王 晶 ，徐向華 ，李西園 ，陶 濤 ，裴一飛

（1.可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；3.清華大學(xué) 航天航空學(xué)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(huán)境供航天員工作、生活。而密封艙由于運(yùn)行在空間微重力環(huán)境中，其內(nèi)部無(wú)法形成自然對(duì)流。因此，載人航天器密封艙必須利用風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇等通風(fēng)設(shè)備使空氣強(qiáng)迫對(duì)流[1]，以帶走乘員、設(shè)備產(chǎn)生的廢熱和污染物，并維持艙內(nèi)適宜的溫度、濕度和風(fēng)速分布。研究密封艙內(nèi)的通風(fēng)換熱特性對(duì)于設(shè)計(jì)艙內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)乃至航天器的環(huán)控生保系統(tǒng)都具有重要的意義。

空間微重力環(huán)境下密封艙內(nèi)部的傳熱、傳質(zhì)情況與地面重力環(huán)境下存在很大不同，沒(méi)有“冷風(fēng)下墜”或者“熱羽流”現(xiàn)象[2]。目前在密封艙內(nèi)空氣傳熱的相關(guān)研究和工程中應(yīng)用的方法主要有數(shù)值模擬和模擬試驗(yàn)。數(shù)值模擬主要是通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法，采用商業(yè)流體模擬軟件對(duì)密封艙內(nèi)的空氣流動(dòng)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值求解，進(jìn)而分析其特性。針對(duì)方形空間內(nèi)空氣流動(dòng)傳熱受浮力和剪切力的影響，Tian 等人[3-4]展開(kāi)了大量的數(shù)值分析研究。數(shù)值模擬方法簡(jiǎn)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(zhǔn)確性需要 通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。而模擬試驗(yàn)的難點(diǎn)是消除重力對(duì)對(duì)流換熱的影響。在地面產(chǎn)生微重力環(huán)境的常規(guī)手段（如落塔、探空火箭、飛機(jī)拋物線飛行等）不但費(fèi)用很高，而且所能夠提供的連續(xù)的微重力時(shí)間較短，難以進(jìn)行換熱試驗(yàn)。因此，目前所采用的消除重力影響的對(duì)流換熱試驗(yàn)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(zhǔn)則數(shù)的基礎(chǔ)上調(diào)整幾何和邊界條件，以達(dá)到削弱自然對(duì)流的作用，使得在地面試驗(yàn)中得到與微重力條件下相似的流體流動(dòng)和傳熱結(jié)果[5-7]。它的缺點(diǎn)是需要建立較小的模型，因而難以操作。減壓法則通過(guò)降低密封艙內(nèi)壓力、增加流體流速的方式抑制自然對(duì)流換熱[8-9]，并且可以針對(duì)原型艙進(jìn)行試驗(yàn)，因此實(shí)際應(yīng)用較多[10-11]。減壓法一般要求密封艙內(nèi)壓力降低到0.3 個(gè)大氣壓才能夠認(rèn)為已將自然對(duì)流抑制到可以忽略的程度，這給試驗(yàn)的進(jìn)行帶來(lái)了困難。

近年來(lái)隨著航天器的大型化，使得在環(huán)境模擬器中進(jìn)行密封艙的熱試驗(yàn)越來(lái)越少，而在常壓環(huán)境中進(jìn)行熱試驗(yàn)的需求增長(zhǎng)迅速。但是航天器密封艙設(shè)計(jì)為只能承受正壓而不能承受負(fù)壓，在常壓環(huán)境中進(jìn)行熱試驗(yàn)無(wú)法采用減壓方法抑制艙內(nèi)的自然對(duì)流，因此有必要研究在地面常壓熱試驗(yàn)中重力對(duì)艙內(nèi)空氣對(duì)流換熱的影響，并根據(jù)這種影響的特點(diǎn)提出試驗(yàn)方法或者對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的修正方法[12]。

