空间站梦天舱通风流场试验及仿真分析.pdf

第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）空间站梦天舱通风流场试验及仿真分析尚文锦，刘桐宇，李英斌，冯红旗，史宝鲁（中国航天员科研训练中心，北京 100094）摘要:空间站密封舱内的气流分布对航天员长期在轨的安全性和舒适性有着十分重要的影响，为保证密封舱内空气扰动充分，通常都采用顶部送风，底部回风的方式。针对梦天舱航天员活动区通风流场问题，通过流场试验与仿真相结合的方法对区域内气流组织进行分析，采用舒适速度比例、吹风感作为指标进行评价。结果表明：试验数据与仿真数据偏差在15%以内，整个舱内空间风速统计学偏差在5%以内，模型有效。梦天舱航天员活动区舒适速度比例高达 92.15%，吹风感指数均小于 40，满足人员安全性和舒适性的要求，可作为后续载人航天器通风设计、试验、仿真的借鉴。关键词:空间站；梦天舱；通风流场；数值分析；安全性；舒适性中图分类号:TN 911.73；TP 391.9 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.05.006Research and Numerical Analysis of Flow Field in Mengtian Lab Module of Space StationSHANG Wenjin，LIU Tongyu，LI Yingbin，FENG Hongqi，SHI Baolu（China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）Abstract:The airflow distribution in the sealed cabin of the space station has a significant effect on the safety and comfortableness of astronauts in orbit for a long time.To ensure sufficient air convection inside the sealed cabin，the way of supplying air from the top while returning air from the bottom is usually adopted.In view of the ventilation flow field problem in the activity area of astronauts in the Mengtian lab module，a combination of flow field tests and simulations is usually adopted to analyze the airflow organization in the area.The comfortable speed ratio and blowing feeling are selected as the evaluation indices.The results indicate that the deviation between the test data and the simulation data is within 15%，and the statistical deviation of the wind speed in the entire area is within 5%，which shows that the simulation model is effective.The proportion of the comfortable speed in the activity area of astronauts in the Mengtian lab module reaches as high as 92.15%，and the blowing feeling index is less than 40，which meets the requirements of personnel safety and comfortableness.The study can be used as a reference for the ventilation design，test，and simulation of manned spacecrafts.Key words:space station；mengtian lab module；flow field；numerical analysis；safety；comfortableness0引言 天宫空间站 T 字构型建成后，将长期作为我国航天员在轨工作与生活的主要场所，其中梦天舱作为航天员进行在轨空间试验、载荷出舱的核心舱段，密封舱内部的流场分布状况，将直接影响航天员在轨的安全性与舒适性，进而影响工作效率与生活质量。