民用飞机废水处理系统流动性能仿真研究

民用飞机废水处理系统流动性能仿真研究

第45卷第6期2015年11月航空计算技术Ae删枷IticalC∞1p砸Ilg’I饶hniq啪V01．45No．6Nov．2015民用飞机废水处理系统流动性能仿真研究朱种，雷美玲，张雪苹(上海飞机设计研究院环控氧气系统研究部，上海201210)摘要：废水处理系统是民用飞机中不可缺少的重要系统。在废水处理系统的设计过程中，废水输运过程的流动性能将极大地影响系统的整体性能。因此对废水输运过程中流动性能的仿真将能够为废水处理系统的设计、验证和优化提供指导。对废水处理系统废水输运过程的流动性能进行了研究，选取了某型民用飞机废水处理系统作为研究对象。将复杂的两相或三相废水输运过程简化为经典的气液两相流，采用CFD方法模拟了巡航状态下的过程。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，观察到了废水在管路内是沿壁面螺旋前进的环状流这一流动状态。此外，还模拟出了分支管路内的存水现象以及其后续变化，并且分析了该现象的形成原因。关键词：民用飞机；废水处理系统；废水输运过程；多相流模型；CFD方法中图分类号：V244．14文献标识码：A文章编号：1671-654x(2015)06．0099．05胁earch明W嬲teSyst哪no姗bm姆SimlllaⅡ蚰ofCi、，il舢rcrmZHUChong，LEIMei—ling，ZHANGXue—ping(姗榭m矿西觚ron删眦co腩议帆d蛳n跏把m，Sk啦越A扫-c吲t胍趣渺口以鼢∞砌胁比姚，Is乩，l咖i201210，吼白m)Ab!出mct：W船tesystemisanimpc旺t锄tsystemincivilaircraR．【腼ngtIledesignofw鹊tesystem，tllenowabili哆ofwastetra．1lsportprocess赶fectssystemperfb珊锄cegready．SoresearchontlleⅡowabilityofw鹪te咖sponpocessc锄helpmedesi印，validali∞锄d叩tiIIli蕊∞0fw弱tesystem．Intllispaper，t}Iestudyontllen砌ili哆ofw鹊te呦sportpmcessofcivilaircraftw鹊tesystemispre∞nted．Simpl证-yingtllecomplextwo·ph鹊eortllree-pha∞w鹊te协msportpmcessintocl勰sicalg弱一liquidtwo-ph鹊e，tlleprocessundercmiseconditionissimulated访tllCFD．Intllenumericalsimulation，tlledistributionofpressure舳dw嬲tevolumefhctioninw鹪tesystemisobtainedduringw鹪tetransportprocessatdi妊．erenttime，锄ditisob鸵r代dt}latw鹊teisheliealforwardno访ngalongtllepipewaⅡin籼ul盯now．Inaddi-tion，mephenomenonofresidualw鹪teinbr粕chpipeandsub∞quentdevelopmentarealsosimul砒ed蛐danalyzed．1【eywo川s：civilairc瑚Ift；w嬲tesystem；w鹊tetmsportprocess；mIllti-phasemodel；CFD引言民用飞机中废水处理系统是不可缺少的重要系统。