重力對載人航天器密封艙內空氣 對流換熱影響的數值分析

王 晶 ，徐向華 ，李西園 ，陶 濤 ，裴一飛

（1.可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100094；2.北京衛星環境工程研究所，北京 100094；3.清華大學 航天航空學院，北京 100084）

0 引言

空間站、載人飛船等載人航天器都必須有密封艙以維持正常大氣環境供航天員工作、生活。而密封艙由于運行在空間微重力環境中，其內部無法形成自然對流。因此，載人航天器密封艙必須利用風機、風扇等通風設備使空氣強迫對流[1]，以帶走乘員、設備產生的廢熱和污染物，并維持艙內適宜的溫度、濕度和風速分布。研究密封艙內的通風換熱特性對于設計艙內通風系統乃至航天器的環控生保系統都具有重要的意義。

空間微重力環境下密封艙內部的傳熱、傳質情況與地面重力環境下存在很大不同，沒有“冷風下墜”或者“熱羽流”現象[2]。目前在密封艙內空氣傳熱的相關研究和工程中應用的方法主要有數值模擬和模擬試驗。數值模擬主要是通過計算流體動力學（CFD）方法，采用商業流體模擬軟件對密封艙內的空氣流動速度場和溫度場進行數值求解，進而分析其特性。針對方形空間內空氣流動傳熱受浮力和剪切力的影響，Tian 等人[3-4]展開了大量的數值分析研究。數值模擬方法簡便、快速、成本低，可以方便地模擬重力和各種邊界條件，但其準確性需要 通過試驗驗證。而模擬試驗的難點是消除重力對對流換熱的影響。在地面產生微重力環境的常規手段（如落塔、探空火箭、飛機拋物線飛行等）不但費用很高，而且所能夠提供的連續的微重力時間較短，難以進行換熱試驗。因此，目前所采用的消除重力影響的對流換熱試驗方法主要是基于相似理論的比擬方法，具體又分為縮比法和減壓法?？s比法在保證準則數的基礎上調整幾何和邊界條件，以達到削弱自然對流的作用，使得在地面試驗中得到與微重力條件下相似的流體流動和傳熱結果[5-7]。它的缺點是需要建立較小的模型，因而難以操作。減壓法則通過降低密封艙內壓力、增加流體流速的方式抑制自然對流換熱[8-9]，并且可以針對原型艙進行試驗，因此實際應用較多[10-11]。減壓法一般要求密封艙內壓力降低到0.3 個大氣壓才能夠認為已將自然對流抑制到可以忽略的程度，這給試驗的進行帶來了困難。

近年來隨著航天器的大型化，使得在環境模擬器中進行密封艙的熱試驗越來越少，而在常壓環境中進行熱試驗的需求增長迅速。但是航天器密封艙設計為只能承受正壓而不能承受負壓，在常壓環境中進行熱試驗無法采用減壓方法抑制艙內的自然對流，因此有必要研究在地面常壓熱試驗中重力對艙內空氣對流換熱的影響，并根據這種影響的特點提出試驗方法或者對試驗結果的修正方法[12]。

本文以一個簡化的航天器密封艙內的空氣對流換熱為分析對象建立數值模型，并針對幾種典型通風工況模擬有無重力時艙內的溫度場和換熱量的差別，分析重力對艙內空氣換熱的影響特點。

1 模型的建立與計算設置

1.1 幾何模型

本文研究的對象包括一個長方體的密封艙（以下稱試驗艙）和一個接近立方體的氣閘艙，其外形見圖1。試驗艙長5.5 m，橫截面為正方形，邊長2 m，有10 對進風口和10 對出風口。進風口位于艙體上方的兩個角部，出風口位于艙體下方的兩個角部，與側壁均成45°角。進風口和出風口的尺寸均為寬0.2 m，長0.25 m。氣閘艙邊長1.5 m，其頂壁有1個進風口。試驗艙與氣閘艙間支持艙間通風，其通風方式為將一部分從試驗艙出風口送出的空氣輸送到氣閘艙的進風口，氣流進入氣閘艙后再經過氣閘艙與試驗艙的連接處返回試驗艙。

