蘇引引,吳 笛,段 俐,康 琦,呂佩師,許 升,勞春峰,宋華誠,張靜靜
(1.中國科學院力學研究所國家微重力實驗室,北京100190;2.青島海爾智能技術研發(fā)有限公司,青島266101)
換洗衣物的處理給航天員空間站長期駐守帶來很大挑戰(zhàn),大多時候,特別是航天員中短期空間飛行需要換洗的衣服當垃圾進行處理。但是衣服的一次性使用將帶來極大的資源浪費,按三人在軌飛行180天計算,如采用一次性服裝,共需消耗服裝300 kg左右,而通常發(fā)射1 kg的物品耗費至少1萬美金[1]。為了滿足航天員太空長期生活對服裝生理和心理上的需求,衣服的清洗和重復利用研究具有十分重要的意義。因此,設計一款能耗低、易操控、結構簡單和安全性高的空間洗衣機具有重要的實用價值。
空間微重力環(huán)境,重力水平是地球表面重力g的10-3~10-6倍,在極低重力水平情況下甚至達到可以忽略的地步,此時表面張力會占主導地位,而微弱的表面張力使流體位形在外力作用下極易發(fā)生變化,因此空間流體管理與控制是一個重要而又復雜的問題[2]。如圖1所示,航天員在國際空間站上擰毛巾[3],毛巾中的液體不再同地面受到重力作用一樣自由下落,而是在液體表面張力和粘性力的作用下附著在毛巾表面,這種現(xiàn)象導致微重力環(huán)境下衣物脫水過程帶來困難。同時微重力環(huán)境下重力引起的浮力效應消失導致氣體和液體混合在一起,如何實現(xiàn)有效的氣液分離是清洗衣物亟待解決的問題。
圖1 航天員在空間站上擰毛巾[3]Fig.1 Astronaut wringing towels on space station[3]
1990年,美國宇航局(NASA)與俄勒岡州UMPQUA研究公司簽訂合同共同開發(fā)一款新型的太空洗衣機SinglePhaseSpaceMachine(SPSM)[4],如圖2 所示。 SPSM 在衣物清洗過程中采用排除容器中氣體保留單相液體清洗解決了氣液混合問題,利用微波干燥減少能耗。通過內(nèi)部囊膨脹排氣,往內(nèi)腔充滿洗滌液,通過活塞的上下運動使衣服翻滾,最后再次通過內(nèi)部囊膨脹排除廢水,利用微波干燥達到清潔衣服的目的。1993年,UMPQUA又提出了一種改進型的單相液體洗衣機方案 Single Phase Space Laundry(SPSL)[5]。2012年,美國德州農(nóng)機大學(TAMUK)的Victoria Bailey等開發(fā)了Gravity Independent Laundry System(GILS)[1],如圖3所示。 GILS 利用氣囊收縮擴張對衣物擠壓,水管噴水和循環(huán)加熱對衣物進行清潔,給出了微重力條件下的一套高效安全的洗衣流程。
圖2 UMPQUA開發(fā)的SPSM[4]Fig.2 SPSM designed by UMPQUA[4]
圖 3 TAMUK 開發(fā)的 GILS[1]Fig.3 GILS designed by TAMUK[1]
本文基于離心式錐形兩相洗衣機的設計方案,利用FLOW?3D流體力學軟件對微重力環(huán)境下洗衣機內(nèi)部流場進行數(shù)值仿真,針對失重條件下錐形桶內(nèi)的流體靜態(tài)分布、筒/波輪旋轉(zhuǎn)時的動態(tài)界面形貌和動態(tài)流場分布等關鍵的微重力流動管理問題[6]開展研究,得到洗衣機滾筒與波輪不同的運行工況的內(nèi)部流場分布規(guī)律,為微重力洗衣機的設計和性能優(yōu)化提供參考,為在軌清潔技術的開發(fā)提供建議。
本文提出一種適應微重力環(huán)境的離心式錐形兩相洗衣機方案,圖4為新型洗衣機簡圖。當洗滌桶旋轉(zhuǎn)時,離心力的作用使衣物和水匯集到波輪處,通過波輪與衣物之間的相對運動摩擦衣物達到清洗的目的。脫水過程中洗滌桶旋轉(zhuǎn),由于洗滌液密度大于內(nèi)部氣體密度,產(chǎn)生的較大離心力使液體靠近壁面通過上方的氣液出口流出,達到氣液分離的目的,而洗滌桶內(nèi)流體能否有效管理是這種新型洗衣機在微重力環(huán)境下能否達到其設計目的的重要保證。
