微重力下離心式錐形兩相洗衣機(jī)流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究

蘇引引，吳 笛，段 俐，康 琦，呂佩師，許 升，勞春峰，宋華誠(chéng)，張靜靜

（1.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.青島海爾智能技術(shù)研發(fā)有限公司，青島266101）

1 引言

換洗衣物的處理給航天員空間站長(zhǎng)期駐守帶來(lái)很大挑戰(zhàn)，大多時(shí)候，特別是航天員中短期空間飛行需要換洗的衣服當(dāng)垃圾進(jìn)行處理。但是衣服的一次性使用將帶來(lái)極大的資源浪費(fèi)，按三人在軌飛行180天計(jì)算，如采用一次性服裝，共需消耗服裝300 kg左右，而通常發(fā)射1 kg的物品耗費(fèi)至少1萬(wàn)美金［1］。為了滿(mǎn)足航天員太空長(zhǎng)期生活對(duì)服裝生理和心理上的需求，衣服的清洗和重復(fù)利用研究具有十分重要的意義。因此，設(shè)計(jì)一款能耗低、易操控、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和安全性高的空間洗衣機(jī)具有重要的實(shí)用價(jià)值。

空間微重力環(huán)境，重力水平是地球表面重力g的10－3～10－6倍，在極低重力水平情況下甚至達(dá)到可以忽略的地步，此時(shí)表面張力會(huì)占主導(dǎo)地位，而微弱的表面張力使流體位形在外力作用下極易發(fā)生變化，因此空間流體管理與控制是一個(gè)重要而又復(fù)雜的問(wèn)題［2］。如圖1所示，航天員在國(guó)際空間站上擰毛巾［3］，毛巾中的液體不再同地面受到重力作用一樣自由下落，而是在液體表面張力和粘性力的作用下附著在毛巾表面，這種現(xiàn)象導(dǎo)致微重力環(huán)境下衣物脫水過(guò)程帶來(lái)困難。同時(shí)微重力環(huán)境下重力引起的浮力效應(yīng)消失導(dǎo)致氣體和液體混合在一起，如何實(shí)現(xiàn)有效的氣液分離是清洗衣物亟待解決的問(wèn)題。

圖1 航天員在空間站上擰毛巾［3］Fig．1 Astronaut wringing towels on space station［3］

1990年，美國(guó)宇航局（NASA）與俄勒岡州UMPQUA研究公司簽訂合同共同開(kāi)發(fā)一款新型的太空洗衣機(jī)SinglePhaseSpaceMachine（SPSM）［4］，如圖2 所示。 SPSM 在衣物清洗過(guò)程中采用排除容器中氣體保留單相液體清洗解決了氣液混合問(wèn)題，利用微波干燥減少能耗。通過(guò)內(nèi)部囊膨脹排氣，往內(nèi)腔充滿(mǎn)洗滌液，通過(guò)活塞的上下運(yùn)動(dòng)使衣服翻滾，最后再次通過(guò)內(nèi)部囊膨脹排除廢水，利用微波干燥達(dá)到清潔衣服的目的。1993年，UMPQUA又提出了一種改進(jìn)型的單相液體洗衣機(jī)方案 Single Phase Space Laundry（SPSL）［5］。2012年，美國(guó)德州農(nóng)機(jī)大學(xué)（TAMUK）的Victoria Bailey等開(kāi)發(fā)了Gravity Independent Laundry System（GILS）［1］，如圖3所示。 GILS 利用氣囊收縮擴(kuò)張對(duì)衣物擠壓，水管?chē)娝脱h(huán)加熱對(duì)衣物進(jìn)行清潔，給出了微重力條件下的一套高效安全的洗衣流程。

圖2 UMPQUA開(kāi)發(fā)的SPSM［4］Fig．2 SPSM designed by UMPQUA［4］

圖 3 TAMUK 開(kāi)發(fā)的 GILS［1］Fig．3 GILS designed by TAMUK［1］

本文基于離心式錐形兩相洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)方案，利用FLOW?3D流體力學(xué)軟件對(duì)微重力環(huán)境下洗衣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，針對(duì)失重條件下錐形桶內(nèi)的流體靜態(tài)分布、筒／波輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)態(tài)界面形貌和動(dòng)態(tài)流場(chǎng)分布等關(guān)鍵的微重力流動(dòng)管理問(wèn)題［6］開(kāi)展研究，得到洗衣機(jī)滾筒與波輪不同的運(yùn)行工況的內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律，為微重力洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供參考，為在軌清潔技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供建議。

