劇烈變溫環(huán)境下保溫材料除濕過(guò)程數(shù)值模擬

陳 磊,王 樹(shù) 剛*,張 騰 飛,房 天 宇

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部， 遼寧 大連 116024； 2.中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110016 )

劇烈變溫環(huán)境下保溫材料除濕過(guò)程數(shù)值模擬

陳 磊1,王 樹(shù) 剛*1,張 騰 飛1,房 天 宇2

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部， 遼寧 大連 116024； 2.中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110016 )

基于Darcy滲流擴(kuò)展模型，并結(jié)合體積平均假設(shè)構(gòu)建能量及質(zhì)量守恒方程，模擬劇烈變溫環(huán)境下保溫材料的除濕過(guò)程．分別采用相對(duì)濕度20%(24 ℃)及干空氣兩種送風(fēng)方式對(duì)該種保溫材料的對(duì)流除濕過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而討論不同時(shí)刻溫度、水蒸氣濃度、液態(tài)水及冰的變化規(guī)律．研究表明，Darcy滲流擴(kuò)展模型可以較好地反映出多孔保溫材料在表面氣流沖刷條件下其內(nèi)部水蒸氣的非線性流動(dòng)特性，同時(shí)兩種送風(fēng)方式均可有效降低多孔保溫材料因劇烈溫變而引起的水分積聚，其相應(yīng)的除濕率可分別達(dá)到70%和90%．

保溫材料；Darcy滲流；水分積聚；除濕率

0 引 言

應(yīng)用于交通工具、冷庫(kù)和加熱爐高溫區(qū)的多孔保溫材料常處于劇烈變溫環(huán)境中，如飛機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，通常伴隨著環(huán)境溫濕度間歇性的變化，其覆蓋的多孔保溫材料易出現(xiàn)水分累積；在冷庫(kù)制冷過(guò)程中，急劇降溫將導(dǎo)致水蒸氣直接凝華于保溫材料孔隙．累積的水分若不能被及時(shí)去除必將引發(fā)結(jié)構(gòu)腐蝕、保溫隔熱性能減弱及因增重而提升運(yùn)營(yíng)成本等諸多負(fù)面效應(yīng)[1-2]．因此，在劇烈變溫環(huán)境下，對(duì)保溫材料內(nèi)水分遷移和相變的研究，尋求有效的除濕方案以提升除濕效果便顯得尤為重要．

保溫材料中的水分累積是個(gè)長(zhǎng)期而緩慢的過(guò)程．水分通常以水蒸氣、液態(tài)水和冰三種相態(tài)存于保溫材料孔隙，若水分以兩種或三種相態(tài)共存，相變的發(fā)生便無(wú)法避免．水的相變過(guò)程又伴隨著能量的得失，從而使得水分在保溫層中形成熱濕耦合的復(fù)雜傳遞過(guò)程．正如飛機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，水蒸氣透過(guò)維護(hù)結(jié)構(gòu)滲入保溫層，受環(huán)境溫濕度變化的影響，水蒸氣極易發(fā)生相變并以液態(tài)水或冰的形式存于孔隙．通常情況下，保溫層中的液態(tài)水累積量比較少，其自身重力無(wú)法克服毛細(xì)作用而靜止于孔隙．因此，保溫層中水分的遷移只是通過(guò)水蒸氣在孔隙間自由擴(kuò)散或低速流動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)[3-4]，其中，保溫層內(nèi)由濃度差引起水蒸氣的自由擴(kuò)散及孔隙間水蒸氣的Darcy滲流主要為水分遷移過(guò)程的線性傳遞形式[5-6]，當(dāng)多孔材料表面受空氣高速?zèng)_刷或與環(huán)境間存有較大溫差時(shí)，其內(nèi)部水蒸氣的流動(dòng)將會(huì)呈現(xiàn)出明顯的非線性[7]，為對(duì)此種非線性流動(dòng)特性進(jìn)行準(zhǔn)確描述，以Navier-Stokes方程為基礎(chǔ)的Darcy擴(kuò)展模型近些年來(lái)被廣泛關(guān)注，且進(jìn)行了大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究[8]．

