使用仿真设计高效可靠的二氧化碳去除程序(CDRA)系统

Caty Fairclough 2016年 6月 21日

在太空中航行的载人飞船需要高效可靠的生命支持系统,如二氧化碳去除程序(carbon dioxide removal assemblies,简称 CDRA)。糟糕的设计会缩短飞船行程并导致潜在的危险。然而,由于 CDRA 系统的复杂特性,对其进行仿真非常耗时和困难。为了应对这一挑战,美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration ,简称 NASA)马歇尔太空飞行中心(Marshall Space Flight Center)的一支研发团队,在 COMSOL Multiphysics® 软件中开发了一个一维的模型,用来对 CDRA 系统中的四床分子筛(4-bed molecular sieve,简称 4BMS)进行有效的分析。

推进下一代的太空旅行

毫不夸张地说,在 NASA马歇尔太空飞行中心,研发人员“手可摘星”。作为先进探测系统(Advanced Exploration Systems,简称 AES)项目的参与者,他们正寻求新的推进技术,让未来的空间飞行任务可以超越地球轨道。

该组织参与的生命支持系统项目(Life Support Systems Project,简称 LSSP),是 NASA 的 AES 项目的一部分。这一项目的目标是延长飞船工作人员的任务时间、提高可靠性、降低风险,并填补生命支持系统方面的技术空白。LSSP 和 AES 都直接源自国际空间站(International Space Station,简称 ISS)的体系结构。

international space station ISS 使用仿真设计高效可靠的二氧化碳去除程序(CDRA)系统
国际空间站。图片由 NASA 戈达德空间飞行中心(Goddard Space Flight Center)拍摄。已获 CC BY 2.0 许可,来源于 Flickr Creative Commons

当谈及载人航天器时,成功的太空旅行的一个必备要素是高效且可靠的 CDRA 系统。由于这些系统会直接影响到全体宇航员的健康,优化这些设计具有非常重要的意义。然而,说易行难。物理测试需要耗费大量的时间和能源,仿真研究也可能由于 CDRA 系统内部的复杂性而变得十分困难。这些挑战促使工程师去探索新系统的开发。

为了弥补测试的不足和避免过于复杂的模拟,NASA 马歇尔太空飞行中心的研究人员使用 COMSOL Multiphysics 创建了一个一维的 4BMS,它是 ISS 的 CDRA 系统的一个组成部分。他们的目标是:确定问题区域,并希望能够最终优化 CDRA 的 4BMS 系统。

4BMS 的动力学

让我们来仔细看看本研究中将要分析的 CDRA 的 4BMS 系统。大气再生系统使用的主要气体分离方法是利用吸收填充床中的颗粒吸附剂进行吸附。如下图所示,这个系统的运行方式是,首先输送机舱空气通过干燥剂床,以吸收空气中的水蒸气。冷却剂和鼓风机对干燥空气进行预处理之后,将其送入并通过吸附剂床以去除 CO2。当空气流进入第二个解吸附或者干燥剂床时,水蒸气又重新加入空气中,并且空气又被输送回船舱中。

CDRA 4BMS schematic 使用仿真设计高效可靠的二氧化碳去除程序(CDRA)系统
CDRA 的 4BMS 系统示意图。图片来自 R. Coker 和 J. Knox 在 COMSOL 用户年会的展示

当上述过程发生时,4BMS 中的另一个过程也在同时进行。第二个吸附剂床一端封闭,同时另一端被加热,CO2 便是从这一头释放出来。之后是一个 10 min 的空气保存模式,用于弥补被吸附剂床吸附的大部分空气。在这之后,吸附剂床被发射到太空中。

