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0 引言
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民机水/废水系统是保障客机乘机人员舒适性和个人卫生的重要系统。废水系统是水/废水系统的子系统之一,主要包括马桶坐盆、支座、喷淋环、冲洗阀(具有反虹吸功能)、排放阀、冲洗控制器、废水管路、废水箱、真空发生器等部分[1]。飞机在高空巡航时,废水系统马桶入口处保持座舱压力,废水系统的废水箱出口与外界大气环境相通从而保持低压,当位于马桶底部的排放阀开启时,废水管路中瞬间形成压差,存放在马桶底部的废水和废物将被高速气流的曳力作用经废水管路输送至废水箱中进行储存。整个流动过程为复杂非稳态的气-液-固三相流动。废水管路需要考虑飞机货舱的安装空间,因而几何结构复杂,为了获得废水系统管路中的气-液-固三相的流动形态和流动特性,我们需要对废水系统进行仿真计算研究。
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目前国内学者对民机废水系统气-液两相流动特性已经进行了诸多研究,研究了废水系统中气液两相流的流动特性[2],通过编程计算和数值模拟方法,提出了飞机废水系统两相流的数值模拟计算方法,估算了废水流动过程的时间;在废水系统流动性能仿真研究中,通过数值模拟,获得了废水输运过程中不同时刻下系统内的压力、废水体积分数分布,观察得到废水在管路内是沿壁面螺旋前进的环状流这一状态[3]。目前对民机废水系统的气-液-固三相流动特性研究较少。而在气力运输、流化床等相邻领域有着相应的研究。Torvik[4]将液固两离散相看作拟均相流体,气相为连续相采用三流体模型模拟了气-液-固三相流动,得到的管内浆体速度、截面气含率以及截面湍流动能等参数与实验数据吻合;Bahary[5]采用三流体模型模拟计算了气-液-固三相流化床,获得流化床内气-液-固三相不同的流动特征,以及与实验数据较一致的轴向固相速度曲线。韩祺祺[6]对气-液-固三相流进行了编程数值计算,对气液两相流动和相间作用使用双流体模型模拟计算,采用拉格朗日方法即离散单元法计算固相颗粒运动,建立了气-液-固三相流动模拟计算的CFD-DEM模型,对流化床内气-液-固三相的流动特征进行模拟计算,得到了固相颗粒运动规律和气-液-固三相相含率分布等。闻建平[7]、韩祺祺[6]、ZHANG Xinyu[8]、Sivaguru[9]等采用CFD-DEM模型仿真模拟了气-液-固三相流动,即气液两相流动采用欧拉双流体模型,固相采用离散单元法牛顿第二定律来计算,并加入固相颗粒对气液两相的影响。
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本文以某型民机废水系统为研究对象,采用欧拉/拉格朗日方法下的CFD-DEM模型,对废水系统气-液-固三相流动过程进行仿真计算,并分析了三相流动的流动特性和流动形态。通过对民机废水系统三相流动特性的仿真计算研究,可为废水系统管路布置设计优化、管路防堵设计提供设计输入,具有指导意义。
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1 计算方法
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本文采用CFD中双流体模型(TFM)计算气液两相的运动及相互作用力,遵循N-S方程。同时采用拉格朗日坐标系下离散单元法(DEM)求解固相颗粒的运动,即CFD-DEM模型。在CFD-DEM中气相和液相被视为连续相,固相被视为离散相。CFD-DEM模型通过FLUENT软件和EDEM软件耦合来实现。CFD与DEM之间的耦合是指流场与固相颗粒方程之间通过模型接口进行信息传递。
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1.1 气液双流体模型控制方程
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气液两相的连续性方程和动量方程为:
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式中,εk是流场中计算网格内的k相体积分数;ρk为k相流体密度;uk为k相流体速度;Reff,k为k相流体所受有效应力;p为流场中压力;M为气液间的动量传递量。
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气固、液固相互作用力计算公式如下:
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式中,fdrag,k,i表示颗粒i所受k相的曳力作用。
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1.2 颗粒在流场中的运动模型
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颗粒i在任意时刻t的控制方程为:
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式中,mi、ωi、vi、Ii分别表示固相颗粒i的质量、角速度、速度和转动惯量。Ki表示与颗粒i发生接触的固相颗粒的数量,Tij表示固相颗粒在流场中所受扭矩。
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1.3 颗粒在流场中的曳力计算模型
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在CFD-DEM中,选取合适的曳力模型对气-液-固三相流动的仿真结果有重要影响。本文选用EDEM中的Free Stream曳力模型:
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Free Stream曳力模型计算公式如下:
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式中,A为固相颗粒的投影面积,Cd,k为受k相曳力作用的曳力系数,由下式求得:
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式中,Rek为颗粒雷诺数,由下式求得:
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式中,μk为k相粘度,dp为颗粒直径, 是k相颗粒的相对速度。
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1.4 固相颗粒间接触力模型
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固相颗粒间的接触力是颗粒与壁面、颗粒与颗粒碰撞时会产生相互的法向作用分力和切向作用分力。本文选用接触力线性模型。接触力公式为:
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其中:
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式中,fpn,ij为颗粒接触力的法向分力;fpt,ij为颗粒接触力的切向分力;kn为法向刚度;nn,ij为法向量;ηn为法向阻尼系数;δn为法向重叠量;un为法向相对速度;kt为切向刚度,nt,ij为切向量;ηt为切向阻尼系数;δt为切向重叠量;ut为切向相对速度;μ为摩擦系数。
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2 几何模型
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废水系统几何计算模型包括马桶底座、废水管路、废水箱、冲洗排放阀,如图1所示。计算网格采用ICEM CFD划分结构网格,应用FLUENT软件对气相和液相流场进行计算,耦合颗粒运动计算程序DEM模型对固相运动特性进行计算。其中,考虑废水系统冲洗排放阀的开启过程,以获得气液固三相的流动特性和流动形态。
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图1 废水系统几何计算模型计算网格
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3 计算条件及边界条件
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本文选取飞机在12 000m高空巡航状态时的工况对废水系统气-液-固三相流动特性进行仿真计算研究。对于CFD计算条件设置,座舱压力维持恒定,外界大气压力不变,则边界条件选取马桶入口为压力入口,75 654Pa,以废水箱抽真空出口为压力出口,20 496Pa。马桶壁、废水管路管壁、废水箱壁面设置为壁面边界条件,静止、绝热、无质量流进流出,无厚度。其中,冲洗排放阀与废水管路的两侧交界面设置为Interface面,进行数据的传输。废水液相的初始状态通过初始化标签下的Patch栏设置完成。液相初始体积为250ml,固相初始体积为100ml。对于DEM计算条件设置,本文采取首先生成固相颗粒,之后进行气-液-固三相耦合计算的方法。对于废水系统固相黏性微颗粒团的模拟,本文选取的固相颗粒直径为2mm,颗粒数量为23 985,颗粒密度为1 200kg·m-3,颗粒剪切模量为1e+7,颗粒泊松比为0.2,颗粒与颗粒的接触模型的接触表面能为100J·m-3,从而进行颗粒的仿真生成。
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本次模拟考虑重力。CFD中选取Mixture模型计算气相和液相的多相流运动过程,湍流模型选取k-ε湍流模型,冲洗排放阀的旋转运动过程属于刚体旋转运动,选择刚体旋转动网格。DEM中选取Free Stream曳力模型计算气固两相之间的作用力,选取Hertz-Mindlin JKR Cohesion模型对颗粒添加粘接力。
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4 计算结果比较与分析
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4.1 液相和固相的流动时间和流动形态
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废水系统短支路中,废水由液相和固相颗粒组成,液相体积为250ml,固相体积为100ml,其初始状态为液固两相静止在马桶底部至排放阀后端(本文认为废水前进方向为前端)。此时,马桶入口即排放阀后端座舱压力为75 654Pa,排放阀前端管路与废水箱保持连通,由大气环境压力维持相应的真空度,废水箱出口压力为20 496Pa。对废水系统短支路废水流动过程进行仿真计算,定义液相、固相的流动总时间为二者流入废水箱的质量是总质量99%的时间。结果表明:在液固比为2.5∶1、系统压差为55 158Pa的工况下,t=0.2s时,液相先到达废水箱入口,经过0.197s后,固相全部流入废水箱中,固相总流动时间为0.397s,由于液相总体积大于固相,经过0.33s后,液相全部流入废水箱,液相总流动时间为0.43s,如图2所示。
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图2 废水系统短支路液相和固相的流动时间