本文以飛機(jī)運(yùn)行環(huán)境為背景，提出在飛機(jī)保溫層艙內(nèi)一側(cè)增設(shè)風(fēng)道及改變現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)中加濕設(shè)備位置的設(shè)計(jì)構(gòu)想，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)保溫層除濕過(guò)程中的溫度、水蒸氣濃度、液態(tài)水和冰的變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)．

1 物理模型

飛機(jī)保溫層的多孔材料的物性參數(shù)詳見(jiàn)表1．在飛機(jī)的單個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，機(jī)體外壁面溫度可從-35 ℃變化到35 ℃，溫差在70 ℃以上(飛機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，金屬殼體與大氣環(huán)境會(huì)摩擦生熱，因此，壁面溫度高于實(shí)際大氣靜態(tài)溫度)．為滿足艙內(nèi)人員對(duì)環(huán)境溫濕度要求，在空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)控下，艙內(nèi)環(huán)境維持舒適性溫度24 ℃，而考慮到飛機(jī)的安全運(yùn)行、成本的節(jié)約，艙內(nèi)相對(duì)濕度僅維持在10%～30%，以滿足人體的基本要求．由于飛機(jī)所處的大氣環(huán)境及艙內(nèi)的溫濕度環(huán)境較為均勻，且飛機(jī)保溫層是由布置于不同隔斷框架內(nèi)若干塊保溫材料堆砌而成，因此為提高計(jì)算效率，選取飛機(jī)單塊保溫材料建立二維物理模型．模型及尺寸詳見(jiàn)圖1．在現(xiàn)有飛機(jī)保溫層的構(gòu)造設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，本文在保溫層艙內(nèi)一側(cè)增設(shè)了風(fēng)道，風(fēng)道氣流與保溫層直接接觸，通過(guò)含濕量較低的空氣(或干空氣)對(duì)保溫層的高速?zèng)_刷實(shí)現(xiàn)除濕目的．

表1 CFD模型中物性參數(shù)Tab.1 Adopted property parameters in the CFD modeling

風(fēng)道送風(fēng)口氣流直接來(lái)自于空調(diào)機(jī)組，飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)流程如下：飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)從大氣環(huán)境中吸入空氣(高空空氣中水分含量極低，可近似認(rèn)為干空氣)，發(fā)動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，大幅提升了所吸入空氣的溫度和壓力，高溫高壓的空氣(相對(duì)高空環(huán)境中的空氣)經(jīng)空調(diào)包與回風(fēng)混合、調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度和壓力(高空中艙內(nèi)壓力一般在80 kPa)以及加濕處理，最終送入艙內(nèi)．根據(jù)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)流程和文獻(xiàn)[10]的雙風(fēng)道設(shè)計(jì)設(shè)想，本研究提出了兩種不同的風(fēng)道送風(fēng)流程：方案1，將從發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的干空氣降溫至35 ℃，并按照現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)作流程，將相對(duì)濕度提升至11%(含濕量與客艙內(nèi)24 ℃、相對(duì)濕度20%的空氣相同)，送入風(fēng)道，通過(guò)高溫空氣高速?zèng)_刷(風(fēng)速1.5 m/s)實(shí)現(xiàn)除濕的目的，并在末端裝置處設(shè)置空氣過(guò)濾器和二次溫度調(diào)控系統(tǒng)，最終將24 ℃、大于20%相對(duì)濕度的空氣送入艙內(nèi)(因除濕過(guò)程中，保溫層中滲出的水蒸氣融入風(fēng)道中的空氣，提升了風(fēng)道空氣的含濕量)．方案2，發(fā)動(dòng)機(jī)吸入干空氣后，經(jīng)溫度和壓力調(diào)節(jié)(如上35 ℃)直接引入風(fēng)道，以干空氣完成對(duì)保溫層的沖刷，并在末端裝置處進(jìn)行溫度調(diào)控和加濕處理，最終將24 ℃、20%相對(duì)濕度空氣送入客艙．