该系统主要通过压差将飞机厨房内的工作废水、盥洗室内的盥洗废水【l3和马桶废水口1(下文均统称为废水)输运到废水箱中，以满足乘客机上生活的需要，保持和提供一个清洁卫生的机上环境。随着民用飞机对舒适性要求的不断提高，废水处理系统的重要性也在不断增加。基于总体布置的考虑，民用飞机一般都将废水箱布置于中后机身段，但是在前、后机身都会布置厨房、盥洗室，这样用于连接厨房、盥洗室和废水箱之间的管路就几乎需要贯穿整个飞机。在如此长的管路中废水输运的流动性能将直接影响到废水处理系统的整体性能，因此对管路内废水输运的多相流流动状态的研究将会对废水处理系统的设计具有重要意义。虽然目前国内对于民用飞机废水处理系统流动性能仿真的研究处于起步阶段，但是在相近领域内有着充分的研究，例如段金明重点研究了真空排污管网中空气一污水牛顿流体气液两相流的压力损失模型，该模型可以反映出真空排污管路摩擦损失随着污水流量的增大而成1．75幂指数方倍增加【31；温兴锁则分别基收稿日期：2015一lO一20修订日期：2015一ll一0l作者简介：朱种(1988一)，男，江苏南通人，工程师，硕士研究生，主要研究方向为民用飞机水废水系统设计。n航空计算技术第45卷第6期于单相流、均相流、漂移流和分相流模型，总结和推导出修正海增威廉公式、A—H法、杜克勒法以及段金明法四种真空管道摩擦损失的计算方法，并进行了比较分析H1；李昱研究了一种可用于真空水力输送管道模拟的气液双流体模型，得到了管道中持液率和压强的瞬态变化过程HJ。这些研究都给民用飞机废水处理系统流动性能仿真的研究以启发，并提供了大量的理论基础。本文主要对民用飞机废水处理系统流动性能进行了仿真研究，选取了某型民用飞机废水处理系统作为研究对象，采用计算流体力学方法对废水处理系统的多相流进行数值模拟，并且基于数值模拟结果分析了废水处理系统内多相流的流动特性。1计算方法比较经典的多相流模型有VOF(VolumeofnuidModel)模型、欧拉(Eulerian)模型等。其中VOF模型是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法，其不允许模拟的各相流体有互相穿插的现象。欧拉模型是一种较复杂的多相流模型，它可以模拟不同相流体间互相分离但又相互作用的多相流动，应用范围较广。废水在系统管路内的输运过程中，最初是静止在马桶或者盥洗池底部的；当冲洗阀门打开后，在机舱与外界环境大气之间强大的压差作用下，管路内废水被迅速地抽吸向前输运，直至被全部输运到废水箱中。在此输运过程中，由于废水与空气的剧烈混合，气液两相的界面变得支离破碎，流动形态变化较大，流动规律也难以把握，不适合使用VOF模型进行模拟。因此本文选用更为精确的欧拉模型来模拟废水处理系统中废水的输运过程。在欧拉模型中，不同的相被处理成互相贯穿的连续介质，一种相所占的体积无法再被其他相所占有，其中每一相均独立满足质量和动量守恒。守恒方程通过对每一相局部瞬时平衡的总体平均和混合理论方法推导获得。定义该相的体积圪为：圪=Ia。dy(1)Jv式中，a。为第口相的体积分数，且满足：n罗．d。=l(2)并’第q相的连续性方程为：昙(仅护。)+V(0c织’’，)=o(3)式中，l，。为第q相的速度；p。为g第相的密度。第口相的动量方程为：景(d鼽‘)+V‘(a积’’gl，q)=一仅gVp+V·％+a护gg+∑足朋+Fg(4)式中，g为重力加速度；L为第g相的应力一应变张量：L=d弘(V％+V’，；)+a√A，一知，)V％J(5)式中，p。和A。分别为第g相的剪切粘性系数和体积粘性系数；F。