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图3给出了废水液相体积分数分布和固相颗粒分布随时间变化云图。初始t=0s时,液相和固相静止在排放阀后部的位置。0s以后排放阀开启,排放阀前后两端管路联通,座舱和管路内形成压差,使管路内气体获得动能迅速加速,废水液相在气相的曳力作用下开始运动,固相在气相和液相的曳力作用下开始流动;t=0.1s时,从图3(b)中可以看出,部分的固相和液相已经通过部分开启的排放阀形成的流通面积流出;t=0.2s时,液固两相在轴向上分散程度很大,逐渐遍布整个管程,由于废水短支路由若干急弯管和短直管组成,液固两相每经历急弯管都发生速度方向的突变,并在离心力的作用下在弯管处向管壁堆积,呈贴壁环状流。液固两相离开弯管进入直管段后由于碰壁之后的反作用力,液相渐渐形成液柱向管轴中心靠拢,呈液柱状,具体形态如图4所示。固相颗粒在经历弯管后由于碰壁的反作用力反弹向另一侧管壁继续前进。0.4s后,废水固相全部流进废水箱,0.43s后,废水液相全部流进废水箱。由于液相体积大于固相体积,液相在气相曳力作用和管壁摩擦力作用下分散程度很大,分布范围广,而固相在管中分布较为集中,所以液相全部流入废水箱的时间大于固相的流动时间。
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图3 废水液相体积分数分布和固相颗粒分布 (固相颗粒用黑色表示)
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图4 t=0.2s时废水液相轴向各截面体积分数分布云图
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4.2 废水系统气-液-固流动特性分析
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分析图5废水系统短支路中气、液、固三相在t=0.2s时截面平均速度沿轴向变化曲线,可以发现,沿管路轴向,气相截面平均速度大于液相和固相截面平均速度,且液相截面速度大于固相截面速度,说明气相与液相、气相与固相、液相与固相之间均存在滑移速度,即液相会受到气相的曳力作用,而固相会受到气相和液相的曳力作用。在x/L=0.1至x/L=0.2的管路范围内,气相处于减速状态,而液固两相出现明显的加速,说明气相与液固两相之间发生了动量传递,使液固从静止状态开始加速。在x/L=0.2之后的管段,气相速度保持匀速,液相由于遍布了管路x/L=0.1至x/L=0.8的范围,其平均速度也维持匀速,由于固相流动还未到达x/L=0.8处管段,所以在此之后的固相截面速度为0值。
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图5 t=0.2s时各截面平均速度沿管路轴向分布
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图6给出了t=0.2s时废水系统短支路的静压分布云图,马桶处静压维持在座舱压力75 654Pa,废水箱出口的静压维持在20 496Pa,说明废水系统短支路气相在马桶座舱压力和废水箱压力之间形成的系统压差的作用下流动;在短支路中,管路静压沿管路轴向逐渐下降,这是因为气相需要克服管路的沿程损失、局部阻力损失以及由于液相存在而造成的局部阻力损失。
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图6 t=0.2s时废水管路平均静压分布云图
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废水系统短支路总压损失随时间变化如图7所示,可以发现系统总压损失呈现随时间不断减小的趋势;在0.3s之前,系统总压损失随时间缓慢下降,这是因为0.3s之前液相和固相广泛分布于管路中,气相需要克服管壁摩擦力、管路局部阻力、液相和固相的阻力,其中液相和固相的阻力起决定性作用,所以系统总压损失减小的速率较慢。而0.4s后,由于固相已流入废水箱,管路上残留的液相体积分数已经小于0.25,气相只需克服管路沿程阻力和局部阻力,系统总压损失则迅速减小。
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图7 短支路总压损失随时间变化
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4.3 废水系统气-液-固三相截面流动特性分析
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对比废水系统短支路t=0.2s时不同截面的液相体积分数分布云图和固相分布图,如图8和图9所示。在x/L=0.4处截面,少量液相贴壁分布,而更多液相集中于管壁底部并紧贴管壁,并有向管轴中心涌起的趋势;在x/L=0.6处截面,液相受重力作用为主导,逐渐集中分布于管道底部;在x/L=0.8处截面,液相由于经历90°弯管,在离心力、惯性力和重力的共同作用下,液相在贴壁分布的基础上开始向管轴中心以及下方延伸。x/L=0.4和x/L=0.6处截面的固相颗粒均远离管轴中心贴管壁分布,并且由于固相具有周向分速度,在支路中螺旋流动,所以在截面中的位置沿管路轴线不断变化。
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图8 短支路t=0.2s时不同截面液相分布云图
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图9 短支路t=0.2s时不同截面固相分布云图
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废水系统短支路t=0.2s时不同截面的气相速度分布云图和湍动能分布云图如图10和图11所示。通过对比可以发现,截面上较大的气相速度分布在液相不集中的区域,并且气相速度较大的区域分布偏离管轴中心,呈现靠近管壁的分布。湍动能云图的分布和气相速度分布大致相似,流体在运动过程中会偏离管轴中心,靠近管壁分布,气相速度大的区域湍动能越大,这说明对于气-液-固三相流动而言,气相的运动占主导。
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图10 短支路t=0.2s时不同截面气相速度分布云图
