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【交流】COMSOL参与设计NASA载人飞船大气再生系统的设计(图片已经更新)
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COMSOL参与NASA载人飞船大气再生系统的设计 人类首次登陆月球40周年庆典已经结束，但是美国宇航局（NASA）能否把人类送上火星仍是一个谜。美国宇航局设想由6名宇航员执行一次火星任务。最近美国宇航局设想让宇航员在火星上停留大约500天。要想在飞行中幸存下来，空气和水必须充分进行循环利用。所以飞船大气再生系统称为人类探测火星的关键。 NASA马歇尔空间宇航中心研究员Jim Knox和David Howard一直致力于太空飞行中飞行舱内的大气再生系统的研究，最近报道了最新的研究进展。利用COMSOL Multiphysics设计吸附剂结构来改善吸附过程从而优化再生系统。 对于所有的空间航行来说，工程师都需要尽量的控制飞船的动力、重量、体积，因为这三项性能指标都会影响发射系统的整体质量。相比国际空间站、载人月球前哨基地等近地球轨道航行任务，远距离空间飞行对于系统有更苛刻的要求。而最主要的是所有的系统必须足够健全，能够保证在长时间的飞行中全体宇航员的绝对安全，而在不需要进行二次补给和搭载增加额外的救援设备。生命保障系统尤为重要。 位于亚拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔空间宇航中心生命保障系统研发小组的任务就是为远距离空间飞行研发健全、轻便的生命保证系统，其中包括月球探险计划和火星探测计划。他们的合作单位还有Vanderbilt大学的M. Douglas LeVan小组和South Carolina大学James Ritter小组从事吸附方面研究的人员。 他们正在研发下一代大气再生系统，通过高效率的闭路循环系统将系统资源利用效率提升到一个新的高度。举例来说，宇航员呼出的绝大部分二氧化碳（CO2）通过化学反应生成纯净水，而不再需要处理这些代谢废气和补充生活用水。在新的封闭循环系统中，吸附过程起到了非常关键的作用。而工程结构吸附剂（ESS）技术在减少系统复杂度和资源使用量方面表现出很大的潜在优势。 ESS技术由热涂层和含有分子筛吸附剂的导电基片（金属）组成。金属基片可以直接有效的对吸附剂加热，同时还能减少吸附过程中吸附热对吸附效率的影响。但是ESS技术会对飞船的运行、质量和体积方面产生影响。这项技术是否值得投入引起了人们的质疑。为了弄清楚这个问题，科研人员利用COMSOL Multiphysics仿真来进行设计和过程分析，并得到了很满意的结果。 加热和冷却的平衡 ESS技术可以减少长距离太空航行中生命保障系统的资源消耗，从物理学的角度吸附和解吸附过程可以很容易的解释。吸附过程会产生热量，进而会影响吸附剂的吸附效率从而抑制吸附过程。低温会加快吸附剂的吸附，但是却会影响解吸附的进行。如果吸附过程中同时存在加热和冷却装置，又会增加大气再生系统的复杂程度。 解决办法就是让吸附材料和解吸附材料之间的热量转移过程接近等温过程。为了实现这个目的，研究人员比较了Precision Combustion 公司的Microlith基片和Arcam公司电子束熔融技术（EBM）制造的基片分别加上沸石涂层后的性能。Microlith是在吸附剂上包裹金属网（图1）。当进行电加热后，与吸附剂密切接触的Microlith金属网形成了高效的传热网络。Arcam公司将电子束熔融的金属粉末涂在吸附剂表面。图2中就是NASA马歇尔空间宇航中心制作的样本图。 随着上述技术的成熟，下一个面临的挑战就是如何优化金属涂层吸附剂的去除率和减少总系统的体积。另一个面临的问题就是在二氧化碳和水分转化过程中，降低吸附作用产生的热量能提高多少系统性能？
图1 Microlith覆盖的吸附剂显微图
图2 NASA马歇尔空间宇航中心利用Arcam公司EBM技术制作的基片内部结构（左）和有沸石涂层结构（右）。 高温吸附床 研究人员使用COMSOL Multiphysics建立吸附床模型来研究各种吸附剂在不同的吸附过程中的热特性。线性推动力传质（LDF）系数是表征吸附剂和空气之间的质量转移速率。为了获得这个系数，研究人员建立了一个充满吸附剂的热交换器模型来研究等温吸附过程。由于容器处于恒温状态，吸附热可以忽略，这样就可以在绝热的状态下研究质量转移过程。 模拟开始前在干净的吸附床中充入二氧化碳和氮气。初始阶段没有二氧化碳从吸附床上脱离，随着时间的增加，CO2开始离开吸附剂，到达经典S曲线的拐点。通过调整LDF系数，研究人员发现仿真数据和实验数据一致。 由于模拟证实了吸附模型的正确性，研究人员下一步就要研究吸附剂容器的热特性，并获得流体和吸附剂之间以及流体和容器壁之间的转移系数。 下面是气相的热平衡的情况。仿真从干净的吸附床加入450K氮气开始，从图3可以看出温度有很大幅度的变化。随着热转移系数的调整，模拟结果和实验结果曲线重合。从而找到了描述吸附系统的可行途径。