本文以一個(gè)簡(jiǎn)化的航天器密封艙內(nèi)的空氣對(duì)流換熱為分析對(duì)象建立數(shù)值模型，并針對(duì)幾種典型通風(fēng)工況模擬有無(wú)重力時(shí)艙內(nèi)的溫度場(chǎng)和換熱量的差別，分析重力對(duì)艙內(nèi)空氣換熱的影響特點(diǎn)。

1 模型的建立與計(jì)算設(shè)置

1.1 幾何模型

本文研究的對(duì)象包括一個(gè)長(zhǎng)方體的密封艙（以下稱試驗(yàn)艙）和一個(gè)接近立方體的氣閘艙，其外形見(jiàn)圖1。試驗(yàn)艙長(zhǎng)5.5 m，橫截面為正方形，邊長(zhǎng)2 m，有10 對(duì)進(jìn)風(fēng)口和10 對(duì)出風(fēng)口。進(jìn)風(fēng)口位于艙體上方的兩個(gè)角部，出風(fēng)口位于艙體下方的兩個(gè)角部，與側(cè)壁均成45°角。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的尺寸均為寬0.2 m，長(zhǎng)0.25 m。氣閘艙邊長(zhǎng)1.5 m，其頂壁有1個(gè)進(jìn)風(fēng)口。試驗(yàn)艙與氣閘艙間支持艙間通風(fēng)，其通風(fēng)方式為將一部分從試驗(yàn)艙出風(fēng)口送出的空氣輸送到氣閘艙的進(jìn)風(fēng)口，氣流進(jìn)入氣閘艙后再經(jīng)過(guò)氣閘艙與試驗(yàn)艙的連接處返回試驗(yàn)艙。

圖1 試驗(yàn)艙與氣閘艙的結(jié)構(gòu)外形Fig.1 Configuration of the experimental cabin and the airlock cabin

1.2 數(shù)學(xué)模型

密封艙內(nèi)空氣的流動(dòng)和傳熱過(guò)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(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

湍流方程（以RNGκ-ε為例）：

1.3 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

本文采用商業(yè)CFD 軟件FLUENT 6.3.26 來(lái)模擬密封艙內(nèi)的空氣流動(dòng)和傳熱，所模擬的區(qū)域包括圖1所示的全部區(qū)域。對(duì)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口分別采用速度入口邊界條件和出口邊界條件，為了計(jì)算的穩(wěn)定，需要給進(jìn)口和出口分別增加一段等截面的進(jìn)口段和出口段，參見(jiàn)圖1。

用GAMBIT 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。進(jìn)風(fēng)口處的截面網(wǎng)格見(jiàn)圖2，在進(jìn)出口和邊界處進(jìn)行適當(dāng) 的加密。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終采取的網(wǎng)格劃分方案為：試驗(yàn)艙橫截面上的網(wǎng)格間距為2 cm，進(jìn)出口加密1 倍，軸向網(wǎng)格間距為5 cm；氣閘艙截面的網(wǎng)格數(shù)與試驗(yàn)艙相同。網(wǎng)格總節(jié)點(diǎn)數(shù)為285 萬(wàn)。

圖2 試驗(yàn)艙進(jìn)風(fēng)口處的截面網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshes of the air inlet section of the experimental cabin

1.4 邊界條件與計(jì)算設(shè)置

所采用的求解模型和邊界條件設(shè)置如下。

1）湍流模型：RNGκ-ε模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；

2）空氣密度模型：不可壓縮理想氣體；

3）試驗(yàn)艙進(jìn)風(fēng)口：速度入口邊界，給定溫度；

4）試驗(yàn)艙出風(fēng)口：出口邊界，左右兩側(cè)出口流量相等；

5）氣閘艙進(jìn)風(fēng)口：速度入口邊界，溫度等于試驗(yàn)艙出風(fēng)口的平均溫度，利用用戶自定義函數(shù)（UDF）統(tǒng)計(jì)得出；

6）試驗(yàn)艙壁面：溫度邊界，設(shè)置為27 ℃；

7）氣閘艙壁面：絕熱邊界。

壁面間還會(huì)產(chǎn)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(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，考慮輻射換熱與不考慮輻射換熱對(duì)模擬結(jié)果的影響可以忽略，因此在本文數(shù)值模擬中不考慮此項(xiàng)。

