微型空气取水装置拉瓦尔管导流结构的CFD研究*

蔡 申，李松晶，*，吴海成，袁 帅，周礼根，张 亮

(1.哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001;2.江苏扬州尼尔液压科技有限公司，江苏 扬州 225811)

0 引 言

为了解决在干旱地区难以获得可饮用淡水的问题，人类常常需要依靠从外部运输淡水，然而运输的成本高，且水资源不便分发和携带。事实上在空气中就蕴含着丰富的水资源，即便在干旱的沙漠地区，干燥空气的相对湿度值也在20%～30%左右，即在1 m3空气中含有约6 g～10 g水[1]，空气取水[2]装置也应运而生。目前发展较为成熟的空气取水方式主要包括两种类型[3]：制冷结露法[4-5]和吸附解吸附法[6-7]。由于制冷结露法取水的能源利用效率较低，吸附解吸附法得到了更为广泛的应用。本研究所设计微型空气取水装置即采用吸附解吸附法。

拉瓦尔喷管是一种先收缩后扩张的喷管结构，主要应用于超声速喷气发动机、火箭发动机等[8-10]，用于调节流经喷管的气流参数。

本研究将拉瓦尔喷管结构简化后应用于微型空气取水装置中来提高装置内部空气流量，进而提高取水效率，并对装置内部空气流动情况进行CFD模拟[11]研究。

1 微型空气取水装置结构与原理

1.1 微型空气取水装置结构与空气流动原理

本研究设计了一种杯型微型空气取水装置，其杯体结构示意图如图1所示。

图1 微型空气取水装置杯体结构图

该杯体包括吸附容腔、存水容腔、拉瓦尔喷管式通气管道(包括收敛管、喉部、扩散管)。杯体材料选择绝热性能好、耐高温、无毒害的有机材料。吸附容腔内装有吸湿剂，可选用高效吸湿材料如卤素盐复合吸湿剂[12-13]、MOF801[14]等。

该装置工作过程分为两个阶段。在吸附阶段，利用电热膜加热通气管道内空气，由于烟囱效应[15]会使装置内空气产生稳定单向流动(如图1所示)，且主动通风驱动力与装置内外气体密度差成正比关系。该驱动力促使外部空气流经吸附剂，其中的水蒸气被吸附剂吸收保存。当吸附趋于饱和后进入解吸附工作阶段，解吸附电热膜将加热吸附剂使其保存的水分释放出来，较热的水蒸气沿通气管道向上至液化位置并被引导至存水容腔。该工作过程需多次循环以便获得足够量的水。由上述工作过程可知，装置内空气流动情况将直接决定取水的效率，在吸附阶段，若流量过小则吸附需要时间长，若流量过大则不利于空气中水分被充分吸附；在解吸附阶段，若流量过小则解吸附产生的水蒸气无法被高效传递至液化位置，若流量过大则不利于解吸附过程保温和液滴的形成。故装置最佳空气流量的控制非常重要。

1.2 拉瓦尔管结构在该装置中的应用

典型拉瓦尔喷管结构包括收敛管、喉部、扩散管3个部分，本研究将其结构用于微型空气取水装置通气管道。为了便于量化分析并便于后期杯体的制造，将曲线型拉瓦尔喷管简化为直线型。相比传统直筒管形状，其优势主要包括两方面：(1)利于通气管内气体保温，使烟囱效应中内外密度差值增大，增大通气管入口和出口处压力差；(2)利于通气管内气体局部加速，使装置下方吸附容腔处产生一较大负压力，进而使更多外部空气流入吸附剂。

两种效果共同提高装置内空气流量进而提高取水效率。

2 流体计算域数值建模

CFD模拟分析具有成本低、速度快、具有模拟真实条件的能力等优点，在实验前进行充分的模拟分析有助于实验方案的确立，提高实验成功率。

2.1 计算域模型

本研究基于ANSYS Workbench平台分析了拉瓦尔喷管结构参数对空气流量的影响。笔者通过DM模块设计几何模型，抽取流体计算域，通过ICEM CFD模块设置网格要求、进行网格划分，最后利用Fluent模块进行计算方法和边界条件的设定并进行计算。

为减少计算量并便于观察，笔者取实际模型的1/4为几何计算域，网格划分如图2所示。

图2 计算域网格划分

2.2 Fluent参数设置

装置内空气流动过程是一个热流耦合过程。流动过程选择湍流模型中的标准k-ω湍流模型，其模型常数取Cμ=0.09；C1s=1.44；C2s=1.92，近壁处理采用Scalable壁面函数，采用该函数对于任意细化的网格，能给出一致的解，有助于提高计算精度。传热过程选中能量方程选项。流体介质选择理想空气条件，由于烟囱效应原理基于空气温度变化引起的密度变化，需引入空气密度与温度的关系。取空气介质参数比热Cp=1 012 J/(kg·K)，空气导热系数λ=0.024 2 w/(m·K)，空气动力粘度μ=1.789 4e-5kg/(m·s)，空气摩尔质量设置为M=28.959 g/mol。在环境设置设置Z轴方向重力场g值为-9.81。