圖4 離心式錐形兩相洗衣機模型Fig.4 Centrifugal cone?shaped two?phase washing machine
本文研究離心式錐形洗衣機在空間微重力下氣液界面的兩相流問題,計算模型如圖5。波輪半徑R1=155 mm,滾筒底部半徑R2=100 mm,滾筒高h=200 mm,初始時刻液體填充高度hw=68 mm。當波輪和洗滌筒分別以角速度ω1和ω2旋轉(zhuǎn),洗衣液隨著滾筒旋轉(zhuǎn),在粘性力的作用下流動,離心力沿滾筒壁面分量的作用使液體沿著滾筒壁接近波輪,最后滾筒和波輪共同作用于流體。數(shù)值計算基于以下基本假設:1)液體為不可壓縮流體,具有恒粘性,恒密度,不受溫度、時間的影響;2)不考慮容器與液體的熱交換;3)空間環(huán)境中的微重力水平在10-5~10-3g0。為了得到洗滌筒與波輪的不同運動方式對流場的影響,借鑒地面洗衣機的實際設計經(jīng)驗,選取了6種不同的工況進行計算,得到洗衣機靜態(tài)流場,以及滾筒和波輪不同的轉(zhuǎn)速、不同轉(zhuǎn)向下洗衣機動態(tài)流場,如表1所示。
圖5 洗衣機計算模型示意圖Fig.5 Calculation model of washing machine
表1 數(shù)值模擬不同的工況組合Table 1 Different working conditions of numerical sim?ulation
流場中的Bond數(shù)和 Reynold數(shù)分別如式
(1)、式(2):
其中,Δρ為界面分割的兩種不相容介質(zhì)的密度差,對于空氣?洗滌液來說,Δρ近似等于洗滌液的密度ρ,g是加速度,L是特征尺度,取滾筒底部半徑R2,σ是界面的表面張力,U取給定工況五滾筒壁面液體速度。洗衣液的物性參數(shù)如表2,其中表面張力系數(shù)和接觸角利用中國科學院力學研究所微重力實驗室全自動光學表面張力接觸角儀分別采用懸滴法和坐滴法測量[7]。為了便于與實驗結果對比,物性參數(shù)的測量基于PMMA(有機玻璃),表面張力系數(shù)測量精度為10-5N/m,接觸角精度為0.1°。
表2 計算模型中洗衣液的物性參數(shù)Table 2 The physical properties of fluid in calculation model
由式(1)可知Bo<1,模型中表面張力占有重要的作用,由式(2)可知Re=21 174,所以可以看成充分發(fā)展的湍流,因此模型中慣性力起重要作用。
基于2.1中給出的計算模型基本假設,可以得到不含能量方程的流體力學控制方程,如式(3)、式(4):
式中,v=(u,v,w)為流體運動的速度矢量,g為重力加速度矢量,g=-gez,ez為z方向的單位矢量,f為流場內(nèi)體積力項,p為壓強,ρ為流體密度,μ為流體的動力粘度系數(shù)。邊界條件如下:
1)洗滌桶和波輪處為固壁邊界條件,如式(5):
式中,n為固壁的單位法向量,包含垂直于波輪和洗滌筒壁面邊界的速度分量為零;
2)流體相對于壁面無滑移,即沿壁面兩個速度分量為0;
3)流體與壁面之間接觸角為0°;
4)在氣液界面上,滿足法向應力與切向應力平衡條件。
本文計算模型的求解方法是由Hirt和Nicho?las等人[8]提出的基于多相流體積分數(shù)方法(Mul?tiphase Volume of Fluid, VOF),通過對整個計算空間的某一相體積分數(shù)進行求解獲得空間某一相的分布,同時獲得相界面的所在位置。液相的體積分數(shù)滿足式(6)所示方程:
其中,F(xiàn) =F(x,y,z)為流體體積函數(shù),表示計算區(qū)域內(nèi)流體所占據(jù)的體積分數(shù)。若F=0,則該單元全部為氣相流體所占據(jù);F=1,該單元為液相流體占據(jù);當0<F<1時,則該單元為包含兩相物質(zhì)的交界面單元。
