微型空氣取水裝置拉瓦爾管導流結構的CFD研究*

蔡 申，李松晶，*，吳海成，袁 帥，周禮根，張 亮

(1.哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.江蘇揚州尼爾液壓科技有限公司，江蘇 揚州 225811)

0 引 言

為了解決在干旱地區(qū)難以獲得可飲用淡水的問題，人類常常需要依靠從外部運輸?shù)?，然而運輸?shù)某杀靖撸宜Y源不便分發(fā)和攜帶。事實上在空氣中就蘊含著豐富的水資源，即便在干旱的沙漠地區(qū)，干燥空氣的相對濕度值也在20%～30%左右，即在1 m3空氣中含有約6 g～10 g水[1]，空氣取水[2]裝置也應運而生。目前發(fā)展較為成熟的空氣取水方式主要包括兩種類型[3]：制冷結露法[4-5]和吸附解吸附法[6-7]。由于制冷結露法取水的能源利用效率較低，吸附解吸附法得到了更為廣泛的應用。本研究所設計微型空氣取水裝置即采用吸附解吸附法。

拉瓦爾噴管是一種先收縮后擴張的噴管結構，主要應用于超聲速噴氣發(fā)動機、火箭發(fā)動機等[8-10]，用于調節(jié)流經(jīng)噴管的氣流參數(shù)。

本研究將拉瓦爾噴管結構簡化后應用于微型空氣取水裝置中來提高裝置內部空氣流量，進而提高取水效率，并對裝置內部空氣流動情況進行CFD模擬[11]研究。

1 微型空氣取水裝置結構與原理

1.1 微型空氣取水裝置結構與空氣流動原理

本研究設計了一種杯型微型空氣取水裝置，其杯體結構示意圖如圖1所示。

圖1 微型空氣取水裝置杯體結構圖

該杯體包括吸附容腔、存水容腔、拉瓦爾噴管式通氣管道(包括收斂管、喉部、擴散管)。杯體材料選擇絕熱性能好、耐高溫、無毒害的有機材料。吸附容腔內裝有吸濕劑，可選用高效吸濕材料如鹵素鹽復合吸濕劑[12-13]、MOF801[14]等。

該裝置工作過程分為兩個階段。在吸附階段，利用電熱膜加熱通氣管道內空氣，由于煙囪效應[15]會使裝置內空氣產(chǎn)生穩(wěn)定單向流動(如圖1所示)，且主動通風驅動力與裝置內外氣體密度差成正比關系。該驅動力促使外部空氣流經(jīng)吸附劑，其中的水蒸氣被吸附劑吸收保存。當吸附趨于飽和后進入解吸附工作階段，解吸附電熱膜將加熱吸附劑使其保存的水分釋放出來，較熱的水蒸氣沿通氣管道向上至液化位置并被引導至存水容腔。該工作過程需多次循環(huán)以便獲得足夠量的水。由上述工作過程可知，裝置內空氣流動情況將直接決定取水的效率，在吸附階段，若流量過小則吸附需要時間長，若流量過大則不利于空氣中水分被充分吸附；在解吸附階段，若流量過小則解吸附產(chǎn)生的水蒸氣無法被高效傳遞至液化位置，若流量過大則不利于解吸附過程保溫和液滴的形成。故裝置最佳空氣流量的控制非常重要。

1.2 拉瓦爾管結構在該裝置中的應用

典型拉瓦爾噴管結構包括收斂管、喉部、擴散管3個部分，本研究將其結構用于微型空氣取水裝置通氣管道。為了便于量化分析并便于后期杯體的制造，將曲線型拉瓦爾噴管簡化為直線型。相比傳統(tǒng)直筒管形狀，其優(yōu)勢主要包括兩方面：(1)利于通氣管內氣體保溫，使煙囪效應中內外密度差值增大，增大通氣管入口和出口處壓力差；(2)利于通氣管內氣體局部加速，使裝置下方吸附容腔處產(chǎn)生一較大負壓力，進而使更多外部空氣流入吸附劑。

兩種效果共同提高裝置內空氣流量進而提高取水效率。

2 流體計算域數(shù)值建模

CFD模擬分析具有成本低、速度快、具有模擬真實條件的能力等優(yōu)點，在實驗前進行充分的模擬分析有助于實驗方案的確立，提高實驗成功率。

2.1 計算域模型

本研究基于ANSYS Workbench平臺分析了拉瓦爾噴管結構參數(shù)對空氣流量的影響。筆者通過DM模塊設計幾何模型，抽取流體計算域，通過ICEM CFD模塊設置網(wǎng)格要求、進行網(wǎng)格劃分，最后利用Fluent模塊進行計算方法和邊界條件的設定并進行計算。

為減少計算量并便于觀察，筆者取實際模型的1/4為幾何計算域，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 計算域網(wǎng)格劃分

2.2 Fluent參數(shù)設置

裝置內空氣流動過程是一個熱流耦合過程。流動過程選擇湍流模型中的標準k-ω湍流模型，其模型常數(shù)取Cμ=0.09；C1s=1.44；C2s=1.92，近壁處理采用Scalable壁面函數(shù)，采用該函數(shù)對于任意細化的網(wǎng)格，能給出一致的解，有助于提高計算精度。傳熱過程選中能量方程選項。流體介質選擇理想空氣條件，由于煙囪效應原理基于空氣溫度變化引起的密度變化，需引入空氣密度與溫度的關系。取空氣介質參數(shù)比熱Cp=1 012 J/(kg·K)，空氣導熱系數(shù)λ=0.024 2 w/(m·K)，空氣動力粘度μ=1.789 4e-5kg/(m·s)，空氣摩爾質量設置為M=28.959 g/mol。在環(huán)境設置設置Z軸方向重力場g值為-9.81。