2 數(shù)學(xué)物理模型

2.1 計(jì)算模型

本文提出一種適應(yīng)微重力環(huán)境的離心式錐形兩相洗衣機(jī)方案，圖4為新型洗衣機(jī)簡(jiǎn)圖。當(dāng)洗滌桶旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力的作用使衣物和水匯集到波輪處，通過(guò)波輪與衣物之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦衣物達(dá)到清洗的目的。脫水過(guò)程中洗滌桶旋轉(zhuǎn)，由于洗滌液密度大于內(nèi)部氣體密度，產(chǎn)生的較大離心力使液體靠近壁面通過(guò)上方的氣液出口流出，達(dá)到氣液分離的目的，而洗滌桶內(nèi)流體能否有效管理是這種新型洗衣機(jī)在微重力環(huán)境下能否達(dá)到其設(shè)計(jì)目的的重要保證。

圖4 離心式錐形兩相洗衣機(jī)模型Fig．4 Centrifugal cone?shaped two?phase washing machine

本文研究離心式錐形洗衣機(jī)在空間微重力下氣液界面的兩相流問(wèn)題，計(jì)算模型如圖5。波輪半徑R1＝155 mm，滾筒底部半徑R2＝100 mm，滾筒高h(yuǎn)＝200 mm，初始時(shí)刻液體填充高度hw＝68 mm。當(dāng)波輪和洗滌筒分別以角速度ω1和ω2旋轉(zhuǎn)，洗衣液隨著滾筒旋轉(zhuǎn)，在粘性力的作用下流動(dòng)，離心力沿滾筒壁面分量的作用使液體沿著滾筒壁接近波輪，最后滾筒和波輪共同作用于流體。數(shù)值計(jì)算基于以下基本假設(shè)：1）液體為不可壓縮流體，具有恒粘性，恒密度，不受溫度、時(shí)間的影響；2）不考慮容器與液體的熱交換；3）空間環(huán)境中的微重力水平在10－5～10－3g0。為了得到洗滌筒與波輪的不同運(yùn)動(dòng)方式對(duì)流場(chǎng)的影響，借鑒地面洗衣機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選取了6種不同的工況進(jìn)行計(jì)算，得到洗衣機(jī)靜態(tài)流場(chǎng)，以及滾筒和波輪不同的轉(zhuǎn)速、不同轉(zhuǎn)向下洗衣機(jī)動(dòng)態(tài)流場(chǎng)，如表1所示。

圖5 洗衣機(jī)計(jì)算模型示意圖Fig．5 Calculation model of washing machine

表1 數(shù)值模擬不同的工況組合Table 1 Different working conditions of numerical sim?ulation

流場(chǎng)中的Bond數(shù)和 Reynold數(shù)分別如式

（1）、式（2）：

其中，Δρ為界面分割的兩種不相容介質(zhì)的密度差，對(duì)于空氣?洗滌液來(lái)說(shuō)，Δρ近似等于洗滌液的密度ρ，g是加速度，L是特征尺度，取滾筒底部半徑R2，σ是界面的表面張力，U取給定工況五滾筒壁面液體速度。洗衣液的物性參數(shù)如表2，其中表面張力系數(shù)和接觸角利用中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所微重力實(shí)驗(yàn)室全自動(dòng)光學(xué)表面張力接觸角儀分別采用懸滴法和坐滴法測(cè)量［7］。為了便于與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，物性參數(shù)的測(cè)量基于PMMA（有機(jī)玻璃），表面張力系數(shù)測(cè)量精度為10－5N／m，接觸角精度為0.1°。

表2 計(jì)算模型中洗衣液的物性參數(shù)Table 2 The physical properties of fluid in calculation model

