海洋機(jī)器人進(jìn)氣集水箱仿真分析與試驗

張發(fā)年，于延凱，曹鈞凱，林 揚(yáng)

（中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 100016）

1 引言

現(xiàn)有自主水下機(jī)器人的動力源種類包括電池、燃料電池、熱動力裝置和核動力裝置，其中柴油機(jī)能以較高的效率將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁呛苡邪l(fā)展前途的海洋機(jī)器人動力源[1]。進(jìn)排氣系統(tǒng)是海洋機(jī)器人高海況適應(yīng)性的關(guān)鍵技術(shù)之一，高海況下進(jìn)排氣管被海水淹沒時有發(fā)生。某油電混合動力海洋機(jī)器人進(jìn)氣管路安裝有進(jìn)氣集水箱[2]，該進(jìn)氣集水箱采用重力沉降原理分離意外進(jìn)水，但試驗中發(fā)現(xiàn)該進(jìn)氣集水箱在熱機(jī)功率提升后，箱內(nèi)積水隨氣流發(fā)生噴濺，造成艙內(nèi)電器設(shè)備短路損壞。

積水噴濺和水氣分離均為氣液兩相流動[3-4]。根據(jù)流體數(shù)值計算軟件CFX中的多相流模型，對積水噴濺和水氣分離的氣液兩相流進(jìn)行模擬，分析原進(jìn)氣集水箱發(fā)生積水噴濺的原因，設(shè)計了新進(jìn)氣集水箱，并對新進(jìn)氣集水箱進(jìn)行試驗研究，驗證了仿真模型的真確性。

2 原進(jìn)氣集水箱仿真分析

2.1 原進(jìn)氣集水箱結(jié)構(gòu)及工況

為原進(jìn)氣集水箱結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。其水氣分離原理為重力沉降式，意外進(jìn)入的海水在重力作用下沉降于集水區(qū)，而空氣從出氣口流出，中間隔板距水箱底部約2/3，遮擋進(jìn)氣口投影面積約1/3，中間隔板用于避免積水受海浪搖晃，同時減緩空氣對積水的擾動。以柴油機(jī)滿功率運(yùn)行時進(jìn)氣量為研究工況，空氣流速為20m/s，進(jìn)氣量為0.6kg/s；空氣和海水（參考黃海海域）的密度分別為ρg=1.185kg/m3、ρl=1023.087kg/m3；動力粘度系數(shù)分別為μg=1.831×10-5Pa·s、μl=9.618×10-4Pa·s。

圖1 原進(jìn)氣集水箱結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Original Water-Collecting Box

2.2 積水噴濺數(shù)學(xué)模型及仿真結(jié)果

選取多相流模型VOF湍流模型[5]作為主要模型進(jìn)行數(shù)值模擬。VOF方法是一種描述兩相流復(fù)雜自由表面的數(shù)學(xué)模型，其基本思路是計算域內(nèi)水和氣的體積分?jǐn)?shù)之和為1。文中多相流模型中VOF湍流模型求解方程，如式（1）～式（9）所示。包括容積比例方程、連續(xù)性方程、能量方程、動量方程及標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型[6-9]，其中容積比例方程用于求解組分的體積分?jǐn)?shù)。箱內(nèi)水的初始液位為100mm，積水初始速度為0。

文中采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為315598。入口邊界為空氣流速20m/s，出口邊界為壓力出口，所有壁面采用無滑移壁面。

（1）容積比例方程

式中：V—速度向量。

（2）連續(xù)性方程

式中：αG—混合相中氣相含氣率；αw—液相含氣率；ρG—氣相密度；ρw—液相密度；μG—氣相速度；μw—液相速度。

（3）動量方程

式中：ρ=αGρG+αwρw—流體混合密度；μ=αGμGeff+αwμweff—流體混合粘度，其中μGeff=μG+μT—氣相粘度系數(shù)；μGeff=μW+μT—液相粘度系數(shù)；μT=Cu—標(biāo)準(zhǔn)兩相κ-ε模型引起的湍流粘度系數(shù)；Cu—常數(shù)；F—其他外力。

（4）能量方程

VOF模型處理能量E和溫度T，作為質(zhì)量評價變量，式中E如下：

（5）標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型方程

式中：C1、C2—常數(shù)分別為1.44和1.92；σk、σε—標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程湍流普朗特數(shù)，分別取1.0和1.3；G—平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項。