与地面环境不同，在微重力环境中，气体的自然对流基本停滞，必须采用强迫通风对流的方式，才能保证空间站人员活动区域内的流场分布；同时，空间站内部空间相对狭小且封闭，必须优化收稿日期：20230725；修回日期：20230819基金项目：中国载人航天工程基金资助项目（KZTH00HK02）作者简介：尚文锦（1980），男，副研究员，硕士，主要研究方向为环境控制与生命保障工程。通信作者：史宝鲁（1986），男，助理研究员，博士，主要研究方向为环境控制与生命保障工程。43第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）密封舱内气体的流速分布，才能保证航天员的安全性与舒适性。本文旨在分析梦天舱人员活动区通风流场，并通过流场试验与仿真的方法对其进行研究。目前，对于空间站内部流场的研究，主要集中在仿真计算，缺乏试验数据的对比分析。例如，国内学者姬朝玥、郑忠海等1-3分析了在不同流量和送风角度等条件下的空间站流场分布。朱学良等4-6建立了简化的三维空间站模型，并将多种不同送风角度下的流场进行对比。此外，国内学者还针对航天员睡眠区等狭小区域内的通风流场进行了研究。其中，付仕明等7针对发生故障时航天员睡眠区内CO2的分布情况进行了研究。徐浩等8对空间站睡眠区不同送风角度进行了研究。刘桐宇等9对空间站睡眠区不同送风位置进行了研究。国外学者CHANG 等10-11也对航天员睡眠区的 CO2分布情况进行了研究，同时完成了整个空间站的气流分布模拟研究。本文通过梦天舱实际流场试验对比验证了仿真模型的有效性，并引入舒适速度比例、吹风感作为评价指标，进一步对航天员在轨安全性与舒适性进行分析，对优化我国空间站通风设计提供参考。1通风流场试验设计 本次试验在真实布局的梦天结构热控舱内进行，测量范围为航天员活动区，活动区截面如图 1所示，可近似为边长为 2 000 mm 的正方形区域。共选取 19 个截面，每个截面 25 个点位，依次进行测量，如图 2所示。测量时为避免人活动区壁面及突出物对 测 量 干 扰，边 缘 测 量 点 位 距 离 壁 面 不 小 于200 mm。由于舱内各个点风向的不确定性，测量时应选用全向式风速传感器，综合考虑舱内空间限制等原因，选用热球风速仪进行测量。根据试验得出，热球风速仪方向特性如图 3所示，热球传感器的水平方向指向性表明水平方向的角度变化不影响风速测量结果；垂直方向的指向性表明气流方向在与热球传感器水平面45的范围内的测量误差很小，而偏离这个范围时测量得到的风速则偏小，因此对舱内任一个空间点，本文采用 2个热球传感器正交测量，不管这个空间点上的气流方向是哪个角度，总有一个传感器与这个气流方向之间的夹角在45之内，因此本文认为2个传感器测量得到的较大的风速数据为该点的实际风速数据。图 1梦天舱剖面Fig.1Schematic diagram of the cross section of the Mengtian lab module图 2梦天舱截面位置Fig.2Schematic diagram of the cross-sectional positions of the Mengtian module44第 40 卷 2023 年第 5 期尚文锦，等：空间站梦天舱通风流场试验及仿真分析为保证舱内通风强迫对流为主，需减小自然对流对密封舱内空气流场的影响。试验时舱体为水平放置，减小重力方向的空间尺寸，从而减小重力方向上的自然对流。另外，为减小因温度梯度带来的自然对流，除与通风系统有关的设备部件以外，其他设备不用电工作。根据：Gr Re2=gL(Ti-T0)U2（1）式中：Gr为格拉晓夫数；Re为雷诺数；g为重力加速度，m/s2；为空气特征膨胀系数，；L 为航天员活动区特征尺寸，m；Ti为回风温度，；T0为空气特征温度，；U 为送风口出口特征风速，m/s。若 Gr/Re20.1，则可基本忽略自然对流的条件12-15，对 于 梦 天 舱 来 说，式（1）中 g=9.8 m/s2，L=2 m，U=（1.52.0）m/s，计算得出，当（Ti-T0）（35）C 时，Gr/Re20.1，考虑一定裕度，同时参考 TG-1目标飞行器通风流场试验时舱内空气温度差要求的分析结果，本次试验过程中控制梦天舱人活动区重力方向上的温度差不大于 2。