为外部体积力；Rw为相互相作用力；p为各相共享压力。废水在管路内输运的过程中，具有很明显的湍流流动特征，本文选取了Realizeable后一占湍流模型，其表现比经典的七一占湍流模型在分离流计算和带二次流的复杂流动计算中更为出色。2计算模型与计算条件2．1计算模型废水处理系统中废水输运过程是一个非常复杂的两相或三相流动，在飞机客舱与外界大气环境之间压力差的作用下废水从静止开始加速，直至最终被完全输运到废水箱中。直接对三相流动进行模拟过于复杂，因此本文统一使用清水来代替废水，将三相流体运动简化为气液两相流体的运动来进行模拟，来研究废水在管路内的流动状态。选取某型民用飞机废水处理系统的一部分作为研究对象，如图1所示。研究对象中包括废水处理系统的废水箱、输运管路、三类典型入口(分别为厨房水池、盥洗室盥洗池和盥洗室马桶)以及废水箱上与外界环境大气相通的出口。其中废水箱上的出口是由一段管路连接到飞机蒙皮上的一个开口，由于对本文所研究的废水在系统内的流动几乎没有影响，因此将出口直接简化为废水箱上的出口。鼠房囊N、分支二图1某型民用飞机废水处理系统马桶采用六面体结构网格对废水处理系统模型进行网格划分。为了能够保证数值模拟的精度，模型中壁面附近布置了足够密度的附面层网格，以准确模拟附面层流动；而为了在不降低计算精度的前提下节约计算资源，在管路流动方向，流场较为简单的直线段网格布n2015年11月朱狲等：民用飞机废水处理系统流动性能仿真研究·101·置较为稀疏，流场较为复杂的弯管段网格布置较密，以达到网格的合理分布。根据废水处理系统几何模型完成网格划分后，通过包含多相流模型的流体求解器进行求解，以获得废水输运整个过程的流动状态。2．2计算条件在飞机工作的多个状态中，巡航状态下废水处理系统使用的概率是最高的，因此选取飞机巡航状态作为废水处理系统的模拟状态。根据某型民用飞机的技术参数，在该机型巡航状态时，其外界环境大气压力为23903Pa，机舱内压力为80923Pa。在废水处理系统计算模型中，总共有三个系统入口，分别是厨房水池、盥洗室盥洗池和盥洗室马桶。在使用过程中，盥洗室马桶的入口流量是最大的，因此选取盥洗室马桶人口作为系统入口，从马桶入口进入的废水一次输运的体积约为360mL。在计算模型中还考虑了重力的影响。3计算结果比较与分析3．1废水流动状态数值模拟的结果与分析废水最初是静止在马桶底部的，当马桶冲洗阀门打开后，在机舱与外界环境大气之间强大的压差作用下，马桶内废水被迅速地抽吸向前输运，并且与空气急剧混合，直至被输运到废水箱中。图2正是冲洗阀门打开后，0—0．5s内马桶内废水被输运到废水箱的整个过程，其中左边为不同时刻下系统内的压力云图，右边为不同时刻下系统内的废水体积分数云图。在0s时，有一段液柱静止在马桶的底部，正是需要输运到废水箱的废水。这段液柱上方是与机舱相连的，因此压力较大，为机舱内压力80923Pa；而在这段液柱下方，废水处理系统的废水箱和管路都是与外界环境大气相通的，其压力较小，为外界环境大气压力23903Pa。这段液柱在机舱与外界环境大气之间巨大的压差作用下，被迅速抽吸着向废水箱运动，在废水流动过程中与空气急剧混合。在0．2s时，废水与空气混合后充斥着整个管路，直至O．5s时，大部分废水都已经被输运到废水箱中。整个系统内的压力也随着废水的流动过程而逐渐增加，而且废水流动的位置压力梯度都较大，特别是在弯管段。在O．5s时，大部分废水都已经被输运到废水箱中了，但是在分支一和分支二管路(下文中统称为分支管路)内仍然存在着极少部分废水。这是因为在废水流动开始阶段，分支管路内压力是与外界环境相同的低压。