本文采用RNG k?ε湍流模型進行計算。RNG k?ε 模型[9?10]源于嚴格的統(tǒng)計技術,在更廣泛的流動中具有更高的可信度和精度。此外,由于計算模型中表面張力占有比重較大,所以計算網(wǎng)格采用六面體結構網(wǎng)格,計算域的網(wǎng)格總數(shù)為646 866個,網(wǎng)格平均間距為d1=3.33 mm。為了驗證網(wǎng)格無關性,取網(wǎng)格平均間距為d2=3.0 mm的劃分方式,洗衣機靜態(tài)流場工況的壓力場進行對比。當 t=1.2 s時,點(0.192,0.07,0.525)的壓強分別為 p1=0.2709 Pa,p2=0.2673 Pa。 其相對誤差為1.3%,可以認為計算結果對網(wǎng)格敏感性較低。
微重力下重力影響很小,表面張力和粘性力的作用使洗滌桶流場出現(xiàn)與地面環(huán)境不同的位形。計算內(nèi)部流場在微重力環(huán)境下的靜態(tài)分布,對錐形洗衣機進氣口、氣液出口和氣壓平衡口位置的選擇具有重要的意義。微重力環(huán)境下洗衣機開孔處由于尺度小,會產(chǎn)生表面張力驅(qū)動力使液體會流入進氣口和氣壓平衡口,影響洗衣機的正常使用。圖6是微重力環(huán)境下洗衣機底部填充液體后二維自由面重構和壓力場(中性截面)。
圖6 微重力條件下洗滌筒的自由面重構和壓力場Fig.6 Surface reconstruction of fluid and pressure of washing tubes in microgravity
微重力條件下,洗衣機底部液體沿著滾筒壁向上爬升在滾筒的中間形成一個凹的自由氣液分界面。液體在表面張力的作用下,在液面內(nèi)外會有壓力差,形成附加壓強Δp,圖7為表面張力引起的附加壓力。
圖7 表面張力引起的附加壓力Fig.7 Additional tension caused by surface tension
其中,R1和R2是液面的主曲率半徑,P1和P2分別為氣液內(nèi)部壓強,由 Young?Laplace公式[2]得到式(7):
ΔP為氣液之間壓差。洗滌筒的液面可以近似看成球形的,即R1=R2=R。那么靠近洗滌筒中心液面壓力差ΔP內(nèi)和靠近筒壁的液面壓力差ΔP外,如式(8):
所以毛細驅(qū)動力如式(9):
由圖6可以看出,由于靠洗滌筒越近液面的曲率半徑R外越小,會產(chǎn)生向外的表面張力驅(qū)動力ΔPdrive。當t=1.2 s時,通過云圖可以得到靠近旋轉(zhuǎn)軸的液體與靠近洗滌筒壁面壓強差ΔPdrive=1.77 Pa。在表面張力產(chǎn)生的驅(qū)動力和粘性力作用下,液體會逐漸浸潤整個洗滌筒壁面,當t=12 s時,液體將氣體包裹在洗衣機中心區(qū)域。由于洗滌筒開孔處液體受到的表面張力較大,容易沿孔壁流動,為了防止液體從氣壓平衡口和氣口進入外部的氣管而影響洗衣機正常使用,在洗滌筒氣口的末端(靠近洗滌筒壁處)設計成如圖8的結構,并且在楔形處采用與洗衣液接觸角大的材料以抑制液體的浸潤,減少液體進入氣孔。
圖8 氣口處的楔形結構導管Fig.8 The wedge?shaped wedge structure in the air pressure balance
3.2.1 波輪、洗滌筒單方向旋轉(zhuǎn)
微重力環(huán)境下,洗衣機洗滌時內(nèi)筒旋轉(zhuǎn),離心力使衣物和水靠近波輪,波輪相對內(nèi)筒轉(zhuǎn)動,通過波輪與液體以及衣物之間的相對運動摩擦衣物達到清洗的目的。然后波輪與內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)方向改變,使衣物脫離波輪,隨后再次接觸波輪,以便衣物與波輪充分接觸提高清洗效果。通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力克服微重力下衣物不能接觸波輪導致的機械摩擦力小、洗凈度低的問題。
