蒸汽压缩蒸馏装置（VCD）FLUENT共轭传热模拟

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蒸汽压缩蒸馏装置(VCD)是空间站进行废水 回收的关键设备，尽管美国2008年已经在空间站采用了该项技术口卅，但我国蒸汽压缩蒸馏装置的设计理论的研究仍处在起步阶段[51。蒸汽压缩蒸馏装置工作原理[6-81，如图 1所示。蒸发器与冷凝器有同-个金属壁，蒸发器旋转产生离心力迫使液膜紧贴在转鼓内壁，以保证有效的热传导，蒸发器内尿液的加热热源来自于冷凝器内水蒸汽的冷凝潜热 ，冷凝潜热通过其共用的金属壁来实现热量从冷凝器到蒸发器的热传导。因此，有必要对蒸发器进行流固问的共轭耦合 漠拟。

由于蒸汽压缩蒸馏装置换热的情况复杂，如果通过单纯的理论计算很难实现其传热分析。因此有必要通过数值模拟分析换热情况，可以比较详尽的预测 VCD内的流体流动，汽液两相的分布状况。论文以ANSYS软件包中的FLUENT软件作为数值模拟工具，分析了VCD内部的流体流动及汽液两相分布特点。

图 1蒸汽压缩蒸馏装置(蒸馏单兀 )Fig.1 Diagram of VCD Unit2 VCD三维模型及有限元网格模型2.1三维模型及简化根据相关文献 ，拟定了VCD设计模型的技术参数为：尿处理系统的产水率为 18.1k ，满足3名乘员的使用，每天工作来稿日期 ：2012-06-05基金项 目：河北联合大学培育基金项 目(LDPY003)作者简介：蔡玉强，(1967-)，男，汉族，河北，高级工程师，教授，主要研究方向：CAD/CAE计算机辅设计分析第4期 蔡玉强等：蒸汽压缩蒸馏装置(vCD)FLuENT共轭传热模拟 125时间约6h。经过简化后的流体域与固体域的模型示意图，如图2所示。模型由三部分构成：汽相流体域-水蒸气、固体域-加热器(换热器)、液相流体域-尿液，并且液相流体域具有-定的转速。

图 2 VCD几何简化模型Fig.2 Diagram of VCD Geometric Simplified Model2.2有限元模型VCD的有限元网格划分使用专业 的 CAE前处理软件ICEMCFDI 1，VCD的有限元模型采用三维六面体网格，六面体网格的自适应能力强，对于精确求解有较大梯度的流尺有很好的效果1，网格模型尺寸为 0.O05mm0.Olmm0.05mm，经比较，小于此计算网格，结果几乎不变，求出的解也是收敛的、稳定的。计算域部分的 1/4网格，如图3所示。

图 3计算域 l4网格模型示意图Fig.3 Diagram of 1/4 Computational Dbmain Mesh Model3计算方案与FLUENT设置3.1计算与域工作介质在 Fluent Database中新定义了尿液为液相流体域工作介质，在实际工作过程中尿液需预加热，汽相流体域的工作介质为Fluent Database自带的水蒸气(water-vapor)，在实际工作过程中水蒸气经过压缩机的压缩，温度提高。固体域为Fluent Database中固体材料铜(copper)。尿液物理l生质，如表 1所示。

表 1尿液的物性参数Tab.1 The Physical Properties Parameters of Urine物性参数 数值密度(kg/m )比热(J/kg·oC)粘度(Pa·S)1.O12xlO34.135x100.96lXlO03.2边界条件与共轭传热计算模型的人口边界条件为流量人El，考虑到流体的循环，拟定的液相进口流量为 61/h，汽相进口流量为 5400IJh。液相入口温度恒定，初始温度为 35℃(即 308K)，汽相进口、液相进口位于同侧，二者的流动方向相同；假设液相流体不可压缩；汽相人 口温度恒定 ，初始温度为50℃(即323K)。工作环境的绝对压力为8639Pa，此时尿液的沸点约为即为 43℃(即316K)。

蒸汽压缩蒸馏装置的性能是由流体与换热壁之间的相互接触状态所决定的。VCD中的热传递包括水蒸气与换热壁的接触而产生的蒸汽冷凝，尿液与换热壁的接触而产生的对流沸腾 ，热量在换热壁中的传递，值得注意的是，在蒸汽冷凝和水沸腾蒸发的同时，VCD内外流体之间的热交换与换热壁的热传导是耦合在-起的，因此这是-种同时考虑流体热对流与固体内部导热的复合传热系统，即共轭传热系统，将网格计算域网格导人Fluent后 ，流体域与固体域之间的接触 自动耦合(couplewa1)，生成 影壁”(shadow)。

热量的热固耦合传递就是在这两个耦合壁上完成的，如图4所示。即水蒸气(流体域)冷凝，潜热通过换热壁的外壁对流传递给换热壁(固体域)，经过换热壁壁面方向上的导热，又通过换热壁内壁上的对流换热使尿液沸腾蒸发。

图4共轭传热耦合壁面模型Fig.4 Diagram of Conjugate Heat Transfer Coupling Surface Model汽液两相间的相变由Fluent用户自定义函数 UDF实现。在Fluent自带的两相流模型中，不能实现汽液的相变过程 o I，因此自编 C语言编写 UDF程序，它可以动态的连接到 Fluent求解器上实现了汽液相变的过程，提高求解器性能。

在 FLUENT中采用离散的隐式方法 ；两相流模型选用mixture模型；粘度模型选取 Realizable k-8模型 ，蒸发器内部的液相流体为旋转流动，选用 MRF模型；在重力场工作环境压强为低真空度条件；压速耦合方法采用的是SIMPLE算法；压力离散方法采用 PRESTO!格式；对动量方程采用二阶迎风差分格式进行离散，收敛判据为各项参数的残差小于 10。。

4结果与分析4.1流体域的压力场分析液相流体域和汽相流体域的压力分布，如图 5所示。由图 5可知：液相流体域和汽相流体域的沿轴线方向上整体压降变化比较明显，并且都是随着流动方向总体上呈下降的趋势；其液相流体域部分的压降梯度比汽相流体域更加的明显；沿重力场方向，液相流体域的压降较汽相流体域变化明显。

(a) (b)图 5流体域压力云图Fig.5 Diagram of Fluid Domain Pressure ContoursNo.4Apr.2013 机 械 设计 与 制造 127