如果超过 2，需中断试验，打开舱门，关闭通风系统，依靠自然通风方式使舱内温度差减小，待减小至 0.5 以下时可以重新开始试验。2仿真模型 2.1物理模型参照梦天舱人员活动区真实尺寸及布局进行建模，模型可近似简化为矩形，整体尺寸约：8.6 m2 m2 m（长宽高）。模型风口布局参照舱内布局位置，如图 4所示。2.2仿真模型2.2.1计算方法本 文 采 用 Standardk-模 型16-18，控 制 方 程 通式为t+uixi-xi ，effxi=S（2）式中：为材料密度，kg/m3；ui为 i方向的速度分量，m/s；xi为 i方向的坐标；，eff为有效扩散系数；S为源项，kg/m3s；t为时间，s。当取值不同时，式（2）可分别表示连续性方程、动能方程、能量方程、组分运输方程等。2.2.2网格划分与无关性验证网格划分时，风口附近不规则区域采用四面体网格，其他区域采用六面体网格，为保证网格节点统一性与连续性，2 种网格间采用采用网格尺寸函图 3热球风速传感器指向特性Fig.3Directional characteristics of the hot bulb air speed sensor图 4仿真模型Fig.4Schematic diagram of the simulation model45第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）数（Size Function）平滑过渡，图 5给出了梦天舱轴线不同位置处的在不同网格数下风速的比较结果。由图 5可知，在不同网格数下，相同位置的风速变化趋势基本相同，仿真误差主要集中在在速度拐点处；通过以上网格无关性验证，表明 299万的网格数足够满足仿真需求。仿真工况及边界条件：仿真工况为空间站梦天舱正常通风状态，仿真模型采用 Standard Wall Function 处理壁面边界层附近区域的流动，采用 Standard Pressure 插值格式对压力进行离散，采用 Second Order Upwind格式对剩余参数进行离散。通风的边界设定：进风口参数，舱 间 送 风 口 质 量 流 量 为 1.5 m3/min（等 于0.030 625 kg/s），送风口质量流量为 2 m3/min（等于0.040 833 kg/s）19，空气温度为 25；回风口设置为自由出流。3评价指标 3.1舒适速度舒适速度是指在航天员在轨时密封舱人员活动区域内的风速分布情况。依据我国历次飞行任务的数据反馈，最终选取（0.080.50）m/s作为舒适速度指标，其中最低风速 0.08 m/s的设定，主要是为了保证 CO2等呼出气体的扩散20，最高风速 0.5 m/s的设定，主要是避免航天员暴露在过高风速下产生不适；国外相关研究显示，在国际空间站美国相关舱段中，舒适速度指标要求在（0.0510.500）m/s范围内，且舒适速度整场占比不低于 70%，俄罗斯相关舱段中，舒适速度的指标与美国相同，且要求舒适速度整场占比不低于 2/321。综上所述，舒适速度选取（0.080.50）m/s作为指标，人员活动区域内的风速在该范围所占比例越大，流场越好。3.2吹风感指数FANGER22-23及相关国家标准将吹风感定义为“由于气流带走人体热量造成的冷作用所导致的局部不满意，不舒适度”。本文采用 ASHRAE 标准与 GB/T33658中的 DR模型24-25，公式如下：DR=(34-T)(v-0.05)0.62(0.37vTu+3.14)（3）式中：T为评价区域平均温度，C；v为评价区域为平均速度，m/s；Tu为湍流强度，在 10%60%之间，若未知，一般取 40%。DR 值越大，人体产生吹风感越明显，一般要求 DR40。4结果及对比分析 4.1试验结果根据试验测试数据所绘制的舱内不同截面风速云图（如图 7所示），其中低风速区（0.08 m/s）均位于距离壁面较近位置，高速区域（0.5 m/s）主要位于顶部风口出口附近。舒适速度占比统计见表1。试验测得风速最高的数据为 0.853 m/s，取正常舱温 24，计算最大吹风感为 DR=28.508。