(a) 物理模型

(b) 邊界條件

圖1 物理模型及邊界條件
Fig.1 Physical model and boundary condition

2 數(shù)學(xué)模型

本研究基于以下基本假設(shè)使得數(shù)學(xué)模型封閉，并耦合求解能量和質(zhì)量傳遞方程：

(1)水蒸氣在干空氣攜帶下進(jìn)行流動(dòng)(即共享速度)；

(2)多孔材料為非吸濕性材料[11](不考慮短時(shí)間內(nèi)多孔材料的吸附作用)；

(3)液態(tài)水無(wú)法克服毛細(xì)阻力發(fā)生遷移；

(4)時(shí)刻滿足熱力學(xué)平衡，僅在水蒸氣達(dá)到飽和時(shí)發(fā)生相變．

當(dāng)空氣快速?zèng)_刷多孔材料表面時(shí)，其在多孔材料內(nèi)部的流動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性，自由擴(kuò)散與Darcy滲流模型無(wú)法滿足求解要求，因此，選取Brinkman-Forchheimer extended Darcy模型(即Darcy擴(kuò)展模型)對(duì)動(dòng)量方程和連續(xù)性方程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述[12]：

(1)

(2)

式中：φ為孔隙率；ρ為密度，kg/m3；v為氣相速度，m/s；t為時(shí)間，s；p為氣相壓力，Pa；τ為剪切應(yīng)力，Pa；g為重力加速度，m/s2；β為熱擴(kuò)散系數(shù)，K-1；ΔT為特定參考溫度下的溫差，K；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；1/α為黏性阻力系數(shù)，1/m2；C2為慣性阻力系數(shù)，1/m．由Darcy擴(kuò)展模型可知，其實(shí)質(zhì)就是在標(biāo)準(zhǔn)的Navier-Stokes方程中，通過(guò)源項(xiàng)引入黏性及慣性阻力，從而利用動(dòng)量平衡原理描述出多孔介質(zhì)內(nèi)流體的流動(dòng)特性．

基于假設(shè)條件(4)，水蒸氣在多孔材料的相變條件是以其是否達(dá)到飽和為判斷依據(jù)．水蒸氣的質(zhì)量平衡方程可表達(dá)為[12]

(3)

式中：ρv為水蒸氣密度，kg/m3；Deff為有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Sv為相變量，kg/(m3·s)．

基于體積平均假設(shè)建立能量守恒方程，表達(dá)形式如下[13]：

(4)

式中：ρ為各水分相態(tài)的密度，kg/m3；cp為比熱容，kJ/(kg·K)；T為溫度，K；keff為有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ST為相變熱，kJ/(m3·s)．下標(biāo)中“g”“l(fā)”“s”分別代表濕空氣、液態(tài)水及固體骨架．

本文的數(shù)學(xué)模型同時(shí)涉及純流體計(jì)算域和多孔介質(zhì)計(jì)算域，因此，在數(shù)值模擬過(guò)程中計(jì)算域的邊界耦合問(wèn)題尤為關(guān)鍵：純流體流動(dòng)主要遵循Navier-Stokes方程組實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣流動(dòng)的數(shù)學(xué)描述；而多孔材料區(qū)域則依據(jù)Darcy擴(kuò)展模型描述空氣流動(dòng)．兩計(jì)算域采用Masmoudi等[14]提出的方法進(jìn)行交界面的耦合，即在交界面處嚴(yán)格遵循質(zhì)量流量與熱流量的守恒，表達(dá)式如下(式(5)和(6)分別為干空氣及水分的質(zhì)量平衡方程)：

(5)

(6)

式中：n為單位向量；Fm為質(zhì)量流量，kg/s．交界面處，熱流量

(7)

