件要求不高，并且容易收敛。经过FloEFD软件建立全模型进行仿真比较，结果基本吻合。结果表明该方法简单有效。

[1] 尹本浩, 蒋威威, 何冰, 等. 液冷电子设备的冷板流阻匹配研究[J]. 电子机械工程, 2013, 29(2): 1-4.

[2] 黄晓明. 多孔介质相变传热与流动及其若干应用研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2004.

[3] 邓彩华, 童亮, 陈壁峰, 等. 多孔介质流动的直接数值模拟[J]. 武汉理工大学学报: 交通科学与工程版, 2011, 35(6): 1257-1260.

[4] 孔祥言, 卢德唐, 徐献芝. 多孔介质中对流的研究[J]. 力学进展, 1996, 26(4): 510-520.

[5] 姚彦贵, 施杨. 多孔介质模型在核电蒸汽发生器设计中的应用[J]. 现代计算机, 2014(6): 40-43.

[6] 李亨, 张锡文, 何枫. 论多孔介质中流体流动问题的数值模拟方法[J]. 石油大学学报: 自然科学版, 2000, 24(5): 112-116.

王璐璐(1985-)，男，工程师，主要从事结构设计工作。

A Method of Flow Resistance Simulation for Evaporative Cooler

WANG Lu-lu，GONG Cheng-jun

(The29thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China)

Evaporative cooler has simple structure and low cost. It is an important component of the environmental control system of aircraft pod. A simple and feasible simulation solution is necessary for the study of flow resistance of the cooler. This article introduces the porous medium method to the simulation study of flow resistance of the cooler. Structure meshing is carried out for a single long thin pipe, the relationship between flow resistance and speed is obtained, and then it is introduced into the overall model. Finally, through analysis and comparison of three simplified models, a more reasonable model for numerical calculation is selected. This solution not only reflects the actual flow but also reduces the mesh number, making the simulation simple and feasible.

evaporative cooler; flow resistance simulation; porous medium model

2016-11-09

TK124

A

1008-5300(2016)06-0022-03