一種蒸發(fā)水包流阻仿真方法*

王璐璐，龔承君

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

一種蒸發(fā)水包流阻仿真方法*

王璐璐，龔承君

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

蒸發(fā)水包結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，是重要的吊艙環(huán)控系統(tǒng)部件之一。在蒸發(fā)水包的流阻研究中，需要一種簡(jiǎn)單可行的仿真方案。文中將多孔介質(zhì)方法引入蒸發(fā)水包流阻的仿真研究中，并以單個(gè)細(xì)長(zhǎng)管路為對(duì)象，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，找出流阻與速度的關(guān)系，將其引入整體模型當(dāng)中。最后通過對(duì)3種簡(jiǎn)化模型的分析對(duì)比，選擇更為合理的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。該方案不僅很好地反映了實(shí)際的流通情況，更減少了網(wǎng)格數(shù)量，使得蒸發(fā)水包的仿真簡(jiǎn)單可行。

蒸發(fā)水包；阻力仿真；多孔介質(zhì)模型

引 言

蒸發(fā)水包是吊艙環(huán)控系統(tǒng)的主要部件之一，由封頭、管路接口、儲(chǔ)水介質(zhì)及外壁等部件組成。儲(chǔ)水介質(zhì)在工作時(shí)處于潤(rùn)濕的狀態(tài)，高溫非飽和空氣流經(jīng)儲(chǔ)水介質(zhì)細(xì)孔時(shí)，水分蒸發(fā)吸收潛熱從而達(dá)到等焓降溫的目的。相對(duì)于渦輪制冷系統(tǒng)，蒸發(fā)水包環(huán)控系統(tǒng)管路簡(jiǎn)單，無運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)可靠性更好。在一定量級(jí)熱負(fù)荷的情況下有更大的優(yōu)勢(shì)。

流動(dòng)阻力是蒸發(fā)水包的重要性能參數(shù)。雖然通過實(shí)驗(yàn)的方法獲得流阻更為準(zhǔn)確，但是需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力物力，因此計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真方法是一種重要的研發(fā)手段[1]。蒸發(fā)水包流道由入口及出口管路接口段、前后封頭和蒸發(fā)細(xì)孔流通通道3部分組成。為了保證空氣與水充分換熱，細(xì)孔管路管徑需小于10 mm，這使得管路數(shù)量龐大。如果直接對(duì)原模型劃分網(wǎng)格將會(huì)非常困難。因此蒸發(fā)水包的仿真需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，處理后的模型需要保證計(jì)算結(jié)果能夠更好地反映實(shí)際流動(dòng)情況且簡(jiǎn)單易行。

多孔介質(zhì)是多相介質(zhì)占據(jù)的共同空間，由固體骨架和孔隙2部分組成。多孔介質(zhì)的主要特征是孔隙微小，比表面積大?？紫队锌赡苁侨窟B通的，也可能是部分連通部分不連通。該模型可以應(yīng)用于很多問題，如通過管道堆、過濾紙、充滿介質(zhì)的流動(dòng)以及流量分配器的流動(dòng)[2]。在使用該模型時(shí)，需將計(jì)算區(qū)域定義為多孔介質(zhì)。多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程所附加的動(dòng)量源項(xiàng)由粘性損失項(xiàng)和內(nèi)部損失項(xiàng)2部分組成。在求解中需給定粘性損失項(xiàng)和內(nèi)部損失項(xiàng)相關(guān)參數(shù)[3]。

1 仿真方法和思路

采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行蒸發(fā)水包流阻仿真，不僅能夠準(zhǔn)確描述實(shí)際的流動(dòng)情況，同時(shí)模型也較為簡(jiǎn)單，計(jì)算量較小。

多孔介質(zhì)模型的求解中需要粘性損失系數(shù)和內(nèi)部損失系數(shù)2個(gè)重要參數(shù)，他們決定流體流經(jīng)多孔介質(zhì)時(shí)的流動(dòng)特性。在本算例中，管路區(qū)域只有一個(gè)方向有流動(dòng)并且各個(gè)管路結(jié)構(gòu)和粗糙度相同，所以單個(gè)管路內(nèi)部流動(dòng)的相關(guān)損失系數(shù)可以作為多孔介質(zhì)區(qū)域的相關(guān)損失系數(shù)。本文首先通過單個(gè)管路仿真確定多孔介質(zhì)區(qū)域的粘性損失系數(shù)和內(nèi)部損失系數(shù)，其次分析對(duì)比3種簡(jiǎn)化模型選擇更為合理的模型，最后完成蒸發(fā)水包流阻的仿真分析。

2 仿真結(jié)果

2.1 多孔介質(zhì)模型參數(shù)確定

多孔介質(zhì)區(qū)域由若干根直徑6.5 mm、長(zhǎng)365 mm的平行細(xì)長(zhǎng)管構(gòu)成。提取單根管子并對(duì)其劃分網(wǎng)格，部分網(wǎng)格如圖1所示。管路細(xì)長(zhǎng)并且內(nèi)部較為粗糙，邊界層對(duì)內(nèi)部阻力影響較大，所以需采用邊界處加密的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖1 管路網(wǎng)格

在多孔介質(zhì)模型中，簡(jiǎn)化的動(dòng)量方程可由下式確定：

ΔP=SΔn

(1)

式中：ΔP為多孔介質(zhì)兩端阻力；Δn為多孔介質(zhì)厚度。

(2)

細(xì)長(zhǎng)管路的入口邊界條件設(shè)為速度入口，內(nèi)部壁面粗糙度設(shè)為50μm，出口為outflow邊界條件。在管路工作速度范圍內(nèi)，速度與流阻的仿真結(jié)果見表1。速度為3.5m/s時(shí)的出口及入口壓力如圖2、圖3所示。

