载人航天器密封舱CO2扩散规律仿真研究.pdf

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1、第30卷第3期航天器环境工程20l3年6月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING263载人航天器密封舱C02扩散规律仿真研究姚峰，魏传锋，王珍，李酷(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)摘要：文章以载人航天器密封舱为研究对象，采用“￡湍流模型、组分输运模型及自定义函数边界对空间站密封舱内航天员代谢产物C02的分布规律进行了数值仿真，结果表明：45。角送风及舱间通风交换方案形成的流场可以保证舱内C02成分的有效传质，航天员两侧舱壁附近的C02浓度相对较高，异舱放置C02净化设备的方法可以满足C02控制需求。研究结果可以为载人航天器C02传感器

2、以及净化装置的布置以及通风形式的优化提供参考。关键词：载人航天器；二氧化碳流场；扩散分布；仿真中图分类号：V423．7：V444．3：V476文献标志码：A文章编号：1673—1379(2013)03—0263—06DOI：10．3969巧．1ssn．1673‘1379．2013．03．0080引言空间站密封舱是典型的密闭环境，舱内大气除了N2、02及水蒸气等必要成分外，还存在C02等污染成分，而C02在密封舱内的积累将严重威胁航天员的生命安全，因此各航天国家和机构均对载人航天器密封舱内大气的C02体积分数及分压进行了严格限定，并积极研究载人航天器密封舱内C02的流场分布与去除方式

3、【l圳。微重力环境下气体的自然对流作用较为微弱，载人航天器通风系统形成的强迫对流流场对C02在密封舱内的分布有很大影响，郑忠海等人【5J对方腔的侧上送／侧下回通风方式的舱内强迫对流流场分布情况进行了研究；付士明等人【6J对空间站密封舱通风系统不同送风方式的舱内流场分布进行了数值仿真研究；姬朝月等人【7J通过CFD计算，对方腔空间在4种不同送风形式下的C02扩散规律进行了研究，得出了不同送风形式对C02分布的影响。需要指出的是，上述文献仅对空间站密封舱的通风气流组织形式，以及无C02净化系统下的C02排放分布规律进行了研究，尚未对具备C02净化处理能力的密封舱内C02的分布进行研究。

4、C02的分布状况与航天员位置、航天员运动负荷大小、空间站通风系统气流组织形式以及C02净化装置的处理能力和空间布局等一系列影响因素有关。本文依据付士明等人【6J的研究成果，确定了450角送风方向的通风系统模型，并增加了C02净化系统模型和航天员C02代谢模型，通过CFD仿真得出空间站密封舱内C02的分布规律，可以为空间站C02浓度监测及控制提供相应的设计参考。1密封舱内C02流场建模1．1舱内C02流动循环密封舱CO，流动循环如图1所示。图1C02净化系统不意Fig．1C02purificationsystem从图1可以看出，C02净化设备与航天员位于不同的舱段，空气净化过程为：舱

5、段a中的航天员身体代谢排出的C02在本舱段通风系统的传质作用下均匀分布于舱内：舱段b中的C02净化设备将处理过的部分新风通过舱间通风管道汇入舱段a的送风管道，混合后再由送风口送入舱段a，以稀释舱段a中的高浓支C02；舱段a中的部分空气通过两舱间的回风通道被送入舱段b，再经C02净化收稿日期：2013．02．21；修回日期：2013-05-13基金项目：国家重大科技专项工程作者简介：姚峰(1982一)，男，博士学位，高级工程师，主要从事载人航天器载人环境研究。E—mail：yaofen95372@163．com。264航天器环境工程第30卷设备进行净化处理。1．2描述舱内C02流动的

6、空气流动方程本文采用三维肛s湍流模型及组分输运模型，并基于所求解问题的特点以及各种参数变量对求解变量的影响程度，作下列简化假设：1)密封舱内的空气流动为稳态湍流运动；2)考虑到密封舱内空气流动的低速特性，忽略由于流体黏性力做功引起的热量耗散；3)忽略密封舱壁间的辐射换热，并认为舱内空气为辐射透明介质。因此，载人密封舱内空气的流动、传热以及组分传递所使用的方程如下。连续性方程为塑：0，(1)瓠f式中：xj为笛卡尔坐标系的3个坐标方向(相当于x、Y、z)，i=1，2，3；zff为3个坐标方向上的速度分量。动量方程为苦㈨一卜毒cp+和+驰Ⅵ夸知盱聊g]，(2)式中：P、P分别为空气密度和

7、压力；xj为笛卡尔坐标系的3个坐标方向，j=l，2，3；小∥。分别为层流黏性系数和湍流黏性系数，∥。印q萨尼，其中，￡为湍流动能耗散率，G为经验常数，取0．09；卢为体积膨胀系数：死和丁分别为密封舱送风口出风温度与密封舱内空气温度；g为重力加速度；七为湍流动能系数。能量方程为丢c鹏D2毒【-c鲁+尝，篝J+号，c3，式中：所为普朗特数；听为经验常数，取0．9；q为热流密度；岛为空气的定压比热容。组分方程为毒c腭c，=毒cc志+≯筹，+慧。c4，式中：尺P为雷诺数；&为