在FLUENT 中的求解器設(shè)置如下。

1）求解器類型：基于壓力的隱式穩(wěn)態(tài)求解器。

2）壓力-速度耦合方法：SIMPLEC。

3）離散格式：壓力在無(wú)重力時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)格式，有重力時(shí)采用PRESTO!格式；動(dòng)量方程和湍流方程采用二階迎風(fēng)格式；能量方程采用QUICK 格式。

4）松弛因子：當(dāng)壓力采用標(biāo)準(zhǔn)離散格式時(shí)，各松弛因子均采用默認(rèn)值；當(dāng)壓力采用PRESTO!離散格式時(shí)，壓力的松弛因子改為0.7，動(dòng)量方程的松弛因子改為0.3。

2 模擬結(jié)果及分析

為分析不同工況下重力對(duì)密封艙內(nèi)空氣對(duì)流換熱的影響，本文模擬了表1所示的4 種工況。其中，通風(fēng)流量是指試驗(yàn)艙的總進(jìn)風(fēng)流量，轉(zhuǎn)移流量是指從試驗(yàn)艙轉(zhuǎn)移到氣閘艙的流量。工況2 中試驗(yàn)艙和氣閘艙之間沒(méi)有通風(fēng)；工況4 中的通風(fēng)流量和轉(zhuǎn)移流量均減小一半。

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

4 種工況下、有無(wú)重力時(shí)，艙內(nèi)平均溫度的模擬結(jié)果見(jiàn)表2。由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，有重力時(shí)自然對(duì)流增大了壁面的對(duì)流換熱量，導(dǎo)致艙內(nèi)平均溫度升高。對(duì)比工況1 和工況2 可見(jiàn)，當(dāng)有艙間通風(fēng)時(shí)，艙內(nèi)平均溫度受重力影響更小。工況3 的進(jìn)風(fēng)溫度高、與壁面溫差小，艙內(nèi)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(nèi)平均溫度受重力影響變大。

表2 艙內(nèi)平均溫度的模擬結(jié)果對(duì)比Table 2 Simulation results of average temperature inside the cabins 單位：℃

4 種工況下、有無(wú)重力時(shí)，試驗(yàn)艙壁面換熱量的模擬結(jié)果見(jiàn)表3。由表中數(shù)據(jù)可知，壁面換熱量受重力的影響較大。對(duì)于左右壁面，正常通風(fēng)量（工況1、2、3）時(shí)，重力引起的自然對(duì)流使得有重力時(shí)的換熱量比無(wú)重力時(shí)的增加了約50%；減半通風(fēng)量（工況4）時(shí)，自然對(duì)流在空氣流量中的占比增加，使得有重力時(shí)的換熱量比無(wú)重力時(shí)的增加了約90%。地板的換熱量在有重力時(shí)也比無(wú)重力時(shí)的有所增加，但增加量較小，正常通風(fēng)量時(shí)不超過(guò)15%，減半通風(fēng)量時(shí)約為21%。頂壁的換熱量則是在有重力時(shí)小于無(wú)重力時(shí)，降幅可達(dá)30%左右。這是由于在有重力時(shí)熱空氣上浮，試驗(yàn)艙頂部的氣溫升高，使得頂壁與空氣的溫差減小，導(dǎo)致?lián)Q熱量減小。

表3 試驗(yàn)艙壁面換熱量的模擬結(jié)果對(duì)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(nèi)空氣溫度受重力影響的分布，將試驗(yàn)艙和氣閘艙均沿軸向按0.5 m 的間隔劃分為若干區(qū)域，每塊區(qū)域又按對(duì)稱線劃分為4 個(gè)象限單元。試驗(yàn)艙有12 個(gè)軸向區(qū)域，48 個(gè)單元；氣閘艙有4 個(gè)軸向區(qū)域，16 個(gè)單元。4 種工況下各區(qū)域空氣溫度受重力影響沿主軸（z軸）的分布見(jiàn)圖3。圖中，z=0～16 表示由圖1所示氣閘艙前端部至試驗(yàn)艙后端部依次排列的16 個(gè)軸向區(qū)域。 圖3各分圖中的上圖表示各區(qū)域上部的2 個(gè)象限單元的溫差（有重力時(shí)與無(wú)重力時(shí)的單元平均溫度之差），下圖表示各區(qū)域下部的2 個(gè)象限單元的溫差。