式中：h為焓，J；Fh為熱流量，W．

針對(duì)本文所求解的實(shí)際問(wèn)題：通過(guò)在飛機(jī)保溫層艙內(nèi)一側(cè)增設(shè)風(fēng)道，對(duì)單個(gè)飛機(jī)運(yùn)行周期的除濕效果進(jìn)行預(yù)測(cè)．結(jié)合建模的基本假設(shè)可知，在交界面處理時(shí)，式(5)中不考慮液態(tài)水和結(jié)合水的遷移．

3 物理模型求解

簡(jiǎn)化后的物理模型如圖2(a)所示．根據(jù)飛機(jī)的運(yùn)行環(huán)境對(duì)保溫層的邊界條件定義如下：底部為與飛機(jī)殼體接觸的密封側(cè)，其與環(huán)境之間并無(wú)質(zhì)量交換，溫度是飛行高度的函數(shù)(變化規(guī)律詳見(jiàn)圖1(b))；保溫層左右兩側(cè)與隔斷框架接觸處即絕緣絕熱邊界；保溫層頂部受高溫的高速空氣沖刷，與風(fēng)道空氣進(jìn)行熱濕交換．模型的網(wǎng)格劃分如圖2(b)所示，在風(fēng)道和保溫層的計(jì)算域內(nèi)分別生成單位尺寸為1 mm的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在邊界線處進(jìn)行耦合，網(wǎng)格生成數(shù)量分別為10 000和15 000．待網(wǎng)格劃分后，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)動(dòng)量方程、能量及質(zhì)量守恒方程(編程實(shí)現(xiàn))進(jìn)行求解．計(jì)算過(guò)程中通過(guò)試算確定風(fēng)道及多孔區(qū)域雷諾數(shù)，其大小分別為5.23×104和3.33，根據(jù)雷諾數(shù)的大小動(dòng)量方程分別選擇湍流及層流模型．在計(jì)算精度上采用二階迎風(fēng)格式，壓力差分為PRESTO格式，并結(jié)合SIMPLE算法完成速度和壓力的耦合求解．因風(fēng)道持續(xù)通入高速流體沖刷客機(jī)保溫層，風(fēng)道中的強(qiáng)制對(duì)流以及保溫層中滲流速度幾乎不受環(huán)境溫度的影響，可認(rèn)為模型求解過(guò)程中速度場(chǎng)恒定且殘差在10-3以下作為收斂的判定依據(jù)．物理過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)，經(jīng)時(shí)間獨(dú)立性驗(yàn)證以3 s為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，空間迭代3 000次，各標(biāo)量方程計(jì)算殘差均控制在10-6以下．

(a) 簡(jiǎn)化物理模型

(b) 網(wǎng)格劃分

圖2 簡(jiǎn)化物理模型及網(wǎng)格劃分
Fig.2 Simplified physical model and grid division

4 分析與討論

為凸顯除濕效果，初始時(shí)刻假定飛機(jī)保溫層中液態(tài)水體積分?jǐn)?shù)為0.001．在方案1的送風(fēng)流程中，保溫層內(nèi)水分各相態(tài)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖3(a)所示．由圖可知，該方案具有較好的除濕效果，除濕率可達(dá)70%以上：飛機(jī)運(yùn)行前20 min，保溫層的水分含量迅速下降．這是由于在初始時(shí)刻保溫層中的水蒸氣為飽和狀態(tài)(假設(shè)(4))，孔隙內(nèi)的水蒸氣分壓力遠(yuǎn)高于風(fēng)道，在對(duì)流和擴(kuò)散雙重作用下液態(tài)水以蒸發(fā)的形式從保溫層滲出，融入風(fēng)道中的空氣．在飛機(jī)運(yùn)行至25 min時(shí)，風(fēng)道中的水蒸氣濃度已高于保溫層的部分區(qū)域，在水蒸氣分壓力及對(duì)流的作用下，風(fēng)道中的高濃度水蒸氣(相對(duì)多孔材料)開(kāi)始向保溫層滲入，此時(shí)，飛機(jī)已逐漸進(jìn)入巡航階段，客艙內(nèi)外環(huán)境的溫濕度相對(duì)恒定，且殼體內(nèi)壁面附近的保溫層孔隙的溫度已降至冰點(diǎn)以下，液態(tài)水逐漸凝結(jié)成冰，并隨時(shí)間的增加水分累積量(水蒸氣凝華)緩慢上升．當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入著陸階段(150 min)時(shí)，環(huán)境溫度逐漸回升，直至160 min時(shí)，保溫層中部分含冰孔隙的溫度回升至冰點(diǎn)以上，冰逐漸融化成水．隨著溫度的持續(xù)升高，保溫層中的水蒸氣濃度高于風(fēng)道，風(fēng)道除濕效果再次發(fā)揮作用，在水蒸氣分壓力的驅(qū)動(dòng)下，水分從多孔保溫層迅速滲出．