由式（1）可知Bo＜1，模型中表面張力占有重要的作用，由式（2）可知Re＝21 174，所以可以看成充分發(fā)展的湍流，因此模型中慣性力起重要作用。

2.2 控制方程與邊界條件

基于2.1中給出的計(jì)算模型基本假設(shè)，可以得到不含能量方程的流體力學(xué)控制方程，如式（3）、式（4）：

式中，v＝（u，v，w）為流體運(yùn)動(dòng)的速度矢量，g為重力加速度矢量，g＝－gez，ez為z方向的單位矢量，f為流場(chǎng)內(nèi)體積力項(xiàng)，p為壓強(qiáng)，ρ為流體密度，μ為流體的動(dòng)力粘度系數(shù)。邊界條件如下：

1）洗滌桶和波輪處為固壁邊界條件，如式（5）：

式中，n為固壁的單位法向量，包含垂直于波輪和洗滌筒壁面邊界的速度分量為零；

2）流體相對(duì)于壁面無(wú)滑移，即沿壁面兩個(gè)速度分量為0；

3）流體與壁面之間接觸角為0°；

4）在氣液界面上，滿(mǎn)足法向應(yīng)力與切向應(yīng)力平衡條件。

2.3 數(shù)值計(jì)算方法

本文計(jì)算模型的求解方法是由Hirt和Nicho?las等人［8］提出的基于多相流體積分?jǐn)?shù)方法（Mul?tiphase Volume of Fluid， VOF），通過(guò)對(duì)整個(gè)計(jì)算空間的某一相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行求解獲得空間某一相的分布，同時(shí)獲得相界面的所在位置。液相的體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足式（6）所示方程：

其中，F(xiàn) ＝F（x，y，z）為流體體積函數(shù)，表示計(jì)算區(qū)域內(nèi)流體所占據(jù)的體積分?jǐn)?shù)。若F＝0，則該單元全部為氣相流體所占據(jù)；F＝1，該單元為液相流體占據(jù)；當(dāng)0＜F＜1時(shí)，則該單元為包含兩相物質(zhì)的交界面單元。

本文采用RNG k?ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。RNG k?ε 模型［9?10］源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，在更廣泛的流動(dòng)中具有更高的可信度和精度。此外，由于計(jì)算模型中表面張力占有比重較大，所以計(jì)算網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，計(jì)算域的網(wǎng)格總數(shù)為646 866個(gè)，網(wǎng)格平均間距為d1＝3.33 mm。為了驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，取網(wǎng)格平均間距為d2＝3.0 mm的劃分方式，洗衣機(jī)靜態(tài)流場(chǎng)工況的壓力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比。當(dāng) t＝1.2 s時(shí)，點(diǎn)（0.192，0.07，0.525）的壓強(qiáng)分別為 p1＝0.2709 Pa，p2＝0.2673 Pa。 其相對(duì)誤差為1.3%，可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格敏感性較低。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 洗衣機(jī)靜態(tài)流場(chǎng)

微重力下重力影響很小，表面張力和粘性力的作用使洗滌桶流場(chǎng)出現(xiàn)與地面環(huán)境不同的位形。計(jì)算內(nèi)部流場(chǎng)在微重力環(huán)境下的靜態(tài)分布，對(duì)錐形洗衣機(jī)進(jìn)氣口、氣液出口和氣壓平衡口位置的選擇具有重要的意義。微重力環(huán)境下洗衣機(jī)開(kāi)孔處由于尺度小，會(huì)產(chǎn)生表面張力驅(qū)動(dòng)力使液體會(huì)流入進(jìn)氣口和氣壓平衡口，影響洗衣機(jī)的正常使用。圖6是微重力環(huán)境下洗衣機(jī)底部填充液體后二維自由面重構(gòu)和壓力場(chǎng)（中性截面）。

圖6 微重力條件下洗滌筒的自由面重構(gòu)和壓力場(chǎng)Fig．6 Surface reconstruction of fluid and pressure of washing tubes in microgravity

微重力條件下，洗衣機(jī)底部液體沿著滾筒壁向上爬升在滾筒的中間形成一個(gè)凹的自由氣液分界面。液體在表面張力的作用下，在液面內(nèi)外會(huì)有壓力差，形成附加壓強(qiáng)Δp，圖7為表面張力引起的附加壓力。