在这部分中被特别强调的整个序列,被称为半周期,持续约 155 min。在下一个半周期中,两个吸附剂床转变为释放床,反之亦然。

利用 COMSOL Multiphysics 创建一维 4BMS 预测模型

正如你所见,CDRA 的 4BMS 模型是一个复杂的系统。在这里,一维预测模型对帮助设计系统中的干燥剂床已经足够精确。尽管这个系统中的吸附剂床不是圆柱体,并且加热器可能形成了一个复杂的多维流动通道。但是研究人员发现,通道内的空气流动是相对均匀的,这就促使他们使用一维近似模型来研究吸附床,并且创建了一个可以求解浓度、压力和温度的全耦合模型。

在他们的研究中,研究人员模拟了两种吸附物的传输:空气中的 CO2 和 H2O。这两种物质的混合流流经四个连接的吸附剂颗粒床。从上游吸附床计算的流出的 CO2 和 H2O 的质量分数将作为下游吸附床的输入参数。CO2床使用了一个加热器辅助真空解吸模型,空气、多孔介质及固体遮盖物的热传递,都可以进行绝缘建模。此外,研究人员使用分布式偏微分方程和托斯等温线来确定吸附速率和颗粒加载。

下图显示了理想的 4BMS 模型示意图。在这里,我们可以看到研究团队只对玻璃珠和部分吸附剂床进行了建模。在他们的模型中,研究人员对玻璃珠层做了和吸附层相同的处理,使其对除了 CO2 和 H2O 以外的物质具有零吸附和解吸附能力。

4BMS model idealized 使用仿真设计高效可靠的二氧化碳去除程序(CDRA)系统
理想的 4BMS 模型。图片来自 R. Coker 和 J. Knox 在 COMSOL 用户年会的投稿。

为了验证他们的模型,研究小组使用了际空间站的 CDRA 的 4BMS 地面试验。需要注意的是,一些输入参数是未知的,包括吸附剂总量、热绝缘程度、吸附床的压降。更进一步,为了更快地获得结果,并提高数值稳定性,吸附床的初始负载值的设置与预期的最终结果接近。

4BMS 多物理场模型分析

下图中的数据比较了吸附剂床的温度和二氧化碳偏压的仿真结果和真实实验数据。总体来看,从测试的第四个半周期的数据得知,实验系统收敛很快。

当根据基线数据和 COMSOL Multiphysics 模拟数据(如下图所示)绘制热电偶(TC)位置的温度图时,研究人员发现,尽管他们的模型在吸收过程中的冷却速度稍快,但是在解吸附过程中的数据与实验相当吻合。这可能是由于实际上一维模型具有更大、更简单的几何形状,以及使用了一种包含翅片的特别方法。

comparing 4BMS temperature and time 使用仿真设计高效可靠的二氧化碳去除程序(CDRA)系统
吸附温度和时间对比图。图片来自 R. Coker 和 J. Knox 在 COMSOL 用户年会的投稿

下一步就是比较干燥剂床进水和出水处的二氧化碳偏压。如下图所示,在半周期的开始处,仿真和实验结果都出现了一个峰值。下图进一步显示了在半周期结束时有一个上升趋势,这表明吸附剂床完全突破饱和状态。这个结果不错,因为饱和的吸附床在解吸附过程中可最大化地去除 CO2

comparing 4BMS CO2 partial pressure and time  使用仿真设计高效可靠的二氧化碳去除程序(CDRA)系统
CO2 偏压和时间对比图。图片来自R. Coker 和 J. Knox 在 COMSOL 用户年会的投稿

设计新一代的 CDRA 4BMS 系统

NASA马歇尔太空飞行中心的研究人员成功地创建了可以预测整个 ISS 的 CDRA 的 4BMS 系统的全功能模型。展望未来,研究小组发现他们的一维模型具备准确预测 4BMS 中任何潜在问题的能力。例如,他们已经用它寻找到了吸附剂床中意外的热泄漏,并预测了干燥剂床中的过饱和行为。

这个计划最终会用其他的 CDRA-4EU 数据集来验证模型。这样做之后,研究人员可以将他作为一种资源使用,用来指导下一代的 CDRA 4BMS 系统的设计过程,并优化如国际空间站中的大气再生系统。

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NASA 并未公开支持 COMSOL Multiphysics® 软件。


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