圖1 試驗艙與氣閘艙的結構外形Fig.1 Configuration of the experimental cabin and the airlock cabin

1.2 數學模型

密封艙內空氣的流動和傳熱過程可用Navier- Stokes 方程和能量守恒方程描述，具體滿足以下控制方程。

連續性方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

湍流方程（以RNGκ-ε為例）：

1.3 計算域網格劃分

本文采用商業CFD 軟件FLUENT 6.3.26 來模擬密封艙內的空氣流動和傳熱，所模擬的區域包括圖1所示的全部區域。對進風口和出風口分別采用速度入口邊界條件和出口邊界條件，為了計算的穩定，需要給進口和出口分別增加一段等截面的進口段和出口段，參見圖1。

用GAMBIT 軟件進行結構化網格劃分。進風口處的截面網格見圖2，在進出口和邊界處進行適當 的加密。經過網格無關性驗證，最終采取的網格劃分方案為：試驗艙橫截面上的網格間距為2 cm，進出口加密1 倍，軸向網格間距為5 cm；氣閘艙截面的網格數與試驗艙相同。網格總節點數為285 萬。

圖2 試驗艙進風口處的截面網格劃分Fig.2 Meshes of the air inlet section of the experimental cabin

1.4 邊界條件與計算設置

所采用的求解模型和邊界條件設置如下。

1）湍流模型：RNGκ-ε模型，標準壁面函數；

2）空氣密度模型：不可壓縮理想氣體；

3）試驗艙進風口：速度入口邊界，給定溫度；

4）試驗艙出風口：出口邊界，左右兩側出口流量相等；

5）氣閘艙進風口：速度入口邊界，溫度等于試驗艙出風口的平均溫度，利用用戶自定義函數（UDF）統計得出；

6）試驗艙壁面：溫度邊界，設置為27 ℃；

7）氣閘艙壁面：絕熱邊界。

壁面間還會產生輻射換熱，但由于大部分的壁面溫度都相等，因此換熱量很小。通過數值模擬驗證發現，考慮輻射換熱與不考慮輻射換熱對模擬結果的影響可以忽略，因此在本文數值模擬中不考慮此項。

在FLUENT 中的求解器設置如下。

1）求解器類型：基于壓力的隱式穩態求解器。

2）壓力-速度耦合方法：SIMPLEC。

3）離散格式：壓力在無重力時采用標準格式，有重力時采用PRESTO!格式；動量方程和湍流方程采用二階迎風格式；能量方程采用QUICK 格式。

4）松弛因子：當壓力采用標準離散格式時，各松弛因子均采用默認值；當壓力采用PRESTO!離散格式時，壓力的松弛因子改為0.7，動量方程的松弛因子改為0.3。

2 模擬結果及分析

為分析不同工況下重力對密封艙內空氣對流換熱的影響，本文模擬了表1所示的4 種工況。其中，通風流量是指試驗艙的總進風流量，轉移流量是指從試驗艙轉移到氣閘艙的流量。工況2 中試驗艙和氣閘艙之間沒有通風；工況4 中的通風流量和轉移流量均減小一半。

表1 模擬工況參數Table 1 Simulation parameters of four working conditions

4 種工況下、有無重力時，艙內平均溫度的模擬結果見表2。由表中數據可見，有重力時自然對流增大了壁面的對流換熱量，導致艙內平均溫度升高。對比工況1 和工況2 可見，當有艙間通風時，艙內平均溫度受重力影響更小。工況3 的進風溫度高、與壁面溫差小，艙內平均溫度受重力影響最小。工況4 的空氣流量降低一半，艙內平均溫度受重力影響變大。

表2 艙內平均溫度的模擬結果對比Table 2 Simulation results of average temperature inside the cabins 單位：℃

4 種工況下、有無重力時，試驗艙壁面換熱量的模擬結果見表3。由表中數據可知，壁面換熱量受重力的影響較大。對于左右壁面，正常通風量（工況1、2、3）時，重力引起的自然對流使得有重力時的換熱量比無重力時的增加了約50%；減半通風量（工況4）時，自然對流在空氣流量中的占比增加，使得有重力時的換熱量比無重力時的增加了約90%。地板的換熱量在有重力時也比無重力時的有所增加，但增加量較小，正常通風量時不超過15%，減半通風量時約為21%。頂壁的換熱量則是在有重力時小于無重力時，降幅可達30%左右。這是由于在有重力時熱空氣上浮，試驗艙頂部的氣溫升高，使得頂壁與空氣的溫差減小，導致換熱量減小。