本研究設置加熱膜溫度條件為唯一輸入條件，計算域頂面、底面、側面均設置為壓力出口邊界條件，溫度設置為293 K。兩對稱面均采用對稱邊界條件。其他參數(shù)保持默認。

3 數(shù)值計算結果與分析

由于吸附和解吸附工作階段內部空氣流動原理相同，所得結果相似，以下分析均以解吸附階段為例。

3.1 拉瓦爾管結構提高空氣流量效果分析

本研究設置解吸附電熱膜穩(wěn)態(tài)工作溫度為393 K，保持通氣管路進口和出口直徑為40 mm不變(下同)，在管路中設置一簡化拉瓦爾管結構，對比裝置內溫度場圖如圖3所示。

圖3 拉瓦爾管結構對通風管內溫度分布影響

由圖可見：該結構使通風管保溫能力大大提高。

對比裝置內壓力場圖如圖4所示。

圖4 拉瓦爾管結構對通風管內壓力分布影響

由圖可見：由于該結構使管內空氣局部加速，使裝置吸附容腔中產(chǎn)生一較大負壓力。在兩因素共同作用下，空氣流量由5.80 mg/s提高至9.43 mg/s。

3.2 喉部直徑對流量的影響

本研究設置拉瓦爾噴管喉部相對通氣管入口高度為120 mm不變，分別設置喉部直徑為12 mm、16 mm、20 mm、24 mm、28 mm、32 mm、36 mm，并在解吸附電熱膜穩(wěn)態(tài)溫度為353 K、373 K、393 K 3種工作狀態(tài)下，分別作拉瓦爾管喉部直徑與通風管出口截面流量關系圖，如圖5所示。

圖5 拉瓦爾管喉部直徑與通風管出口截面流量關系

分析圖5可知：在3種溫度工作狀態(tài)下，拉瓦爾管喉部直徑與通風管出口截面流量產(chǎn)生相似的關系：喉部直徑過大或過小時，提高流量的效果均不佳，在喉部直徑為20 mm時流量最大，達到9.43 mg/s(393 K)，且喉部直徑從16 mm變化至28 mm對流量影響不大。相同結構下，電熱膜工作溫度越高空氣流量越大，該現(xiàn)象可由煙囪效應原理解釋，裝置內外空氣溫度差越大對應密度差也越大，主動通風能力更強。

本研究分別對比393 K溫度下喉部直徑為12 mm、20 mm、28 mm、36 mm 4種情況的溫度分布，如圖6所示。

圖6 拉瓦爾管喉部直徑對溫度分布影響

壓力分布如圖7所示。

圖7 拉瓦爾管喉部直徑對壓力分布影響

對于20 mm和28 mm兩種喉部直徑的拉瓦爾管，其內部溫度與壓力分布幾乎相同，故流量也所差無幾。12 mm直徑過小，盡管管內溫度保持效果很好，但過小的喉部直徑限制了空氣流出，吸附容腔無法形成理想的負壓區(qū)。36 mm直徑則過大，管內空氣散熱過快使通氣管進出口壓力差約減至理想情況的一半。所以兩種情況的空氣流量值相對20 mm直徑對應流量峰值均有較大差距。

3.3 喉部高度對流量的影響

本研究設置拉瓦爾噴管喉部直徑為20 mm不變，分別設置喉部截面相對通風管入口高度為80 mm、90 mm、100 mm、110 mm、120 mm、130 mm、140 mm，并在解吸附電熱膜穩(wěn)態(tài)溫度為353 K、373 K、393 K 3種工作狀態(tài)下分別作拉瓦爾管喉部截面高度與通風管出口截面流量關系，如圖8所示。

圖8 拉瓦爾管喉部截面高度與通風管出口截面流量關系

分析圖8可知：在3種溫度工作狀態(tài)下拉瓦爾管喉部截面高度與通風管出口截面流量產(chǎn)生相似的關系：在喉部截面高度為120 mm時流量最大，且喉部高度從80 mm變化至130 mm對流量影響不大，但當高度提高至140 mm時流量產(chǎn)生較大衰減。

本研究分別對比393 K溫度下喉部截面高度為80 mm、100 mm、120 mm、140 mm 4種情況的溫度分布如圖9所示。

圖9 拉瓦爾管喉部截面高度對溫度分布影響

壓力分布如圖10所示。

圖10 拉瓦爾管喉部截面高度對壓力分布影響

對于80 mm、100 mm和120 mm 3種喉部高度的拉瓦爾管，其內部溫度與壓力分布幾乎相同，故流量也所差無幾。140 mm高度過大，導致擴散管部分擴張角過大，影響了管內空氣流速和負壓力區(qū)域形成。

4 結束語

本研究提出了將簡化拉瓦爾管導流結構應用于吸附式微型空氣取水裝置以提高取水效率的方法。利用CFD方法構建了仿真模型并對不同喉部直徑和喉部截面高度影響裝置內空氣流動的效果進行數(shù)值模擬并得到了以下結論：

(1)簡化拉瓦爾管導流結構的通氣管路相比傳統(tǒng)直筒式通氣管路，其內部熱空氣保溫性能更好，使其管路內空氣平均密度更低，內外空氣密度差更大，且由于喉部空氣加速效果有利于吸附容腔負壓力區(qū)域的形成，能夠有效提高裝置內空氣流量約50%；

(2)通過控制喉部直徑和喉部截面高度可以調整吸附階段和解吸附階段流經(jīng)吸附劑的空氣流速與流量，使裝置工作效率達到最優(yōu)。一般情況下，喉部直徑設置為通氣管進出口直徑的0.5至0.7倍，喉部截面高度設置為通氣管總高度的0.6至0.8倍時，空氣流量處于理想范圍內。

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