表1 速度-流阻仿真結(jié)果

圖2 出口壓力

圖3 入口壓力

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式擬合可以得到如圖4所示的擬合曲線。

圖4 速度-流阻擬合曲線

擬合的多項(xiàng)式：

y=1.055x2+13.991x-4.314

(3)

式中：y為管路阻力；x為流體速度。

2.2 模型的簡(jiǎn)化方法

蒸發(fā)水包由封頭、管路接口、儲(chǔ)水介質(zhì)及外壁等部件組成，實(shí)體模型如圖5所示。

圖5 蒸發(fā)水包實(shí)體模型

蒸發(fā)水包的流通區(qū)域中，細(xì)孔通道數(shù)量龐大，各個(gè)管道并列且相互不連通，如圖6所示，可采用多孔介質(zhì)模型簡(jiǎn)化，兩端封頭及入口、出口管路不做簡(jiǎn)化，使用實(shí)際的物理模型。封頭與多孔介質(zhì)連接的區(qū)域有3種簡(jiǎn)化方式：多孔介質(zhì)區(qū)域用一維平面簡(jiǎn)化模型(見圖7)；流體直接進(jìn)入多孔介質(zhì)區(qū)域(見圖8)；流體通過多孔板進(jìn)入多孔介質(zhì)區(qū)域(見圖9)。

圖6 流體流通區(qū)域

圖8 直接流通模型

圖9 孔板流通模型

3種簡(jiǎn)化模型各有優(yōu)劣：一維簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格數(shù)量較少，計(jì)算更容易收斂，但在多孔介質(zhì)區(qū)域會(huì)有管路間的流通，這與實(shí)際情況不符；直接流通模型網(wǎng)格數(shù)量最少，計(jì)算最容易收斂，但是該模型無孔板分流作用，造成多孔區(qū)域內(nèi)部局部速度高，孔板的分流情況與實(shí)際情況不符；孔板流通模型網(wǎng)格數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前2種模型，但是該模型在多孔介質(zhì)內(nèi)部及孔板附近的流動(dòng)情況與實(shí)際情況相同。3種簡(jiǎn)化模型對(duì)比見表2。

表2 3種簡(jiǎn)化模型對(duì)比

結(jié)合實(shí)際，本文采用孔板流通模型對(duì)蒸發(fā)水包進(jìn)行建模。

2.3 仿真結(jié)果

蒸發(fā)水包模型如圖9所示，流通區(qū)域的關(guān)鍵部件依次為：入口段，入口封頭，孔板，多孔介質(zhì)區(qū)域，孔板，出口封頭，出口段。其中入口段及孔板網(wǎng)格局部加密，網(wǎng)格如圖10所示。

圖10 整體模型網(wǎng)格劃分

蒸發(fā)水包入口邊界條件設(shè)為流量入口，空氣流速為150 kg/h；出口設(shè)為outflow邊界；孔板起到分流的作用，因此需要設(shè)為內(nèi)部壁面，粗糙度設(shè)為6.3 μm；多孔介質(zhì)區(qū)域流體只在X方向流動(dòng)，流動(dòng)阻力遵守仿真所得的速度-壓降關(guān)系。其他均設(shè)為壁面，粗糙度為6.3 μm。通過仿真計(jì)算，縱截面上X方向速度云圖如圖11所示。

蒸發(fā)水包入口、出口及多孔介質(zhì)區(qū)域2個(gè)截面的壓力分布如圖12所示。從圖中可以看出，在流體流經(jīng)多孔介質(zhì)區(qū)域時(shí)，壓力有明顯的減小，在流速為150 kg/h時(shí)壓力損失為3 kPa。

圖11 截面X方向速度云圖

圖12 入口、出口及2個(gè)截面的壓力分布

3 結(jié)束語

蒸發(fā)水包的蒸發(fā)區(qū)域由密集的流通管路構(gòu)成，這些管路細(xì)小而密集。如果采用全模型仿真，網(wǎng)格數(shù)量巨大，不僅對(duì)計(jì)算機(jī)硬件有較高的要求，而且難以收斂。

本文通過引入多孔介質(zhì)模型很好地解決了該問題。首先通過對(duì)單根細(xì)小管路的研究，確定多孔介質(zhì)模型所需的參數(shù)，然后根據(jù)多孔介質(zhì)邊界的實(shí)際流通情況，選擇合適的簡(jiǎn)化模型，最終完成蒸發(fā)水包的仿真。該方法所需網(wǎng)格數(shù)量少，因此對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求不高，并且容易收斂。經(jīng)過FloEFD軟件建立全模型進(jìn)行仿真比較，結(jié)果基本吻合。結(jié)果表明該方法簡(jiǎn)單有效。

[1] 尹本浩, 蔣威威, 何冰, 等. 液冷電子設(shè)備的冷板流阻匹配研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2013, 29(2): 1-4.

[2] 黃曉明. 多孔介質(zhì)相變傳熱與流動(dòng)及其若干應(yīng)用研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2004.

[3] 鄧彩華, 童亮, 陳壁峰, 等. 多孔介質(zhì)流動(dòng)的直接數(shù)值模擬[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào): 交通科學(xué)與工程版, 2011, 35(6): 1257-1260.

[4] 孔祥言, 盧德唐, 徐獻(xiàn)芝. 多孔介質(zhì)中對(duì)流的研究[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 1996, 26(4): 510-520.

[5] 姚彥貴, 施楊. 多孔介質(zhì)模型在核電蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代計(jì)算機(jī), 2014(6): 40-43.

[6] 李亨, 張錫文, 何楓. 論多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)問題的數(shù)值模擬方法[J]. 石油大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2000, 24(5): 112-116.

王璐璐(1985-)，男，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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