表3 試驗艙壁面換熱量的模擬結果對比Table 3 Simulation results of heat transfer amount inside the experimental cabin 單位：(W/m2)

為比較各工況下艙內空氣溫度受重力影響的分布，將試驗艙和氣閘艙均沿軸向按0.5 m 的間隔劃分為若干區域，每塊區域又按對稱線劃分為4 個象限單元。試驗艙有12 個軸向區域，48 個單元；氣閘艙有4 個軸向區域，16 個單元。4 種工況下各區域空氣溫度受重力影響沿主軸（z軸）的分布見圖3。圖中，z=0～16 表示由圖1所示氣閘艙前端部至試驗艙后端部依次排列的16 個軸向區域。 圖3各分圖中的上圖表示各區域上部的2 個象限單元的溫差（有重力時與無重力時的單元平均溫度之差），下圖表示各區域下部的2 個象限單元的溫差。

圖3 重力對艙內各區域溫度影響的分布Fig.3 Influence of gravity on the local temperature inside the cabins

由圖3可見，各工況下平均溫度受重力影響在艙內各區域分布比較均勻，上部和下部也沒有明顯的差別。工況1 中試驗艙受重力影響的溫差大部分都在1 ℃以下，氣閘艙的則在0.5 ℃以下。這是因為氣閘艙內的氣流速度高，受迫對流換熱強，自然對流在空氣流量中的占比小。當沒有艙間通風（工況2）時，試驗艙的溫差有所增加，而氣閘艙內的溫差更是增大了2 倍以上，超過了試驗艙。工況3的進風溫度高、與壁面的溫差減小，自然對流的影響也相應減弱，因此重力對單元溫度的影響也大幅度降低。當通風量減半（工況4）時，受迫對流換熱強度下降，自然對流在空氣流量中的占比增大，因此重力對空氣溫度的影響相應增大，試驗艙內單元平均溫度有無重力時的溫差達到1.5 ℃，氣閘艙的也超過了1 ℃。

重力使得熱空氣上浮、冷空氣下沉；但由于艙內通風的方向為上進下出，與自然對流的方向相反，因此會減弱空氣的上下分層現象。圖4是工 況1 中豎直中心截面的溫度分布，可見溫度的上下分層不明顯，但在有重力時貼近頂壁有一薄層熱空氣聚集，正是這層熱空氣使得頂壁的換熱量在重力影響下有所減小。

圖4 有無重力時豎直中心截面的溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution on the central section with and without gravity

分析模擬結果發現，重力的影響主要表現在密封艙側壁面換熱量的增加，同時艙內的流場也發生了變化。有重力時，在兩個側壁附近產生了上升流動，因而在側壁附近形成了渦流，總體上增強了空氣的流動，擾亂了流場，使流場的不對稱性增加。

3 結論

本文通過對簡化的航天器密封艙內通風換熱進行建模和數值模擬，分析了重力對壁面換熱量、區域平均溫度分布及艙內流場的影響，得到如下主要結論：

1）重力對壁面換熱量的影響較大。有重力時，自然對流增加了側壁和地板的換熱量，而頂壁的換熱量減小。有無重力的換熱量差別隨著進風口與壁面間溫差的減小而減小，隨空氣流量的減小而增大。

2）有重力時增加的壁面換熱量使得艙內平均溫度升高，但在所研究參數范圍內的升高幅度小于1.5 ℃。重力對區域溫度影響的空間分布比較均勻。艙間通風能夠減弱重力對艙內空氣溫度的影響。有無重力時的艙內空氣溫度差隨進風口與壁面間溫差的減小而減小，隨空氣流量的減小而增大。

3）在地面常壓、重力環境中進行密封艙內通風換熱試驗時，重點需要對壁面換熱量進行修正。在此前提下，艙內空氣溫度分布可認為與微重力條件下差別不大。

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