原進(jìn)氣集水箱積水噴濺仿真結(jié)果，如圖2所示。時間步1.99s時水的體積分?jǐn)?shù)云圖，如圖2（a）所示。由圖中可知，箱內(nèi)積水受到擾動而發(fā)生晃動，進(jìn)入中間隔板上層，向出氣口匯聚，結(jié)合圖2（c）出口水的質(zhì)量流量曲線，水的質(zhì)量流量大約0.5s時開始大于0，在1.1s時達(dá)到最大0.8kg/s，整個過程一直處于波動狀態(tài)，復(fù)現(xiàn)了試驗現(xiàn)場觀察到水箱噴水現(xiàn)象?？諝馑俣攘骶€圖，如圖2（b）所示。從圖中可知空氣第一時間并非發(fā)生折流從出氣口流出，而是有部分在慣性作用下進(jìn)入到中間隔板的下層，速度較高，平均流速在7m/s以上。

圖2 原水箱積水噴濺仿真結(jié)果Fig.2 The Water Splashing Simulation Results of Original Water-Collecting Box

通過分析仿真結(jié)果可知，發(fā)生積水噴濺的主要原因是中間隔板遮擋進(jìn)氣口的面積小，空氣進(jìn)入箱體時流速高，在慣性作用下部分進(jìn)入集水區(qū)，水被吹散成水滴，卷入空氣，帶入中間隔板的上層，夾帶噴出水箱。

3 新進(jìn)氣集水箱仿真計算

3.1 新進(jìn)氣集水箱結(jié)構(gòu)及工況

通過分析仿真結(jié)果，原進(jìn)氣集水箱中間隔板面積較小未能阻止空氣對集水區(qū)積水?dāng)_動，但增大中間隔板面積會導(dǎo)致意外進(jìn)水不易進(jìn)入集水區(qū)同樣發(fā)生噴濺。故新進(jìn)氣集水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計，一方面考慮對意外進(jìn)水的有效分離，另一方面必須保證分離后的水不被高速空氣二次卷入，夾帶噴濺，同時兼顧機(jī)器人空間結(jié)構(gòu)尺寸、要求隨型性好的特點以及進(jìn)氣阻力不大于2kPa。

新進(jìn)氣集水箱結(jié)構(gòu)將進(jìn)氣集水箱通過中間隔板和后擋板分割成兩部分，即集水區(qū)和空氣流場?？諝鈴倪M(jìn)氣口進(jìn)入，在上層空氣流場折流后從出氣口流出，利用空氣與水的慣性差，在空氣折流減速時空氣夾帶的水滴將會保持一定速度繼續(xù)直行進(jìn)入后擋板的集水區(qū)，從而達(dá)到水氣分離的目的。集水區(qū)與空氣流場隔離，避免了空氣與積水直接接觸，減小箱內(nèi)壓力波動。仿真研究工況及空氣與海水的物理性質(zhì)與前述一致。

3.2 新進(jìn)氣集水箱仿真及結(jié)果分析

此部分主要針對新進(jìn)氣集水箱進(jìn)行箱內(nèi)積水受氣流擾動和進(jìn)氣氣水分離的仿真研究，積水噴濺所采用模型設(shè)置與原進(jìn)氣集水箱仿真相同。

進(jìn)氣氣水分離仿真模型采用歐拉-歐拉模型，氣相作為連續(xù)相，液相為離散相，兩相之間無傳質(zhì)、傳熱。對于液相控制方程采用零方程模型，氣相采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程模型，具體控制方程參考文獻(xiàn)[10]，相間作用力選擇Particle Model，除Drag force選擇Grace（Grace coefficient取0.44），還考慮了虛擬質(zhì)量力，其系數(shù)取0.5，湍流耗散力選擇Favre Average Drag force，系數(shù)取1，湍流傳遞選擇Sato Enhanced Eddy Viscosity[11]。

模型采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為315760。邊界條件入口空氣流速20m/s，空氣的體積分?jǐn)?shù)為0.99，出口為壓力出口，所有壁面為無滑移壁面。

為新進(jìn)氣集水箱積水噴濺仿真結(jié)果，如圖3所示。時間步2.42s時箱體水的體積分?jǐn)?shù)云圖，如圖3（a）所示。由圖可知，相比原進(jìn)氣集水箱，箱內(nèi)積水受氣流的擾動作用明顯減小，箱內(nèi)積水無明顯晃動，出口水的質(zhì)量流量曲線，如圖3（b）所示。出口水的質(zhì)量流量最大發(fā)生在1.2s，為2.4e10-5kg/s，相比原進(jìn)氣集水箱出口水的質(zhì)量流量達(dá)0.8kg/s，可忽略不計。