圖7 表面張力引起的附加壓力Fig．7 Additional tension caused by surface tension

其中，R1和R2是液面的主曲率半徑，P1和P2分別為氣液內(nèi)部壓強(qiáng)，由 Young?Laplace公式［2］得到式（7）：

ΔP為氣液之間壓差。洗滌筒的液面可以近似看成球形的，即R1＝R2＝R。那么靠近洗滌筒中心液面壓力差ΔP內(nèi)和靠近筒壁的液面壓力差ΔP外，如式（8）：

所以毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力如式（9）：

由圖6可以看出，由于靠洗滌筒越近液面的曲率半徑R外越小，會(huì)產(chǎn)生向外的表面張力驅(qū)動(dòng)力ΔPdrive。當(dāng)t＝1.2 s時(shí)，通過(guò)云圖可以得到靠近旋轉(zhuǎn)軸的液體與靠近洗滌筒壁面壓強(qiáng)差ΔPdrive＝1.77 Pa。在表面張力產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力和粘性力作用下，液體會(huì)逐漸浸潤(rùn)整個(gè)洗滌筒壁面，當(dāng)t＝12 s時(shí)，液體將氣體包裹在洗衣機(jī)中心區(qū)域。由于洗滌筒開(kāi)孔處液體受到的表面張力較大，容易沿孔壁流動(dòng)，為了防止液體從氣壓平衡口和氣口進(jìn)入外部的氣管而影響洗衣機(jī)正常使用，在洗滌筒氣口的末端（靠近洗滌筒壁處）設(shè)計(jì)成如圖8的結(jié)構(gòu)，并且在楔形處采用與洗衣液接觸角大的材料以抑制液體的浸潤(rùn)，減少液體進(jìn)入氣孔。

圖8 氣口處的楔形結(jié)構(gòu)導(dǎo)管Fig．8 The wedge?shaped wedge structure in the air pressure balance

3.2 洗衣機(jī)動(dòng)態(tài)流場(chǎng)

3.2.1 波輪、洗滌筒單方向旋轉(zhuǎn)

微重力環(huán)境下，洗衣機(jī)洗滌時(shí)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，離心力使衣物和水靠近波輪，波輪相對(duì)內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)波輪與液體以及衣物之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦衣物達(dá)到清洗的目的。然后波輪與內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)方向改變，使衣物脫離波輪，隨后再次接觸波輪，以便衣物與波輪充分接觸提高清洗效果。通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力克服微重力下衣物不能接觸波輪導(dǎo)致的機(jī)械摩擦力小、洗凈度低的問(wèn)題。

圖9是工況二時(shí)微重力條件下的流場(chǎng)分布，紅色代表液體，藍(lán)色代表氣體，截面尺寸與圖6一致。波輪和洗滌筒沿著不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速 ω1＝120 r／min，ω2＝ －300 r／min，初始時(shí)刻洗滌筒波輪的加速為0.3 s，轉(zhuǎn)動(dòng)停止時(shí)減速時(shí)間0.3 s，總的計(jì)算時(shí)間為8 s。

如圖9，相比于洗衣機(jī)靜態(tài)流場(chǎng)，洗滌筒從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)0.8 s后液體就流到波輪處。在波輪和洗滌筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，當(dāng)t＝3.2 s時(shí)，洗衣機(jī)流場(chǎng)在滾筒和波輪的共同作用下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，液體會(huì)大部分集中在洗滌筒和波輪結(jié)合處，這樣在洗滌過(guò)程中會(huì)使衣物與波輪充分接觸，增加摩擦?xí)r間提高洗滌效果，在脫水過(guò)程中，將出液口設(shè)計(jì)在結(jié)合部更有利于液體流出洗衣機(jī)內(nèi)腔。當(dāng)t＝4.0 s、5.6 s、7.2 s時(shí)，當(dāng)洗滌筒流場(chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，氣液界面會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的直徑為D的圓柱形液面，8 s左右的時(shí)候由于洗滌筒轉(zhuǎn)速降低，液體離心力變小，液體會(huì)沿著滾筒壁向下運(yùn)動(dòng)，液面直徑D會(huì)變大，液體會(huì)慢慢鋪滿(mǎn)整個(gè)洗滌筒壁。所以在條件允許的情況下盡可能提高洗滌筒的轉(zhuǎn)速，流體會(huì)更多地聚集在波輪附近，與衣物之間的交換越好，清潔效果也越好。