当废水在主管路内流动，流经分支管路与主管路的交接位置时，由于分支管路内的低压，会有部分废水被从主管路内抽吸进人分支管路内。当然随着废水的流动，被抽吸进人分支管路内的废水也会随着分支管路内压力的增加而慢慢流入主管路，进而流人废水箱，这点可以很明显地从O．1～0．5s过程中分支管路内水容积分数的分布范围不断减少判断出。压力．萝惑躐废水体积分数◇Q》Q9Q专■■■■■圈阻O◆O’o'O’opq一国，潼一国，‘氓谚刍th■，冷●r．。4。制图2不同时刻下的废水处理系统(压力云图(左)与废水体积分数(右))3．2废水流动状态的细节分析气液两相流中，一般将水平不加热管中的流动型式分为泡状流、塞状流、分层流、波状流、弹状流和环状流旧o。其中环状流是气相在通道中心流动，而液相则贴在通道的四壁上流动，并且由于重力的影响，周向液膜厚度不均匀，管道底部的液膜比顶部厚。这种流型出现在气相流速比较高的区域里，当壁面较粗糙时，液膜还可能不连续。根据图3中不同时刻下废水处理系统内废水体积分数的分布可以基本判断其流动型式为典型的环状流。挑选0．2s时刻废水的流动状态来进n·102·航空计算技术第45卷第6期行流动型式的进一步判断，因为从3．1节中的分析可以看出0．2s时，废水在系统管路内流动的范围是最大的。在图3展示了0．2s时，废水流动的一根典型流线，从人口开始废水在管路内的流动不仅仅是贴在壁面上，而且是沿着壁面螺旋前进的。蒜冬罨基饕越图30．2s时废水流动的流线a1截面选取示意图截面位置(b)压力截面位置(c)压力梯度图4沿截面变化的废水体积分数与压力、压力梯度选取了如图4所示沿主管路相互间隔50mm的26个截面，对每个截面上废水体积分数及压力变化规律进行分析。这些截面主要位于两段水平直管以及连接这两段水平直管的弯管段区域，其中截面14为弯管段的中央位置，废水流动方向为从截面1到截面26。图4是沿截面变化的废水体积分数与压力、压力梯度的示意图。由于废水在管路内是沿壁面螺旋前进，每个截面内的废水体积应该都是相当的，因此图4中各个截面内的废水体积分数都在0．035到0．055之间，保持在一个集中的区间内；但是随着截面变化，废水体积分数还有一个近似于正弦曲线的变化，这是因为研究的这段管路为水平直管，由于重力的作用，当废水螺旋前进到管路上壁面时，液膜必然范围较广而薄，而前进到管路下壁面时，液膜则范围较小而厚，因此废水在管路上壁面位置的截面废水体积分数较小，废水在管路下壁面位置的截面废水体积分数较大；当废水流经弯管段时，原本沿壁面螺旋前进的废水被迫改变流向，损失了能量，而且在弯管段会有堵塞现象，因而弯管段位置的废水体积分数会有一个较突兀的增加，因此在图4中弯管段(截面14附近)位置的废水体积分数变化并不连续，有一个小的凸起，当然由于该弯管段转弯角度不大，废水在弯管段堵塞效应不是特别明显。图4中沿截面的压力呈降低趋势，这是因为截面1是主管路较靠近系统人口(即机舱内的高压区域)的位置，而截面26是靠近系统出口(即外界环境大气的低压区域)的位置。在马桶冲洗阀门打开之前，主管路与外界环境大气相通，其压力为外界环境大气的低压，当冲洗阀门打开后，废水和机舱内高压空气进入主管路，使主管路内压力从系统人口向出口方向逐渐增加，图2中可以很明显地看出系统内压力随时间变化的这个趋势。因此图4中沿截面的压力减小趋势其实是压力由系统入口向出口方向逐渐增加的一个过程，在截面14位置附近，压力变化梯度有一个改变，这是因为该位置是管路弯管段，流动在该处损失能量，造成该位置压力变化突然增加。图4中沿截面压力梯度的变化更直接地说明了该现象，整个管路的压力梯度都相当，但在截面14位置附近，压力梯度突然变大，说明该位置压力变化较大。3．