微型空氣取水裝置拉瓦爾管導(dǎo)流結(jié)構(gòu)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(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.江蘇揚(yáng)州尼爾液壓科技有限公司，江蘇 揚(yáng)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(wèn)題，人類常常需要依靠從外部運(yùn)輸?shù)欢\(yùn)輸?shù)某杀靖撸宜Y源不便分發(fā)和攜帶。事實(shí)上在空氣中就蘊(yùn)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(duì)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(yīng)運(yùn)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(jié)露法[4-5]和吸附解吸附法[6-7]。由于制冷結(jié)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(yīng)用。本研究所設(shè)計(jì)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(kuò)張的噴管結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于超聲速噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等[8-10]，用于調(diào)節(jié)流經(jīng)噴管的氣流參數(shù)。

本研究將拉瓦爾噴管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后應(yīng)用于微型空氣取水裝置中來(lái)提高裝置內(nèi)部空氣流量，進(jìn)而提高取水效率，并對(duì)裝置內(nèi)部空氣流動(dòng)情況進(jìn)行CFD模擬[11]研究。

1 微型空氣取水裝置結(jié)構(gòu)與原理

1.1 微型空氣取水裝置結(jié)構(gòu)與空氣流動(dòng)原理

本研究設(shè)計(jì)了一種杯型微型空氣取水裝置，其杯體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 微型空氣取水裝置杯體結(jié)構(gòu)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(kuò)散管)。杯體材料選擇絕熱性能好、耐高溫、無(wú)毒害的有機(jī)材料。吸附容腔內(nèi)裝有吸濕劑，可選用高效吸濕材料如鹵素鹽復(fù)合吸濕劑[12-13]、MOF801[14]等。

該裝置工作過(guò)程分為兩個(gè)階段。在吸附階段，利用電熱膜加熱通氣管道內(nèi)空氣，由于煙囪效應(yīng)[15]會(huì)使裝置內(nèi)空氣產(chǎn)生穩(wěn)定單向流動(dòng)(如圖1所示)，且主動(dòng)通風(fēng)驅(qū)動(dòng)力與裝置內(nèi)外氣體密度差成正比關(guān)系。該驅(qū)動(dòng)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(dāng)吸附趨于飽和后進(jìn)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(lái)，較熱的水蒸氣沿通氣管道向上至液化位置并被引導(dǎo)至存水容腔。該工作過(guò)程需多次循環(huán)以便獲得足夠量的水。由上述工作過(guò)程可知，裝置內(nèi)空氣流動(dòng)情況將直接決定取水的效率，在吸附階段，若流量過(guò)小則吸附需要時(shí)間長(zhǎng)，若流量過(guò)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(guò)小則解吸附產(chǎn)生的水蒸氣無(wú)法被高效傳遞至液化位置，若流量過(guò)大則不利于解吸附過(guò)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(jié)構(gòu)在該裝置中的應(yīng)用

典型拉瓦爾噴管結(jié)構(gòu)包括收斂管、喉部、擴(kuò)散管3個(gè)部分，本研究將其結(jié)構(gòu)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(jiǎn)化為直線型。相比傳統(tǒng)直筒管形狀，其優(yōu)勢(shì)主要包括兩方面：(1)利于通氣管內(nèi)氣體保溫，使煙囪效應(yīng)中內(nèi)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(nèi)氣體局部加速，使裝置下方吸附容腔處產(chǎn)生一較大負(fù)壓力，進(jìn)而使更多外部空氣流入吸附劑。

兩種效果共同提高裝置內(nèi)空氣流量進(jìn)而提高取水效率。

2 流體計(jì)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(shí)條件的能力等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行充分的模擬分析有助于實(shí)驗(yàn)方案的確立，提高實(shí)驗(yàn)成功率。

2.1 計(jì)算域模型

本研究基于ANSYS Workbench平臺(tái)分析了拉瓦爾噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空氣流量的影響。筆者通過(guò)DM模塊設(shè)計(jì)幾何模型，抽取流體計(jì)算域，通過(guò)ICEM CFD模塊設(shè)置網(wǎng)格要求、進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后利用Fluent模塊進(jìn)行計(jì)算方法和邊界條件的設(shè)定并進(jìn)行計(jì)算。

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

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

2.2 Fluent參數(shù)設(shè)置

裝置內(nèi)空氣流動(dòng)過(guò)程是一個(gè)熱流耦合過(guò)程。流動(dòng)過(guò)程選擇湍流模型中的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于任意細(xì)化的網(wǎng)格，能給出一致的解，有助于提高計(jì)算精度。傳熱過(guò)程選中能量方程選項(xiàng)。流體介質(zhì)選擇理想空氣條件，由于煙囪效應(yīng)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(guān)系。取空氣介質(zhì)參數(shù)比熱Cp=1 012 J/(kg·K)，空氣導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.024 2 w/(m·K)，空氣動(dòng)力粘度μ=1.789 4e-5kg/(m·s)，空氣摩爾質(zhì)量設(shè)置為M=28.959 g/mol。在環(huán)境設(shè)置設(shè)置Z軸方向重力場(chǎng)g值為-9.81。