圖9是工況二時微重力條件下的流場分布,紅色代表液體,藍色代表氣體,截面尺寸與圖6一致。波輪和洗滌筒沿著不同方向轉(zhuǎn)動,穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速 ω1=120 r/min,ω2= -300 r/min,初始時刻洗滌筒波輪的加速為0.3 s,轉(zhuǎn)動停止時減速時間0.3 s,總的計算時間為8 s。
如圖9,相比于洗衣機靜態(tài)流場,洗滌筒從開始運動0.8 s后液體就流到波輪處。在波輪和洗滌筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,當t=3.2 s時,洗衣機流場在滾筒和波輪的共同作用下達到動態(tài)平衡,液體會大部分集中在洗滌筒和波輪結合處,這樣在洗滌過程中會使衣物與波輪充分接觸,增加摩擦時間提高洗滌效果,在脫水過程中,將出液口設計在結合部更有利于液體流出洗衣機內(nèi)腔。當t=4.0 s、5.6 s、7.2 s時,當洗滌筒流場達到動態(tài)平衡后,氣液界面會形成一個穩(wěn)定的直徑為D的圓柱形液面,8 s左右的時候由于洗滌筒轉(zhuǎn)速降低,液體離心力變小,液體會沿著滾筒壁向下運動,液面直徑D會變大,液體會慢慢鋪滿整個洗滌筒壁。所以在條件允許的情況下盡可能提高洗滌筒的轉(zhuǎn)速,流體會更多地聚集在波輪附近,與衣物之間的交換越好,清潔效果也越好。
圖9 工況二洗衣機微重力條件下自由液面重構Fig.9 Surface reconstruction of fluid of Case II under micro?gravity
3.2.2 波輪、洗滌筒交替旋轉(zhuǎn)
流體旋轉(zhuǎn)運動和翻滾運動對洗衣機的性能產(chǎn)生重要影響[11]。流體只旋轉(zhuǎn)不翻滾,衣物膨潤不夠,舒展不開,沖擊無力,洗滌效果不好;如果只翻滾不旋轉(zhuǎn),同樣效果也不好;只有既旋轉(zhuǎn)又翻滾,才能沖擊摩擦有力,使洗衣機的綜合效能提高。圖10是工況三、工況四洗衣機洗滌筒波輪隨時間交替運動的轉(zhuǎn)速圖,波輪和洗滌筒的加速時間和減速時間均為0.3 s,總的計算時間為8 s,以研究微重力條件下流場的旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)運動。
圖10 工況三、工況四洗衣機波輪和洗滌筒轉(zhuǎn)速Fig.10 Velocity of washing tube and pulsator of Case III and Case IV
圖11 、圖12是工況三、工況四微重力條件下,洗衣機洗滌筒波輪隨時間交替運動的流場分布,紅色代表液相,藍色代表氣相??梢钥闯?,在t=0.8 s時,與波輪接觸的流體較少,波輪的旋轉(zhuǎn)對流體影響比較小,此時的液體位形基本一樣。在t=1.6 s時,明顯看到洗滌筒流場下部基本一致,上部當波輪洗滌筒同向轉(zhuǎn)動時,由于波輪的作用使上部圓柱氣液分界面直徑D明顯較大。在t=3 s時,洗滌筒和波輪轉(zhuǎn)速都變成0,液體內(nèi)部粘性耗散使流速降低離心力變小,流體會沿著滾筒壁向洗衣機底部運動,最終鋪滿整個滾筒內(nèi)壁。滾筒與波輪發(fā)生速度反轉(zhuǎn)后,反轉(zhuǎn)初始時刻靠近洗滌筒流體隨筒壁轉(zhuǎn)速快,內(nèi)部流體由于慣性速度比較慢,導致下部分的流體產(chǎn)生較大離心力而突然向上運動,最后形成t=4 s、7.2 s時流場的翻轉(zhuǎn),使衣物充分膨潤、舒展,提高衣物的清洗效果,同時避免了在清洗過程中只對衣物的某些部位作用而減少衣物的使用壽命。整個過程中流場發(fā)生2次流場翻轉(zhuǎn)。
