流道弯曲度对微重力膜式水气分离性能的影响

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1、2016年8月第42卷第8期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsAugust2016V01．42No．8http：ffbhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0533流道弯曲度对微重力膜式水气分离性能的影响张文伟1，柯鹏2，。(1．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083；2．北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京100083)摘要：开展微重力膜式水气分离性能仿真研

2、究，对水气分离技术设计与优化具有重要意义。针对微重力入口边界气液界面多尺度问题(入I：／流型问题)提出了基于界面概率近似方法的欧拉双流体模型，采用动量源项法解决几何多尺度问题(分离膜边界问题)，为仿真研究提供了有效的入口及渗透边界。研究了典型工作参数下流道弯曲度对膜分离性能的影响，并从流动形态和作用力贡献2个方面分析了影响机理。结果表明：膜分离性能随流道弯曲度增大而降低，影响程度与入口含气率相关；直流道适于选作膜式静态水气分离器主要流道形式。关键词：微重力；膜分离；气液两相流；双流体模型；动量源项中图分类号：V19；0359．1文献标识码：A文章编号：1001

3、—5965(2016)08-1639—10微重力水气分离技术是环境控制与生命保障系统为载人航天提供水和空气保障的关键技术之一。膜式静态水气分离器效率高，功耗小，没有降低可靠性的运动部件。美国、俄罗斯和欧洲太空局均已研制出相应的产品，并成功应用于国际空间站环控生保系统⋯。在各国研制新一代环控生保系统的背景下，技术或单机小型化、轻量化的需求13益强烈。由于膜式水气分离依靠膜的选择渗透性实现分离，与膜一液接触面积、膜两侧局部压差相关，开展流道弯曲度对微重力膜式水气分离性能影响的基础研究，对中国载人航天环控生保系统水气分离技术设计与预研具有重要的工程意义。膜式水气分离

4、器仿真涉及人口流型问题和分离膜边界问题。由于缺乏实验数据和理论认识，难以给出仿真所需的真实的微重力条件下气液两相流动人13边界。如何从平均的两相流动参数计算得到具有几何尺度的气液界面，是一个特殊的气液界面多尺度问题。传统的气液两相流仿真模型，例如流体体积法(VolumeofFluid，VOF)、欧拉双流体模型(Two．FluidModel，TFM)，源于网格尺度制约、模型边界缺少，难以解决人EI边界的可计算性问题旧1。针对气液两相流界面多尺度问题，研究者发展出TFM嵌入式"。71和耦合式模型旧引。从模型实现和应用的角度出发，TFM嵌入式比耦合式模型更为简便，通

5、用性更好，然而前者在锐化和捕捉大尺度界面时也具有一定的不确定性。同时，斗m量级的膜厚使处理分离膜边界问题时难以建立真实的几何模型，需借助数学模型描述膜特性，以此作为水气两相在流道中的物理边界条件。Vieira等¨训在油水分离仿真研究中采用动量源项法实现陶瓷膜中两相渗透过程，但未体现膜的选择性。孙春平等⋯1在膜式静态水气分离仿真研究中采用质量源项法描述膜的单相渗透过程，但未考虑膜渗透过程反过来对膜附近局部压力、速度的影响，且未考虑两相流动情况。收稿日期：2015-08．18；录用日期：2015-09-18；网络出版时间：2015—10-0915：55网络出版地址

6、：www．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151009．1555．009．html基金项目：国家“973”计划(2012CB20100)}通讯作者：Tel．：010．82316627E·mail：P．ke@buaa．edu．cn引用格式：张文伟，柯鹏．流道弯曲度对微重力膜式水气分离性能的影响ⅣJ．北京航空航天大学学报，2016，42(8)：1639—1648．ZHANGWW，KEP．Impactofchannelcurvatureonmicrogravitymembranegas—liquidseparationperform

7、ance[J]．JoumalofBei-ringUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(8)：1639—1648(inChinese)．1640北京航空航天大学学报本文提出基于界面概率近似方法的欧拉双流体模型(EulerianTwo—FluidModelwithanInterfaceProbabilityApproximationMethod，TFM—IPAM)解决气液界面多尺度问题，为膜式水气分离仿真提供合理的入口流型，同时为避免几何多尺度问题，提出动量源项法模拟膜选择与渗透特性，开展微重力膜式水气分离仿

8、真研究，重点研究在典型结构和工作参数下