图 3 热转移特性的实验结果和COMSOL Multiphysics模拟结果的比较。 在进行完一系列的实验测试和仿真之后，研究人员发现消除吸附热会使得初始拐点延迟一小时左右出现。如果能利用这个延时调整实际吸收循环，就可以提高吸附性能进而提高工作量。 在一个缩比测试设备（图4）中，研究人员证实在一个真空变压吸附周期内利用相邻热耦合吸附床来恢复吸附热，这样几乎可以消除热隔离的吸附床内高达26度的温度变化。相邻吸附床使用硅胶颗粒包裹的金属泡沫填充物来联接。
图4 缩比VSA测试装置，热耦合的吸附床比单个吸附床吸附能力高出4倍。 这种方法把吸附周期从15分钟提高到一个小时，并保持去除率90%以上，将水吸附能力提高了4倍。因此研究人员证实当吸附过程接近等温真空变压过程时，吸附和解吸附的能力都有了明显的提高。这是通过抑制循环吸附过程中吸热放热导致的温度摆动实现。模拟EBM元件 研究人员在以上研究的基础上，通过优化金属涂层吸附剂的去除率，并达到减少整个系统的体积的目的。硬件和吸附过程的优化要涉及到以下几方面：基片几何形状（金属网尺寸和间距）、过程参数（流参数、解吸附方法、循环时间）、外壳设计（吸附剂类型和数量）。需要多物理场仿真来分析吸附过程中流体动力学参数的影响、瞬态质量转移过程以及瞬态热量转移过程。图5a是利用EBM技术制造的吸附元件部分结构的简化模型图，内部由含吸附剂涂层的金属棒组成，金属棒之间通过装置壁热耦合连接。图5b中是使用Navier-Stokes非压缩方程对金属棒周围流场进行的稳态模拟结果。从COMSOL的仿真结果可以看出，尽管金属棒周围的流在y=0时不均匀的进入了吸附区域，但是很快形成了稳定的流场。 在此基础上，还可以对模型进行简化，仍然可以得到合理的结果。下一步，研究人员对边界层对靠近壁的流进行了模拟。图5c是对流通过一个吸附床网格的3维模拟结果。在距离底面不同高度都得到了相似的流分布，这说明器壁影响范围很小。
图5a 表面被吸附剂包裹的金属棒由器件壁热耦合连接。
图5b 流体从y方向通过2维的吸附机构时流具有不均匀分布。
图5c 流体流过吸附结构时流的不均匀分布的3维切片图。 从图6可以看出，在两个流出平面内的流场沿着流线分布。从仿真结果还可以看出在靠近器壁区域流场受到了很大的限制。这就意味着可以使用一小部分吸附结构来模拟金属棒的大小、间距以及几何形状对流体流动的影响。最终目的是增加流体和吸附剂之间的质量转移率，减小流体通过吸附床的压力差。
图6 COMSOL Multiphysics模拟三维流体流动图。流出平面底部隔离壁上出现明显的边界层。流线表示在受约束区域的速度。 还能做什么？ 研究人员计划开发COMSOL Multiphysics缩比仿真模块，包括EBM、Microlith, 以及其他 ESS情况。过程参数（包括循环时间、流速等）以及结构的设计都需要通过仿真进行优化。根据仿真的结果进行测试实验，将ESS方法、吸附床以及现在的工业中的标准进行对比。 总而言之，设计载人月球前哨基地飞船和火星探测宇宙飞船的大气再生系统，研究人员还有很多的路要走。COMSOL Multiphysics并将一如既往的在设计器件和过程分析过程中发挥不可或缺的作用。 COMSOL Multiphysics在中国 COMSOL在中国,中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可，目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立，为广大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务，众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具，应用全球最先进制造技术，最终增强企业的核心竞争力，保证了企业持续发展。 关于COMSOL Multiphysics和开发团队 COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件，主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块；现在已经有的模块有化工、地球科学、电磁场、热传导、微机电系统、结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用，包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL化学反应工程实验室等。更详细的介绍可参看中仿科技网站：www.cntech.com.cn COMSOL公司是1986年在瑞典斯德哥尔摩成立，现在已经在多个国家（比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国、美国）成立分公司及办事处。详细信息请登陆www.comsol.com [ Last edited by 初学COMSOL on 2009-11-22 at 23:32 ] |
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