圖3(b)展現(xiàn)了風(fēng)道通入干空氣所呈現(xiàn)的水分各相態(tài)的變化規(guī)律(方案2)．由圖可見(jiàn)，該方案的除濕效果明顯強(qiáng)于方案1，除濕率可達(dá)90%以上．與方案1類(lèi)似，飛機(jī)運(yùn)行前20 min，保溫層中的水分含量迅速下降．而與方案1的區(qū)別在于，飛機(jī)進(jìn)入巡航階段后，保溫層中的水分含量持續(xù)下降．雖然隨著保溫層近殼體側(cè)溫度的降低，孔隙中水蒸氣飽和分壓力驟減，但水蒸氣濃度仍高于風(fēng)道的(干空氣)，水分將以升華的方式繼續(xù)向風(fēng)道滲入，但因保溫層兩側(cè)(飛機(jī)殼體側(cè)與風(fēng)道側(cè))水蒸氣分壓力差的縮小，脫水速率會(huì)有所減緩．而飛機(jī)進(jìn)入著陸階段后，環(huán)境溫度開(kāi)始回升，水蒸氣飽和分壓力逐漸升高，保溫層兩側(cè)水蒸氣分壓差加大，脫水速率再次加快，待飛機(jī)飛行結(jié)束時(shí)，保溫層孔隙中水分基本蒸干．圖4為速度場(chǎng)分布．

因各時(shí)刻兩種送風(fēng)方案的溫度、水蒸氣濃度、液態(tài)水和冰的分布規(guī)律類(lèi)似，僅以方案1的參數(shù)分析為例．圖5展示了飛機(jī)起飛10 min時(shí)，風(fēng)道及保溫層的溫度、水蒸氣濃度和液態(tài)水分布．風(fēng)道中由于高溫空氣的沖刷，溫度恒定在35 ℃，僅在風(fēng)道出口的下方略有溫降，原因在于保溫層內(nèi)低溫(相對(duì)風(fēng)道)空氣的滲出．相比于風(fēng)道，保溫層的邊界條件比較復(fù)雜，一側(cè)受高速流動(dòng)的高溫空氣沖刷，而另一側(cè)與飛機(jī)殼體的內(nèi)壁面接觸并隨飛行高度發(fā)生溫變(詳見(jiàn)圖1(b))．結(jié)合速度與溫度的分布，高溫流體沿著流線從保溫層的左側(cè)滲入，使風(fēng)道側(cè)保溫層部分區(qū)域的溫度迅速升至35 ℃(風(fēng)道溫度)，根據(jù)動(dòng)量守恒原理，保溫層中的低溫空氣將從其右側(cè)滲出，且在垂直方向上流速逐漸衰減(向著殼體方向)，致使近殼體側(cè)能量傳遞過(guò)程近似為導(dǎo)熱，在對(duì)流及導(dǎo)熱的共同作用下形成如圖5(a)所示的溫度場(chǎng)．高溫區(qū)域孔隙中水分在水蒸氣的分壓力差及對(duì)流作用下以蒸發(fā)的方式逐漸滲入風(fēng)道，此時(shí)，貼近風(fēng)道側(cè)的保溫層中的液態(tài)水已全部蒸干，水蒸氣濃度與風(fēng)道完全一致(35 ℃相對(duì)濕度11%)．根據(jù)含水孔隙水蒸氣飽和的假設(shè)，含水孔隙附近的水蒸氣濃度始終介于風(fēng)道與該溫度下飽和濃度間并形成濃度梯度，見(jiàn)圖5(b)．