圖3 新進(jìn)氣集水箱積水噴濺仿真結(jié)果Fig.3 The Water Splashing Simulation Results of New Water-Collecting Box

新進(jìn)氣集水箱仿真結(jié)果進(jìn)一步證明前述原進(jìn)氣集水箱發(fā)生積水噴濺的原因是正確的，即高速空氣對積水的擾動是發(fā)生積水噴濺的根本原因。高速空氣直接沖擊積水表面或引起箱內(nèi)壓力波動，與積水發(fā)生動量交換，導(dǎo)致原來靜止的積水被吹散，被空氣卷入噴出水箱，而新進(jìn)氣集水箱大部分空氣在進(jìn)入集水區(qū)前發(fā)生折流從出氣管排出，從而有效避免了與積水直接接觸。

為新進(jìn)氣集水箱水氣分離仿真結(jié)果，如圖4所示。從圖4（a）、圖4（b）可以看出水滴在慣性作用下沿直線進(jìn)入后擋板與空氣分離，而空氣在到達(dá)后擋板前發(fā)生折流，然后從出氣管流出，少量進(jìn)入后擋板的空氣速度降為0。為水的體積分?jǐn)?shù)云圖，如圖4（c）所示。水滴在進(jìn)入后擋板與水箱法蘭蓋發(fā)生碰撞后匯聚流至底部集水區(qū)。為出氣口水的質(zhì)量流量曲線，如圖4（d）所示。可以看出水的質(zhì)量流量在較小范圍內(nèi)波動，最大質(zhì)量流量為0.0038kg/s，入口水的質(zhì)量流量為6.1506kg/s，也即分離效率大于99.94%，達(dá)到了預(yù)期的水氣分離效果。

圖4 新進(jìn)氣集水箱水氣分離仿真分析結(jié)果Fig.4 The Gas-Water Separating Simulation Results of New Water-Collecting Box

4 試驗驗證

為驗證仿真模型正確性及新進(jìn)氣集水箱水氣分離效果，試驗?zāi)M柴油機(jī)負(fù)壓吸氣，利用抽氣機(jī)從新進(jìn)氣集水箱的出氣口抽氣，進(jìn)氣管直徑為200mm，抽風(fēng)機(jī)流量為2112m3/h。水箱兩端法蘭及進(jìn)出氣管均采用透明的亞力克板和管加工制作。進(jìn)氣管水流量為15L/min、30L/min、40L/min。為水氣分離水箱試驗圖，如圖5所示。

圖5 水氣分離水箱試驗圖Fig.5 The Gas-Water Separating Experiment

對比三種不同水流量下水氣分離現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，水流量15L/min時被空氣離散成水滴的程度最大，水被迅速吸入并在慣性作用下噴入后法蘭蓋，而水流量較大時只有少部分會被離散成水滴，大量水成注流入下層水箱，原因是水流量較大時受重力影響明顯，水流首先在重力作用下下沉，而水流量較小時空氣與水之間的作用力較明顯，試驗結(jié)果與新進(jìn)氣集水箱水氣分離仿真結(jié)果一致。試驗采用風(fēng)速儀（GM8920+）測得入口空氣平均流速20m/s，與仿真空氣流速相同，箱內(nèi)積水并未受氣流的擾動，液面只有微小波紋，也未發(fā)生噴濺現(xiàn)象。采用CYT-102型壓力計（4～20mA，0～5kPa）測得最終測得進(jìn)氣口與出氣口平均壓差為0.15kPa，小于設(shè)計要求壓降2kPa，但進(jìn)氣口有水狀態(tài)下測得壓差明顯增大，這可能是氣流受水流干擾，增大了進(jìn)氣阻力。

5 總結(jié)

通過對原進(jìn)氣集水箱箱內(nèi)水氣兩相流分析發(fā)現(xiàn)，具有較大慣性的空氣直接或間接與積水發(fā)生能量交換，積水離散被氣流夾帶發(fā)生噴濺。仿真和試驗結(jié)果表明，新進(jìn)氣集水箱實現(xiàn)了水氣有效分離，避免了高速空氣對積水的擾動。采用的仿真模型正確，可作為進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)氣集水箱的依據(jù)。