此外,由于流場的翻轉(zhuǎn),較大的剪切力導致部分流體脫離流場發(fā)生了飛濺現(xiàn)象,這樣會大大提高洗衣過程中洗滌液對衣物的沖擊作用。但在衣物的脫水過程中,為使氣液分離更加徹底,保證不出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象,洗滌筒需按工況二單一方向運動。
圖11 工況三洗衣機微重力條件下自由液面重構Fig.11 Surface reconstruction of fluid of Case III under micro?gravity
圖12 工況四洗衣機微重力條件下自由液面重構Fig.12 Surface reconstruction of fluid of Case IV under micro?gravity
3.2.3 滾筒、波輪單一旋轉(zhuǎn)
從簡單機械力對洗衣機洗凈率與磨損率的影響來看,流體對衣物的沖擊力、彎曲力、拉伸力和摩擦力,是提高洗凈率和降低磨損率的重要因素。流體作用于衣物的各種機械力,在實際工作中是同時進行的。為了得到微重力條件洗衣機洗滌筒和波輪單一旋轉(zhuǎn)運動對流場的影響,工況五和工況六分別對波輪轉(zhuǎn)速 ω1= ±120 r/min、ω2=0 和ω1=0、ω2= ±300 r/min 進行計算,其中波輪和洗滌筒的加速時間和減速時間均為0.3 s。圖13和圖14為工況五、六微重力條件下的流場分布。
圖13中只有波輪運動時,當t=0.8 s時,表面張力的作用使流體向洗滌筒底部運動,波輪轉(zhuǎn)動速度并沒有對流場產(chǎn)生很大影響。0.8 s以后液體之間的粘性力使遠離波輪流體開始轉(zhuǎn)動,最后液體與波輪脫離。相對于工況三和工況四在t=1.6 s時,流體產(chǎn)生圓柱形氣液分界面,且直徑D3>D4,這說明波輪轉(zhuǎn)動會使流體脫離波輪,且波輪與洗滌筒同向轉(zhuǎn)動會加快脫離速度。波輪單獨運動時,整個過程中流場沒有發(fā)生翻轉(zhuǎn),波輪的運動對于流場翻轉(zhuǎn)沒有影響。
圖14中,工況六只有洗滌筒交替轉(zhuǎn)動,流場發(fā)生2次翻轉(zhuǎn),且洗滌筒內(nèi)部流場與工況三和工況四類似。這說明洗滌筒的運動對洗衣機流場分布有重要作用,且決定了流場的翻轉(zhuǎn)效應,而波輪的轉(zhuǎn)動只會影響流體脫離波輪的速度,對流場影響較小,其主要作用是與衣物摩擦而達到清潔的目的。
圖13 工況五洗衣機微重力條件下自由液面重構Fig.13 Surface reconstruction of fluid of Case V under micro?gravity
圖14 工況六洗衣機微重力條件下自由液面重構Fig.14 Surface reconstruction of fluid of Case VI under micro?gravity
3.3.1 洗滌筒、波輪對流場的力的作用
洗衣機通過波輪、洗滌筒的旋轉(zhuǎn),使洗滌液在桶內(nèi)形成渦流,迫使織物旋轉(zhuǎn)和翻滾,在織物和織物之間、織物和桶壁之間、織物和洗滌液之間產(chǎn)生摩擦力,同時織物在洗滌液中受到?jīng)_擊力、彎曲力、壓縮力和拉伸力,再加上洗滌液的去污作用,達到洗滌的目的[12]。流體作用于衣物的壓力是由洗滌筒和波輪傳遞的,作用于流場的力越大,流場作用于衣物產(chǎn)生的沖擊力越大,洗滌效果就越好[11]。因此得到不同工況下洗滌筒和波輪對流場的力對洗衣機的設計具有重要的意義。圖15和圖16分別是洗滌筒和波輪對流場產(chǎn)生的力。
從圖15、16對比可以看出,波輪和洗滌筒交替旋轉(zhuǎn)的情況下,工況三波輪洗滌筒的同向交替旋轉(zhuǎn)對流場的力F1、F2比工況四波輪洗滌筒的異向交替旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力都要略大。