(a) 送風(fēng)相對(duì)濕度20%

(b) 送入干空氣

圖3 保溫層水分隨時(shí)間的變化
Fig.3 The moisture changes with time

(a) 風(fēng)道速度場(chǎng)分布

(b) 保溫層速度場(chǎng)分布

圖4 速度場(chǎng)分布
Fig.4 The velocity field distribution

(a) 溫度場(chǎng)

(b) 水蒸氣濃度

(c) 水體積分?jǐn)?shù)

圖5 10 min時(shí)，保溫層內(nèi)主要參數(shù)分布
Fig.5 At 10 min, the major parameters distribution in thermal insulation layer

圖6為飛機(jī)運(yùn)行1 h時(shí)，風(fēng)道和保溫層中溫度、水蒸氣濃度、液態(tài)水和冰體積分?jǐn)?shù)的分布．因風(fēng)道入口持續(xù)通入溫濕度恒定的空氣，風(fēng)道內(nèi)氣流溫度和水蒸氣濃度隨時(shí)間變化微弱．此時(shí)，飛機(jī)已進(jìn)入巡航階段，保溫層兩側(cè)溫濕度條件相對(duì)恒定(殼體內(nèi)壁面溫度降至-21 ℃)．如圖6(a)所示，保溫層上下兩側(cè)形成較大溫度梯度．原因在于，隨著時(shí)間的推移，保溫層風(fēng)道一側(cè)，因高溫空氣(風(fēng)道中相對(duì)高溫)不斷滲入(流線見(jiàn)圖4)，其內(nèi)部的溫升區(qū)域逐漸擴(kuò)大；而在近殼體側(cè)，由于外界環(huán)境的低溫導(dǎo)入，低溫區(qū)域(低于保溫材料初始溫度)亦有明顯蔓延．如圖6(b)所示，水蒸氣濃度除在近內(nèi)壁面及右側(cè)出現(xiàn)高值點(diǎn)外均與風(fēng)道相近，原因在于，殼體側(cè)水蒸氣濃度已達(dá)飽和且低于其在風(fēng)道內(nèi)的濃度，凝結(jié)的冰不會(huì)相變升華．相反，因保溫材料上下兩側(cè)穩(wěn)定的邊界條件，水蒸氣會(huì)以相對(duì)恒定速度凝華(詳見(jiàn)圖6(d))．

(a) 溫度場(chǎng)

(b) 水蒸氣濃度

(c) 水體積分

(d) 冰體積分?jǐn)?shù)

圖6 1 h時(shí)，保溫層內(nèi)主要參數(shù)分布
Fig.6 At 1 h, the major parameters distribution in thermal insulation layer

圖7為最終時(shí)刻，保溫層中各主要參數(shù)的分布．由溫度分布可知，因飛機(jī)著陸階段大氣溫度的逐漸回升(見(jiàn)圖1(b))以及風(fēng)道的氣流對(duì)保溫層頂端的恒溫沖刷，致使保溫層兩端出現(xiàn)高溫(35 ℃) 區(qū)域的擴(kuò)大，在兩高溫區(qū)域間形成了低溫區(qū)，且在空氣滲出處達(dá)低溫極值(在對(duì)流作用下低溫氣體不斷被帶出)．由水蒸氣濃度分布可知，因飛行周期結(jié)束時(shí)，仍有液態(tài)水存于飛機(jī)殼體側(cè)保溫層孔隙，基于假設(shè)(4)，此部分孔隙中的水蒸氣仍為該溫度下的飽和態(tài)，水蒸氣會(huì)在保溫層含水孔隙與風(fēng)道間形成濃度梯度，與空氣流場(chǎng)相對(duì)應(yīng)形成如圖7(b)的濃度分布規(guī)律．