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图11 短支路t=0.2s时不同截面湍动能分布云图
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5 结论
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本文采用CFD-DEM模型对废水系统中废水输送管路气-液-固三相流动特性进行了仿真计算,得出结论如下:
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(1)在液固比为2.5∶1、系统压差为55 158Pa的工况下,固相总流动时间为0.397s,液相总流动时间为0.43s,满足废水系统的设计控制时间3s。液相的总流动时间长于固相,这将有利于对固相的冲洗,减少废物残留的可能性。
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(2)对于截面平均速度,气相速度最大,液相速度次之,固相速度最小。气、液、固三相之间均存在曳力作用。系统静压沿管路轴向不断下降,总压损失随时间不断减小。
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(3)废水管路中固相和液相沿运动方向呈贴壁螺旋流动,并且气相速度大的区域湍动能越大,因此对于气-液-固三相流动而言,气相的运动占主导。
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通过对民机废水系统三相流动特性的仿真计算研究,可为民机废水系统管路布置设计优化、管路防堵设计提供设计输入,具有指导意义。
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摘要
民机废水系统是保障乘员舒适性和个人卫生的重要系统,而废水系统管路气-液-固三相流动特性分析是其关键技术难点之一。通过对民用飞机废水系统进行研究,采用CFD-DEM模型对马桶底部和废水输送管路中的气-液-固三相流动过程进行仿真计算,对废水系统管路的气-液-固三相的流动形态和流动特性进行分析,得到了液相和固相的流动时间。结果表明:废水管路中固相和液相沿运动方向呈贴壁螺旋流动,并且气相速度大的区域湍动能越大,因此对于气-液-固三相流动而言,气相的运动占主导;截面平均速度气相最大,液相次之,固相最小;系统静压沿管路轴向不断下降,总压损失随时间不断减小。通过对民机废水系统流动性能的分析,为废水系统设计提供设计输入,具有指导意义。
Abstract
Civil aircraft water waste system is an important system to ensure comfort and personal hygiene,and research on gas-liquid-solid three-phase flow characteristics of water waste system pipeline is one of the key technologies.This paper takes the civil aircraft water waste system as the research object.We used the CFD-DEM model to simulate the gas-liquid-solid three-phase flow process of water waste system. We analyzed the flow pattern and flow characteristics of the gas-liquid-solid three-phase of the water waste system pipeline, and obtained the flow time of the liquid phase and the solid phase. The results show that the solid phase and the liquid phase flow in the wastewater pipeline in an adherent spiral along the moving direction, and the greater the turbulent energy in the region with high gas velocity, so the gas phase motion is dominant for gas-liquid-solid three-phase flow; the average cross-section velocity is the largest in gas phase, the second in the liquid phase and the smallest in solid phase; the static pressure of the system continuously decreases along the axial direction of the pipeline, and the total pressure loss decreases with time.Through the analysis of the flow performance of civil aircraft wastewater system, this paper provides design input for the design of wastewater system, which has guiding significance.
Keywords
water waste system ; three-phase flow ; flow characteristics ; simulation