圖9 工況二洗衣機(jī)微重力條件下自由液面重構(gòu)Fig．9 Surface reconstruction of fluid of Case II under micro?gravity

3.2.2 波輪、洗滌筒交替旋轉(zhuǎn)

流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和翻滾運(yùn)動(dòng)對(duì)洗衣機(jī)的性能產(chǎn)生重要影響［11］。流體只旋轉(zhuǎn)不翻滾，衣物膨潤(rùn)不夠，舒展不開(kāi)，沖擊無(wú)力，洗滌效果不好；如果只翻滾不旋轉(zhuǎn)，同樣效果也不好；只有既旋轉(zhuǎn)又翻滾，才能沖擊摩擦有力，使洗衣機(jī)的綜合效能提高。圖10是工況三、工況四洗衣機(jī)洗滌筒波輪隨時(shí)間交替運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速圖，波輪和洗滌筒的加速時(shí)間和減速時(shí)間均為0.3 s，總的計(jì)算時(shí)間為8 s，以研究微重力條件下流場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖10 工況三、工況四洗衣機(jī)波輪和洗滌筒轉(zhuǎn)速Fig．10 Velocity of washing tube and pulsator of Case III and Case IV

圖11 、圖12是工況三、工況四微重力條件下，洗衣機(jī)洗滌筒波輪隨時(shí)間交替運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)分布，紅色代表液相，藍(lán)色代表氣相?？梢钥闯?，在t＝0.8 s時(shí)，與波輪接觸的流體較少，波輪的旋轉(zhuǎn)對(duì)流體影響比較小，此時(shí)的液體位形基本一樣。在t＝1.6 s時(shí)，明顯看到洗滌筒流場(chǎng)下部基本一致，上部當(dāng)波輪洗滌筒同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于波輪的作用使上部圓柱氣液分界面直徑D明顯較大。在t＝3 s時(shí)，洗滌筒和波輪轉(zhuǎn)速都變成0，液體內(nèi)部粘性耗散使流速降低離心力變小，流體會(huì)沿著滾筒壁向洗衣機(jī)底部運(yùn)動(dòng)，最終鋪滿(mǎn)整個(gè)滾筒內(nèi)壁。滾筒與波輪發(fā)生速度反轉(zhuǎn)后，反轉(zhuǎn)初始時(shí)刻靠近洗滌筒流體隨筒壁轉(zhuǎn)速快，內(nèi)部流體由于慣性速度比較慢，導(dǎo)致下部分的流體產(chǎn)生較大離心力而突然向上運(yùn)動(dòng)，最后形成t＝4 s、7.2 s時(shí)流場(chǎng)的翻轉(zhuǎn)，使衣物充分膨潤(rùn)、舒展，提高衣物的清洗效果，同時(shí)避免了在清洗過(guò)程中只對(duì)衣物的某些部位作用而減少衣物的使用壽命。整個(gè)過(guò)程中流場(chǎng)發(fā)生2次流場(chǎng)翻轉(zhuǎn)。

此外，由于流場(chǎng)的翻轉(zhuǎn)，較大的剪切力導(dǎo)致部分流體脫離流場(chǎng)發(fā)生了飛濺現(xiàn)象，這樣會(huì)大大提高洗衣過(guò)程中洗滌液對(duì)衣物的沖擊作用。但在衣物的脫水過(guò)程中，為使氣液分離更加徹底，保證不出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象，洗滌筒需按工況二單一方向運(yùn)動(dòng)。

圖11 工況三洗衣機(jī)微重力條件下自由液面重構(gòu)Fig．11 Surface reconstruction of fluid of Case III under micro?gravity