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

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

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

3.1 拉瓦爾管結(jié)構(gòu)提高空氣流量效果分析

本研究設(shè)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(jìn)口和出口直徑為40 mm不變(下同)，在管路中設(shè)置一簡(jiǎn)化拉瓦爾管結(jié)構(gòu)，對(duì)比裝置內(nèi)溫度場(chǎng)圖如圖3所示。

圖3 拉瓦爾管結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)管內(nèi)溫度分布影響

由圖可見(jiàn)：該結(jié)構(gòu)使通風(fēng)管保溫能力大大提高。

對(duì)比裝置內(nèi)壓力場(chǎng)圖如圖4所示。

圖4 拉瓦爾管結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)管內(nèi)壓力分布影響

由圖可見(jiàn)：由于該結(jié)構(gòu)使管內(nèi)空氣局部加速，使裝置吸附容腔中產(chǎn)生一較大負(fù)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(duì)流量的影響

本研究設(shè)置拉瓦爾噴管喉部相對(duì)通氣管入口高度為120 mm不變，分別設(shè)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(fēng)管出口截面流量關(guān)系圖，如圖5所示。

圖5 拉瓦爾管喉部直徑與通風(fēng)管出口截面流量關(guān)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(fēng)管出口截面流量產(chǎn)生相似的關(guān)系：喉部直徑過(guò)大或過(guò)小時(shí)，提高流量的效果均不佳，在喉部直徑為20 mm時(shí)流量最大，達(dá)到9.43 mg/s(393 K)，且喉部直徑從16 mm變化至28 mm對(duì)流量影響不大。相同結(jié)構(gòu)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(yīng)原理解釋，裝置內(nèi)外空氣溫度差越大對(duì)應(yīng)密度差也越大，主動(dòng)通風(fēng)能力更強(qiáng)。

本研究分別對(duì)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(duì)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(duì)壓力分布影響

對(duì)于20 mm和28 mm兩種喉部直徑的拉瓦爾管，其內(nèi)部溫度與壓力分布幾乎相同，故流量也所差無(wú)幾。12 mm直徑過(guò)小，盡管管內(nèi)溫度保持效果很好，但過(guò)小的喉部直徑限制了空氣流出，吸附容腔無(wú)法形成理想的負(fù)壓區(qū)。36 mm直徑則過(guò)大，管內(nèi)空氣散熱過(guò)快使通氣管進(jìn)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(duì)20 mm直徑對(duì)應(yīng)流量峰值均有較大差距。

3.3 喉部高度對(duì)流量的影響

本研究設(shè)置拉瓦爾噴管喉部直徑為20 mm不變，分別設(shè)置喉部截面相對(duì)通風(fēng)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(fēng)管出口截面流量關(guān)系，如圖8所示。

圖8 拉瓦爾管喉部截面高度與通風(fēng)管出口截面流量關(guān)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(fēng)管出口截面流量產(chǎn)生相似的關(guān)系：在喉部截面高度為120 mm時(shí)流量最大，且喉部高度從80 mm變化至130 mm對(duì)流量影響不大，但當(dāng)高度提高至140 mm時(shí)流量產(chǎn)生較大衰減。

本研究分別對(duì)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(duì)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(duì)壓力分布影響

對(duì)于80 mm、100 mm和120 mm 3種喉部高度的拉瓦爾管，其內(nèi)部溫度與壓力分布幾乎相同，故流量也所差無(wú)幾。140 mm高度過(guò)大，導(dǎo)致擴(kuò)散管部分?jǐn)U張角過(guò)大，影響了管內(nèi)空氣流速和負(fù)壓力區(qū)域形成。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了將簡(jiǎn)化拉瓦爾管導(dǎo)流結(jié)構(gòu)應(yīng)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(gòu)建了仿真模型并對(duì)不同喉部直徑和喉部截面高度影響裝置內(nèi)空氣流動(dòng)的效果進(jìn)行數(shù)值模擬并得到了以下結(jié)論：

(1)簡(jiǎn)化拉瓦爾管導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的通氣管路相比傳統(tǒng)直筒式通氣管路，其內(nèi)部熱空氣保溫性能更好，使其管路內(nèi)空氣平均密度更低，內(nèi)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(fù)壓力區(qū)域的形成，能夠有效提高裝置內(nèi)空氣流量約50%；

(2)通過(guò)控制喉部直徑和喉部截面高度可以調(diào)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(dá)到最優(yōu)。一般情況下，喉部直徑設(shè)置為通氣管進(jìn)出口直徑的0.5至0.7倍，喉部截面高度設(shè)置為通氣管總高度的0.6至0.8倍時(shí)，空氣流量處于理想范圍內(nèi)。

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