图 5不同网格数时风速沿轴线分布曲线Fig.5Wind speed curves along the X-axis under different grids图 6通风流场试验现场Fig.6Test site of the ventilation flow field表 1通风流场试验舒适速度占比统计表Tab.1Proportion of the comfortable speed in the ventilation flow field obtained by tests速度 m/s占比/%0.504.6346第 40 卷 2023 年第 5 期尚文锦，等：空间站梦天舱通风流场试验及仿真分析图 7舱内不同截面试验数据云图 Fig.7Contours of the test Data of different sections in the cabin47第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）续图 7舱内不同截面试验数据云图Continued fig.7Contours of the test Data of different sections in the cabin4.2仿真结果舱内与试验相同位置截面的风速仿真云图如图8所示，与试验结果类似，其中低风速区（0.08 m/s）均位于距离壁面较近位置，高速区域（0.5 m/s）主要位于顶部风口出口附近。舒适速度占比统计见表 2。仿真得到风速最高为 1.25 m/s，在数据点为风口附近，取正常舱温 24，计算最大吹风感为 DR=37.229。4.3对比分析对上述试验与仿真结果进行对比分析，不同特征截面风速对比如图 9 所示。由图 9 中可知，试验数据和仿真数据在总体区域上的一致性较高，高速区和低速区在空间上的分布基本一致；通过仿真云图及试验数据的舒适速度占比统计对比，两者偏差在5%以内，一致性较好，吻合度较高；通过仿真云图及试验数据点位风速对比，两者偏差在15%以内，一致性较好，基本吻合。综上，可认为本文的仿真模型及方法可行且准确。对于试验数据和仿真数据在云图的细节区域和数值的绝对量值上存在的偏差，其主要原因为：对于仿真计算，仿真的边界条件与真实状态仍然存在一定偏差，例如，舱体内的局部突出物，舱体对接状态，舱壁表面状态以及仪器区面板上的大量开孔等细节无法在仿真模型中精确表达。上述试验数据验证了仿真模型的准确性，仿真结果有效弥补了试验数据点位较少的不足，两者互相弥补，相辅相成，使得对梦天舱通风流场的分析与评价更加准确。图 8舱内与试验相同位置截面的风速仿真云图Fig.8Wind speend contours obtained by simulations表 2通风流场仿真舒适速度占比统计表Tab.2Proportion of the comfortable speed in the ventilation flow field obtained by simulations速度 m/s占比/%小于0.504.4148第 40 卷 2023 年第 5 期尚文锦，等：空间站梦天舱通风流场试验及仿真分析图 9测试结果和仿真结果对比Fig.9Comparison of the test（left）and simulation（right）results49第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）5结束语 本文针对空间站梦天舱进行了通风流场试验及数值仿真，并对流场均匀性和安全性、舒适性进行了分析和综合评价。主要结论和建议是：1）梦天舱人员活动区通风流场舒适风速占比达 92.15%，最大吹风感 DR=37.229，满足航天员在轨安全性与舒适性要求。2）梦天舱通风流场试验方法准确，构建的梦天舱数值仿真模型，仿真边界符合实际工况，评价指标明确，试验与仿真结果、分析结论是可信的，可以指导空间站通风系统设计。3）本文提出的风速测量方案，流场试验与仿真方法，以及通过选择舒适速度、吹风感指数等指标综合评价航天员安全性与舒适性的方法，也可用于其他载人航天器等类似情况的通风流场分析。参考文献1 付仕明，徐小平，李劲东，等.空间站舱内空气速度分布的 CFD分析 J.宇航学报，2006，27（6）：1137-1141.2 吴群刚，梁新刚，任建勋.方形空间通风换热的气流组织 性 能 数 值 分 析J.航 天 医 学 与 医 学 工 程，2000，13（3）：174-178.3 姬朝玥.空间站舱内通风及分叉现象的研究 D.北京：清华大学，2000.4 苏新明，王晶，李西园，等.载人航天器乘员舱空气龄分布数值仿真及试验研究 J.航天器工程，2014，23（2）：80-86.5 朱学良，刘俊杰，孙贺江.空间站舱室气流组织数值模拟仿真方法 J.航天医学与医学工程，2015，28（5）：377-383.6 郑忠海，张吉礼，梁珍.空间站舱内侧上送侧下回对称通风方式数值模拟 J.哈尔滨工业大学学报，2007，39（2）：270-273.7 付仕明，徐小平，李劲东，等.空间站乘员睡眠区二氧化碳聚集现象 J.北京航空航天大学学报.2007，33（5）：523-526.8 徐浩，李潭秋，李英斌，等.空间站睡眠区气流组织仿真分析 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