圖12 工況四洗衣機(jī)微重力條件下自由液面重構(gòu)Fig．12 Surface reconstruction of fluid of Case IV under micro?gravity

3.2.3 滾筒、波輪單一旋轉(zhuǎn)

從簡(jiǎn)單機(jī)械力對(duì)洗衣機(jī)洗凈率與磨損率的影響來(lái)看，流體對(duì)衣物的沖擊力、彎曲力、拉伸力和摩擦力，是提高洗凈率和降低磨損率的重要因素。流體作用于衣物的各種機(jī)械力，在實(shí)際工作中是同時(shí)進(jìn)行的。為了得到微重力條件洗衣機(jī)洗滌筒和波輪單一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響，工況五和工況六分別對(duì)波輪轉(zhuǎn)速 ω1＝ ±120 r／min、ω2＝0 和ω1＝0、ω2＝ ±300 r／min 進(jìn)行計(jì)算，其中波輪和洗滌筒的加速時(shí)間和減速時(shí)間均為0.3 s。圖13和圖14為工況五、六微重力條件下的流場(chǎng)分布。

圖13中只有波輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)t＝0.8 s時(shí)，表面張力的作用使流體向洗滌筒底部運(yùn)動(dòng)，波輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度并沒(méi)有對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生很大影響。0.8 s以后液體之間的粘性力使遠(yuǎn)離波輪流體開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，最后液體與波輪脫離。相對(duì)于工況三和工況四在t＝1.6 s時(shí)，流體產(chǎn)生圓柱形氣液分界面，且直徑D3＞D4，這說(shuō)明波輪轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使流體脫離波輪，且波輪與洗滌筒同向轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)加快脫離速度。波輪單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)過(guò)程中流場(chǎng)沒(méi)有發(fā)生翻轉(zhuǎn)，波輪的運(yùn)動(dòng)對(duì)于流場(chǎng)翻轉(zhuǎn)沒(méi)有影響。

圖14中，工況六只有洗滌筒交替轉(zhuǎn)動(dòng)，流場(chǎng)發(fā)生2次翻轉(zhuǎn)，且洗滌筒內(nèi)部流場(chǎng)與工況三和工況四類(lèi)似。這說(shuō)明洗滌筒的運(yùn)動(dòng)對(duì)洗衣機(jī)流場(chǎng)分布有重要作用，且決定了流場(chǎng)的翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，而波輪的轉(zhuǎn)動(dòng)只會(huì)影響流體脫離波輪的速度，對(duì)流場(chǎng)影響較小，其主要作用是與衣物摩擦而達(dá)到清潔的目的。

圖13 工況五洗衣機(jī)微重力條件下自由液面重構(gòu)Fig．13 Surface reconstruction of fluid of Case V under micro?gravity

圖14 工況六洗衣機(jī)微重力條件下自由液面重構(gòu)Fig．14 Surface reconstruction of fluid of Case VI under micro?gravity

3.3 洗滌筒、波輪對(duì)流場(chǎng)的作用

3.3.1 洗滌筒、波輪對(duì)流場(chǎng)的力的作用

洗衣機(jī)通過(guò)波輪、洗滌筒的旋轉(zhuǎn)，使洗滌液在桶內(nèi)形成渦流，迫使織物旋轉(zhuǎn)和翻滾，在織物和織物之間、織物和桶壁之間、織物和洗滌液之間產(chǎn)生摩擦力，同時(shí)織物在洗滌液中受到?jīng)_擊力、彎曲力、壓縮力和拉伸力，再加上洗滌液的去污作用，達(dá)到洗滌的目的［12］。流體作用于衣物的壓力是由洗滌筒和波輪傳遞的，作用于流場(chǎng)的力越大，流場(chǎng)作用于衣物產(chǎn)生的沖擊力越大，洗滌效果就越好［11］。因此得到不同工況下洗滌筒和波輪對(duì)流場(chǎng)的力對(duì)洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要的意義。圖15和圖16分別是洗滌筒和波輪對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的力。

從圖15、16對(duì)比可以看出，波輪和洗滌筒交替旋轉(zhuǎn)的情況下，工況三波輪洗滌筒的同向交替旋轉(zhuǎn)對(duì)流場(chǎng)的力F1、F2比工況四波輪洗滌筒的異向交替旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力都要略大。