圖3 重力對(duì)艙內(nèi)各區(qū)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(jiàn)，各工況下平均溫度受重力影響在艙內(nèi)各區(qū)域分布比較均勻，上部和下部也沒(méi)有明顯的差別。工況1 中試驗(yàn)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?yàn)闅忾l艙內(nèi)的氣流速度高，受迫對(duì)流換熱強(qiáng)，自然對(duì)流在空氣流量中的占比小。當(dāng)沒(méi)有艙間通風(fēng)（工況2）時(shí)，試驗(yàn)艙的溫差有所增加，而氣閘艙內(nèi)的溫差更是增大了2 倍以上，超過(guò)了試驗(yàn)艙。工況3的進(jìn)風(fēng)溫度高、與壁面的溫差減小，自然對(duì)流的影響也相應(yīng)減弱，因此重力對(duì)單元溫度的影響也大幅度降低。當(dāng)通風(fēng)量減半（工況4）時(shí)，受迫對(duì)流換熱強(qiáng)度下降，自然對(duì)流在空氣流量中的占比增大，因此重力對(duì)空氣溫度的影響相應(yīng)增大，試驗(yàn)艙內(nèi)單元平均溫度有無(wú)重力時(shí)的溫差達(dá)到1.5 ℃，氣閘艙的也超過(guò)了1 ℃。

重力使得熱空氣上浮、冷空氣下沉；但由于艙內(nèi)通風(fēng)的方向?yàn)樯线M(jìn)下出，與自然對(duì)流的方向相反，因此會(huì)減弱空氣的上下分層現(xiàn)象。圖4是工 況1 中豎直中心截面的溫度分布，可見(jiàn)溫度的上下分層不明顯，但在有重力時(shí)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(wú)重力時(shí)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，重力的影響主要表現(xiàn)在密封艙側(cè)壁面換熱量的增加，同時(shí)艙內(nèi)的流場(chǎng)也發(fā)生了變化。有重力時(shí)，在兩個(gè)側(cè)壁附近產(chǎn)生了上升流動(dòng)，因而在側(cè)壁附近形成了渦流，總體上增強(qiáng)了空氣的流動(dòng)，擾亂了流場(chǎng)，使流場(chǎng)的不對(duì)稱性增加。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)化的航天器密封艙內(nèi)通風(fēng)換熱進(jìn)行建模和數(shù)值模擬，分析了重力對(duì)壁面換熱量、區(qū)域平均溫度分布及艙內(nèi)流場(chǎng)的影響，得到如下主要結(jié)論：

1）重力對(duì)壁面換熱量的影響較大。有重力時(shí)，自然對(duì)流增加了側(cè)壁和地板的換熱量，而頂壁的換熱量減小。有無(wú)重力的換熱量差別隨著進(jìn)風(fēng)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(shí)增加的壁面換熱量使得艙內(nèi)平均溫度升高，但在所研究參數(shù)范圍內(nèi)的升高幅度小于1.5 ℃。重力對(duì)區(qū)域溫度影響的空間分布比較均勻。艙間通風(fēng)能夠減弱重力對(duì)艙內(nèi)空氣溫度的影響。有無(wú)重力時(shí)的艙內(nèi)空氣溫度差隨進(jìn)風(fēng)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(huán)境中進(jìn)行密封艙內(nèi)通風(fēng)換熱試驗(yàn)時(shí)，重點(diǎn)需要對(duì)壁面換熱量進(jìn)行修正。在此前提下，艙內(nèi)空氣溫度分布可認(rèn)為與微重力條件下差別不大。

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