(a) 溫度場(chǎng)

(b) 水蒸氣濃度

(c) 水體積分?jǐn)?shù)

圖7 3 h時(shí)，保溫層內(nèi)主要參數(shù)分布
Fig.7 At 3 h, the major parameters distribution in thermal insulation layer

5 結(jié) 論

(1)在風(fēng)道通入空氣溫度為35 ℃、相對(duì)濕度為11%的初始條件下，保溫層內(nèi)水分遷移呈現(xiàn)出：在飛機(jī)起飛階段，隨著大氣溫度的下降，保溫層溫降引起的水蒸氣分壓力下降，導(dǎo)致風(fēng)道除濕速率減??；在飛機(jī)巡航階段，因艙內(nèi)外溫濕度環(huán)境穩(wěn)定，水分在保溫層中將線性凝結(jié)；而在飛機(jī)著陸階段，隨著大氣溫度的回升，保溫層溫升引起的水蒸氣分壓力提高，致使其中水分蒸發(fā)再次混入風(fēng)道氣流．可見(jiàn)除濕主要集中于飛機(jī)起飛與著陸階段，增設(shè)風(fēng)道使其除濕率達(dá)70%以上．

(2)當(dāng)在增設(shè)的風(fēng)道通入高溫干空氣的條件下，保溫層內(nèi)水分遷移呈現(xiàn)出：在飛機(jī)運(yùn)行的各階段，水蒸氣從保溫層持續(xù)滲出；受大氣變溫的影響，水分遷移速率呈現(xiàn)間歇性變化．相比于風(fēng)道中通入濕空氣的除濕效果，除濕率可達(dá)90%以上．

(3)在保溫層艙內(nèi)一側(cè)引入風(fēng)道的設(shè)計(jì)方案，能使多孔材料內(nèi)的水分沿著穩(wěn)定的路徑遷移，可在飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)除濕，從而降低運(yùn)營(yíng)成本、延長(zhǎng)現(xiàn)有飛機(jī)保溫層除濕的時(shí)間．此外，此部分水蒸氣增加了艙內(nèi)空氣的含濕量，進(jìn)一步降低了艙內(nèi)加濕器的濕負(fù)荷．

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Numerical simulation on dehydration process in thermal insulation material subject to severe temperature change environment

CHEN Lei1,WANG Shugang*1,ZHANG Tengfei1,FANG Tianyu2

(1.Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；2.China Northeast Architectural Design & Research Institute Co., Ltd, Shenyang 110016, China )

Based on the extended Darcy seepage model, the energy and mass conservation equations are coupled together by volume average hypothesis to simulate the dehydration process in thermal insulation material subject to severe temperature change environment. The mathematical model is developed to simulate the process of convection dehydration by air of 20% relative humidity (at 24 ℃) and dry air respectively. The changing regularities of the temperature, water vapor concentration, liquid water and ice at different time are analyzed. The research results show that the extended Darcy seepage model can reflect the nonlinear flow characteristics of water vapor during air flows over the porous thermal insulation materials. Two kinds of ventilation modes can effectively reduce moisture accumulation in the porous thermal insulation materials subject to severe temperature change environment, and the dehydration rate can reach 70% and 90% respectively.

thermal insulation materials; Darcy seepage; moisture accumulation; dehydration rate

1000-8608(2017)04-0345-07

2016-11-05；

2017-06-01．

“九七三”國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012CB720105).

陳 磊(1983-)，男，博士生，E-mail:L_lei_l@163.com；王樹(shù)剛*(1963-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:sgwang@dlut.edu.cn.

TK124

A

10.7511/dllgxb201704003