圖16 波輪對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的力Fig．16 The force generated by the pulsator

綜上所述，為了保證洗衣機(jī)在洗滌過(guò)程中既要增加對(duì)流場(chǎng)的力，又要保證必要的翻轉(zhuǎn)次數(shù)以提高對(duì)衣物的清潔效果，在洗滌過(guò)程中，洗衣機(jī)按照工況三的方式運(yùn)行。而在洗衣機(jī)脫水氣液干燥的過(guò)程中，為了保證液體流出洗滌筒，在洗滌筒和波輪結(jié)合部設(shè)計(jì)出水口，并且洗衣機(jī)按照工況二方式運(yùn)動(dòng)，此時(shí)可以使波輪靜止不動(dòng)。

3.3.2 洗衣機(jī)流場(chǎng)動(dòng)能

離心式錐形洗衣機(jī)通過(guò)洗滌筒和波輪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)洗衣機(jī)內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)，流體的運(yùn)動(dòng)不斷地沖擊衣物，使衣物翻轉(zhuǎn)、摩擦而達(dá)到清潔的目的。而流體對(duì)于衣物的作用能量來(lái)自于流場(chǎng)內(nèi)部的動(dòng)能，運(yùn)動(dòng)流體動(dòng)能越大，其對(duì)流場(chǎng)中的衣物沖擊越劇烈，衣物的洗凈效果就越好。因此可以用流場(chǎng)單位質(zhì)量的平均動(dòng)能（Mean Kinetic Energy，MKE）來(lái)表征整個(gè)洗衣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)所具有的動(dòng)能［13］。

圖17是工況三MKE隨時(shí)間的變化。圖中可以看出，平均動(dòng)能在t＝2 s左右達(dá)到最大，此時(shí)波輪和洗滌筒在第一個(gè)半周期同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間達(dá)到最大，流體平均速度達(dá)到最大。

圖17 工況三MKE隨時(shí)間的變化Fig．17 Changes of MKE over time in Case III

流體內(nèi)部微團(tuán)之間的碰撞或混合愈劇烈，湍流程度愈大，局部摩擦力也愈大，這樣對(duì)衣物的清潔效果越好。而湍流的脈動(dòng)強(qiáng)度可以通過(guò)湍流動(dòng)能（Turbulent Kinetic Energy，TKE）來(lái)表征，如式（10）所示：

其中，u′、v′、w′是 x、y、z方向速度的脈動(dòng)量。

圖18是工況三單位質(zhì)量流體TKE隨時(shí)間的變化?？梢缘玫剑趖＝4 s和t＝7 s左右的時(shí)候，湍流動(dòng)能較大，此時(shí)流體微團(tuán)脈動(dòng)量較大，對(duì)衣物的沖擊效果更好。從圖15、16、17、18工況三條件下洗衣機(jī)滾筒、波輪對(duì)流場(chǎng)力的作用、流場(chǎng)的MKE與TKE來(lái)看，由于滾筒波輪的周期性運(yùn)動(dòng)，使這些物理量呈現(xiàn)周期性變化，周期為外部輸入周期的一半，T＝3.25 s。

圖19是洗衣機(jī)在工況三條件下t＝7.2 s時(shí)中性截面處的湍動(dòng)能與速度場(chǎng)分布。可以看出，當(dāng)t＝7.2 s時(shí)，洗衣機(jī)內(nèi)部在靠近滾筒壁的湍動(dòng)能和速度都最大，衣物受到的沖擊最大，洗衣效果也較好。

圖19 t＝7 #x1001b1; 2 s時(shí)工況三湍動(dòng)能與速度場(chǎng)分布Fig．19 Turbulent energy and velocity magnitude of Case III when t＝7 #x1001b1; 2 s