3分支管路内存水问题的分析前文中分析了分支管路内出现存水现象的原因，此处对分支管路存水问题进行进一步的探讨。在3．1节根据数值模拟结果可以判断马桶人口废水绝大部分在O．5s内已经被输运到废水箱中，除了分支管路内的小部分存水。废水处理系统的设计中马桶冲洗阀的打开时间一般最大为3s，因此对马桶冲洗阀关闭之后的流场进行了观察，如图5所示为2．9—4．1s时刻内废水处理系统的压力云图(左侧)与废水体积分数云图(右侧)。在2．9s时，冲洗阀门仍是打开的，可以看出此时系统内压力由马桶入口至废水箱出口是一个连续变n2015年11月朱种等：民用飞机废水处理系统流动性能仿真研究化、从高压到低压的过程，因为马桶人口与机舱内高压区域相通，废水箱出口与外界环境大气的低压区域相通，此时整个系统内的压力是稳定的。而此时在分支管路内仍有一部分存水，说明在0．5～2．9s时刻内，分支管路内的部分存水仍然无法排尽。废水体积分数Q，Q》Q9带■■●●■—阻o◆c’O夸o，O予Q‘Q‘’Q·。Q·、Q’’((‘}『-4．1，图5不同时刻下的废水处理系统(压力云图(左)与废水体积分数(右))在3s时关闭马桶冲洗阀门，即将马桶人口关闭。图5中的模拟流场表明由于系统入口的关闭，系统只有与外界环境大气相通的出口，因此系统内压力迅速下降，在3．2s时系统内压力已经是与外界环境大气相同的低压。而此时分支管路内的存水由于系统内已经不存在压差，在重力作用下已经开始从分支管路中流出，分支一管路是竖直管路，在4．1s时管路内存水已经基本完全流出；分支二管路由于是水平管路，在4．1s仍有极少部分存水，这极少部分存水只有在系统下次废水输运过程中才可能被输运到废水箱中，但这极少部分存水不会对废水处理系统的性能产生影响。4结束语本文以某型民用飞机废水处理系统作为研究对象，采用CFD方法对废水处理系统的多相流流动特性进行了数值模拟。将废水处理系统中的复杂的两相或三相废水输运过程简化为气液两相流，主要研究废水在管路内的流动状态。多相流模型采用了欧拉模型，此模型能够模拟不同相流体间互相分离但又相互作用的多相流动。对巡航状态下废水输运过程完整地进行了数值模拟，从最开始一段完整液柱开始，在巨大的压差作用下，这段液柱被迅速抽吸着向废水箱运动，与空气剧烈混合，几乎遍布整个系统。在这个过程中，根据模拟结果可以看出废水是沿着壁面螺旋前进的，是气液两相流中的典型环状流。同时还模拟出了废水处理系统分支管路内的少量存水现象，该现象是因为在废水输运开始阶段分支管路属于低压区，主管路内的废水会有部分被吸入分支管路，随着废水的输运过程，分支管路内的部分存水会慢慢流人主管，但是即使到整个输运过程结束后，水平分支管路仍会有部分存水存在。总的来说，本文完整地模拟了民用飞机废水处理系统废水的输运过程，并且分析总结了废水输运过程中的流动现象及其形成原因，为民用飞机废水处理系统的设计、验证和优化提供了一定的参考。参考文献：[1]张维方，肖世旭，雷美玲．民用飞机厨房废水处理技术研究[J]．民用飞机设计与研究，2009(3)：44—47．[2]肖世旭．民用飞机真空式马桶污水处理系统介绍[J]．科技信息，2013(16)：405—406．[3]段金明．真空排污系统输送机理及系统优化研究[D]．武汉：华中科技大学，2006．[4]温兴锁．真空排水系统水力参数及关键设计的研究[D]．武汉：华中科技大学，2011．[5]李昱，张向阳，王恩洁，等．真空水力输送管道的数值模拟研究[J]．真空，2015，52(2)：66—69．[6]阎昌琪．气液两相流[M]．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社．2009．