圖16 波輪對流場產(chǎn)生的力Fig.16 The force generated by the pulsator
綜上所述,為了保證洗衣機在洗滌過程中既要增加對流場的力,又要保證必要的翻轉(zhuǎn)次數(shù)以提高對衣物的清潔效果,在洗滌過程中,洗衣機按照工況三的方式運行。而在洗衣機脫水氣液干燥的過程中,為了保證液體流出洗滌筒,在洗滌筒和波輪結合部設計出水口,并且洗衣機按照工況二方式運動,此時可以使波輪靜止不動。
3.3.2 洗衣機流場動能
離心式錐形洗衣機通過洗滌筒和波輪的運動帶動洗衣機內(nèi)流體運動,流體的運動不斷地沖擊衣物,使衣物翻轉(zhuǎn)、摩擦而達到清潔的目的。而流體對于衣物的作用能量來自于流場內(nèi)部的動能,運動流體動能越大,其對流場中的衣物沖擊越劇烈,衣物的洗凈效果就越好。因此可以用流場單位質(zhì)量的平均動能(Mean Kinetic Energy,MKE)來表征整個洗衣機內(nèi)部流場所具有的動能[13]。
圖17是工況三MKE隨時間的變化。圖中可以看出,平均動能在t=2 s左右達到最大,此時波輪和洗滌筒在第一個半周期同向轉(zhuǎn)動時間達到最大,流體平均速度達到最大。
圖17 工況三MKE隨時間的變化Fig.17 Changes of MKE over time in Case III
流體內(nèi)部微團之間的碰撞或混合愈劇烈,湍流程度愈大,局部摩擦力也愈大,這樣對衣物的清潔效果越好。而湍流的脈動強度可以通過湍流動能(Turbulent Kinetic Energy,TKE)來表征,如式(10)所示:
其中,u′、v′、w′是 x、y、z方向速度的脈動量。
圖18是工況三單位質(zhì)量流體TKE隨時間的變化??梢缘玫?,在t=4 s和t=7 s左右的時候,湍流動能較大,此時流體微團脈動量較大,對衣物的沖擊效果更好。從圖15、16、17、18工況三條件下洗衣機滾筒、波輪對流場力的作用、流場的MKE與TKE來看,由于滾筒波輪的周期性運動,使這些物理量呈現(xiàn)周期性變化,周期為外部輸入周期的一半,T=3.25 s。
圖19是洗衣機在工況三條件下t=7.2 s時中性截面處的湍動能與速度場分布??梢钥闯?,當t=7.2 s時,洗衣機內(nèi)部在靠近滾筒壁的湍動能和速度都最大,衣物受到的沖擊最大,洗衣效果也較好。
圖19 t=7 #x1001b1; 2 s時工況三湍動能與速度場分布Fig.19 Turbulent energy and velocity magnitude of Case III when t=7 #x1001b1; 2 s
本文基于離心式錐形兩相洗衣機的設計方案,針對失重條件下錐形桶內(nèi)的流體靜態(tài)分布、筒/波輪旋轉(zhuǎn)時的動態(tài)界面形貌和動態(tài)流場分布、波輪和洗滌筒對流場力的作用和微重力環(huán)境下洗衣機洗凈比等關鍵的微重力流動管理問題開展了研究,得到如下的結論:
1)微重力下錐形筒洗衣機靜態(tài)流場在表面張力驅(qū)動下沿著洗滌筒壁爬升,在氣壓平衡口處設計楔形氣口;
2)洗滌筒的交替旋轉(zhuǎn)使流場產(chǎn)生翻轉(zhuǎn),而波輪的轉(zhuǎn)動使流場脫離波輪接觸;
3)波輪和洗滌筒的同向交替轉(zhuǎn)動對流場的力要大于異向交替轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的力,在洗滌過程中的效果更好;
4)在洗滌過程中洗衣機內(nèi)部流場為湍流,流場能量的耗散使洗衣機平均動能峰值變小;
5)洗衣機在洗滌過程中按照波輪和洗滌筒同向交替運行,脫水過程按照洗滌筒單方向旋轉(zhuǎn)。
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