4 結(jié)論

本文基于離心式錐形兩相洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)方案，針對(duì)失重條件下錐形桶內(nèi)的流體靜態(tài)分布、筒／波輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)態(tài)界面形貌和動(dòng)態(tài)流場(chǎng)分布、波輪和洗滌筒對(duì)流場(chǎng)力的作用和微重力環(huán)境下洗衣機(jī)洗凈比等關(guān)鍵的微重力流動(dòng)管理問(wèn)題開(kāi)展了研究，得到如下的結(jié)論：

1）微重力下錐形筒洗衣機(jī)靜態(tài)流場(chǎng)在表面張力驅(qū)動(dòng)下沿著洗滌筒壁爬升，在氣壓平衡口處設(shè)計(jì)楔形氣口；

2）洗滌筒的交替旋轉(zhuǎn)使流場(chǎng)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，而波輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使流場(chǎng)脫離波輪接觸；

3）波輪和洗滌筒的同向交替轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的力要大于異向交替轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的力，在洗滌過(guò)程中的效果更好；

4）在洗滌過(guò)程中洗衣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)為湍流，流場(chǎng)能量的耗散使洗衣機(jī)平均動(dòng)能峰值變?。?/p>

5）洗衣機(jī)在洗滌過(guò)程中按照波輪和洗滌筒同向交替運(yùn)行，脫水過(guò)程按照洗滌筒單方向旋轉(zhuǎn)。

（

）

［1］ Victoria B，Noe C，Gary G，et al.Laundry in space：gravity independent laundry system （GILS）［C］ ／／50th AIAA Aero?space Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition， Nashville， Tennessee， 2012：1?10.

［2］ 胡文瑞.微重力科學(xué)概論［M］.北京：科學(xué)出版社，2010： 1?12.Hu W R.Introduction to Microgravity Science［M］.Beijing：Science Press， 2010： 1?12.（in Chinese）

［3］ Microgravity experiment：wringing a wet towel in space［EB／OL］.http：／／bigthink.com／big?think?tv／microgravity?experi?ment?wringing?a?wet?towel?in?space，2013?04?23.

［4］ Colombo G V， Putnam D F， Lunsford T D， et al.Single phase laundry system development［C］／／23rd International Conference on Environmental Systems， Colorado， 1993：1?9.

［ 5 ］ Michalek W， Grounds P.Single?phase laundry for long dura?tion space missions［C］／／20th International Conference on Environmental Systems， Virginia， 1990： 217?222.

［6］ 康琦，侯瑞.微重力流體管理在航天工程中的應(yīng)用［J］.自然雜志， 2017（06）： 328?334.Kang Q， Hou R.Application of microgravity fluid manage?ment in aerospace engineering［ J］.Chinese Journal of Na?ture， 2017（06）：328?334.（in Chinese）

［7］ 張晨輝.微重力下板式表面張力貯箱內(nèi)流體管理的研究［D］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2013.Zhang C H.Research on the Liquid Management in the Plate Surface Tension Tank Under Microgravity［D］.Shenyang：Northeast University， 2013.（in Chinese）

［8］ Hirt C W，Nichols B D.Volume of Fluid（VOF）method for the dynamics of free boundaries［J］.Journal of Computational Physics， 1981， 39（1）： 201?225.

［9］ Yakhot V，Orzag S A.Renormalization group analysis of tur?bulence.I.basic theory［J］.J.Sci.Comput.， 1986， 1（1）：3?51.

［10］ William P J，Brain L.The prediction of laminarization with a two?equation model of turbulence［J］.Int.J.of Heat Mass Tran， 1972， 15（2）： 301?314.

［11］ 劉代祥.波輪式洗衣機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)［J］.家用電器科技，1985（5）： 4?7.Liu D X.Parametric design of pulsator type washing machine［J］.Science and Technology of Household Electric Appli?ance， 1985（5）： 4?7.（in Chinese）

［12］ 龍仲文.對(duì)改善波輪式洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)的初步研究［J］.家用電器科技， 1982（4）： 8?12.Long Zhongwen.Preliminary research on improving the struc?ture of washing machine ［J］.Science and Technology of Household Electric Appliance， 1982（4）： 8?12.（in Chinese）［13］ Mark F，George S，James M.Analysis of cryogenic propellant behavior in microgravity and low thrust environments［J］.Cryogenics， 1992， 32（2）： 230?235.