本研究设置加热膜温度条件为唯一输入条件，计算域顶面、底面、侧面均设置为压力出口边界条件，温度设置为293 K。两对称面均采用对称边界条件。其他参数保持默认。

3 数值计算结果与分析

由于吸附和解吸附工作阶段内部空气流动原理相同，所得结果相似，以下分析均以解吸附阶段为例。

3.1 拉瓦尔管结构提高空气流量效果分析

本研究设置解吸附电热膜稳态工作温度为393 K，保持通气管路进口和出口直径为40 mm不变(下同)，在管路中设置一简化拉瓦尔管结构，对比装置内温度场图如图3所示。

图3 拉瓦尔管结构对通风管内温度分布影响

由图可见：该结构使通风管保温能力大大提高。

对比装置内压力场图如图4所示。

图4 拉瓦尔管结构对通风管内压力分布影响

由图可见：由于该结构使管内空气局部加速，使装置吸附容腔中产生一较大负压力。在两因素共同作用下，空气流量由5.80 mg/s提高至9.43 mg/s。

3.2 喉部直径对流量的影响

本研究设置拉瓦尔喷管喉部相对通气管入口高度为120 mm不变，分别设置喉部直径为12 mm、16 mm、20 mm、24 mm、28 mm、32 mm、36 mm，并在解吸附电热膜稳态温度为353 K、373 K、393 K 3种工作状态下，分别作拉瓦尔管喉部直径与通风管出口截面流量关系图，如图5所示。

图5 拉瓦尔管喉部直径与通风管出口截面流量关系

分析图5可知：在3种温度工作状态下，拉瓦尔管喉部直径与通风管出口截面流量产生相似的关系：喉部直径过大或过小时，提高流量的效果均不佳，在喉部直径为20 mm时流量最大，达到9.43 mg/s(393 K)，且喉部直径从16 mm变化至28 mm对流量影响不大。相同结构下，电热膜工作温度越高空气流量越大，该现象可由烟囱效应原理解释，装置内外空气温度差越大对应密度差也越大，主动通风能力更强。

本研究分别对比393 K温度下喉部直径为12 mm、20 mm、28 mm、36 mm 4种情况的温度分布，如图6所示。

图6 拉瓦尔管喉部直径对温度分布影响

压力分布如图7所示。

图7 拉瓦尔管喉部直径对压力分布影响

对于20 mm和28 mm两种喉部直径的拉瓦尔管，其内部温度与压力分布几乎相同，故流量也所差无几。12 mm直径过小，尽管管内温度保持效果很好，但过小的喉部直径限制了空气流出，吸附容腔无法形成理想的负压区。36 mm直径则过大，管内空气散热过快使通气管进出口压力差约减至理想情况的一半。所以两种情况的空气流量值相对20 mm直径对应流量峰值均有较大差距。

3.3 喉部高度对流量的影响

本研究设置拉瓦尔喷管喉部直径为20 mm不变，分别设置喉部截面相对通风管入口高度为80 mm、90 mm、100 mm、110 mm、120 mm、130 mm、140 mm，并在解吸附电热膜稳态温度为353 K、373 K、393 K 3种工作状态下分别作拉瓦尔管喉部截面高度与通风管出口截面流量关系，如图8所示。

图8 拉瓦尔管喉部截面高度与通风管出口截面流量关系

分析图8可知：在3种温度工作状态下拉瓦尔管喉部截面高度与通风管出口截面流量产生相似的关系：在喉部截面高度为120 mm时流量最大，且喉部高度从80 mm变化至130 mm对流量影响不大，但当高度提高至140 mm时流量产生较大衰减。

本研究分别对比393 K温度下喉部截面高度为80 mm、100 mm、120 mm、140 mm 4种情况的温度分布如图9所示。

图9 拉瓦尔管喉部截面高度对温度分布影响

压力分布如图10所示。

图10 拉瓦尔管喉部截面高度对压力分布影响

对于80 mm、100 mm和120 mm 3种喉部高度的拉瓦尔管，其内部温度与压力分布几乎相同，故流量也所差无几。140 mm高度过大，导致扩散管部分扩张角过大，影响了管内空气流速和负压力区域形成。

4 结束语

本研究提出了将简化拉瓦尔管导流结构应用于吸附式微型空气取水装置以提高取水效率的方法。利用CFD方法构建了仿真模型并对不同喉部直径和喉部截面高度影响装置内空气流动的效果进行数值模拟并得到了以下结论：

(1)简化拉瓦尔管导流结构的通气管路相比传统直筒式通气管路，其内部热空气保温性能更好，使其管路内空气平均密度更低，内外空气密度差更大，且由于喉部空气加速效果有利于吸附容腔负压力区域的形成，能够有效提高装置内空气流量约50%；

(2)通过控制喉部直径和喉部截面高度可以调整吸附阶段和解吸附阶段流经吸附剂的空气流速与流量，使装置工作效率达到最优。一般情况下，喉部直径设置为通气管进出口直径的0.5至0.7倍，喉部截面高度设置为通气管总高度的0.6至0.8倍时，空气流量处于理想范围内。

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