蘇引引，吳 笛，段 俐，康 琦，呂佩師，許 升，勞春峰，宋華誠(chéng)，張靜靜

（1.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.青島海爾智能技術(shù)研發(fā)有限公司，青島266101）

1 引言

換洗衣物的處理給航天員空間站長(zhǎng)期駐守帶來(lái)很大挑戰(zhàn)，大多時(shí)候，特別是航天員中短期空間飛行需要換洗的衣服當(dāng)垃圾進(jìn)行處理。但是衣服的一次性使用將帶來(lái)極大的資源浪費(fèi)，按三人在軌飛行180天計(jì)算，如采用一次性服裝，共需消耗服裝300 kg左右，而通常發(fā)射1 kg的物品耗費(fèi)至少1萬(wàn)美金［1］。為了滿(mǎn)足航天員太空長(zhǎng)期生活對(duì)服裝生理和心理上的需求，衣服的清洗和重復(fù)利用研究具有十分重要的意義。因此，設(shè)計(jì)一款能耗低、易操控、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和安全性高的空間洗衣機(jī)具有重要的實(shí)用價(jià)值。

空間微重力環(huán)境，重力水平是地球表面重力g的10－3～10－6倍，在極低重力水平情況下甚至達(dá)到可以忽略的地步，此時(shí)表面張力會(huì)占主導(dǎo)地位，而微弱的表面張力使流體位形在外力作用下極易發(fā)生變化，因此空間流體管理與控制是一個(gè)重要而又復(fù)雜的問(wèn)題［2］。如圖1所示，航天員在國(guó)際空間站上擰毛巾［3］，毛巾中的液體不再同地面受到重力作用一樣自由下落，而是在液體表面張力和粘性力的作用下附著在毛巾表面，這種現(xiàn)象導(dǎo)致微重力環(huán)境下衣物脫水過(guò)程帶來(lái)困難。同時(shí)微重力環(huán)境下重力引起的浮力效應(yīng)消失導(dǎo)致氣體和液體混合在一起，如何實(shí)現(xiàn)有效的氣液分離是清洗衣物亟待解決的問(wèn)題。

圖1 航天員在空間站上擰毛巾［3］Fig．1 Astronaut wringing towels on space station［3］

1990年，美國(guó)宇航局（NASA）與俄勒岡州UMPQUA研究公司簽訂合同共同開(kāi)發(fā)一款新型的太空洗衣機(jī)SinglePhaseSpaceMachine（SPSM）［4］，如圖2 所示。 SPSM 在衣物清洗過(guò)程中采用排除容器中氣體保留單相液體清洗解決了氣液混合問(wèn)題，利用微波干燥減少能耗。通過(guò)內(nèi)部囊膨脹排氣，往內(nèi)腔充滿(mǎn)洗滌液，通過(guò)活塞的上下運(yùn)動(dòng)使衣服翻滾，最后再次通過(guò)內(nèi)部囊膨脹排除廢水，利用微波干燥達(dá)到清潔衣服的目的。1993年，UMPQUA又提出了一種改進(jìn)型的單相液體洗衣機(jī)方案 Single Phase Space Laundry（SPSL）［5］。2012年，美國(guó)德州農(nóng)機(jī)大學(xué)（TAMUK）的Victoria Bailey等開(kāi)發(fā)了Gravity Independent Laundry System（GILS）［1］，如圖3所示。 GILS 利用氣囊收縮擴(kuò)張對(duì)衣物擠壓，水管?chē)娝脱h(huán)加熱對(duì)衣物進(jìn)行清潔，給出了微重力條件下的一套高效安全的洗衣流程。

圖2 UMPQUA開(kāi)發(fā)的SPSM［4］Fig．2 SPSM designed by UMPQUA［4］

圖 3 TAMUK 開(kāi)發(fā)的 GILS［1］Fig．3 GILS designed by TAMUK［1］

本文基于離心式錐形兩相洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)方案，利用FLOW?3D流體力學(xué)軟件對(duì)微重力環(huán)境下洗衣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，針對(duì)失重條件下錐形桶內(nèi)的流體靜態(tài)分布、筒／波輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)態(tài)界面形貌和動(dòng)態(tài)流場(chǎng)分布等關(guān)鍵的微重力流動(dòng)管理問(wèn)題［6］開(kāi)展研究，得到洗衣機(jī)滾筒與波輪不同的運(yùn)行工況的內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律，為微重力洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供參考，為在軌清潔技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供建議。

2 數(shù)學(xué)物理模型

2.1 計(jì)算模型

本文提出一種適應(yīng)微重力環(huán)境的離心式錐形兩相洗衣機(jī)方案，圖4為新型洗衣機(jī)簡(jiǎn)圖。當(dāng)洗滌桶旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力的作用使衣物和水匯集到波輪處，通過(guò)波輪與衣物之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦衣物達(dá)到清洗的目的。脫水過(guò)程中洗滌桶旋轉(zhuǎn)，由于洗滌液密度大于內(nèi)部氣體密度，產(chǎn)生的較大離心力使液體靠近壁面通過(guò)上方的氣液出口流出，達(dá)到氣液分離的目的，而洗滌桶內(nèi)流體能否有效管理是這種新型洗衣機(jī)在微重力環(huán)境下能否達(dá)到其設(shè)計(jì)目的的重要保證。

圖4 離心式錐形兩相洗衣機(jī)模型Fig．4 Centrifugal cone?shaped two?phase washing machine

本文研究離心式錐形洗衣機(jī)在空間微重力下氣液界面的兩相流問(wèn)題，計(jì)算模型如圖5。波輪半徑R1＝155 mm，滾筒底部半徑R2＝100 mm，滾筒高h(yuǎn)＝200 mm，初始時(shí)刻液體填充高度hw＝68 mm。當(dāng)波輪和洗滌筒分別以角速度ω1和ω2旋轉(zhuǎn)，洗衣液隨著滾筒旋轉(zhuǎn)，在粘性力的作用下流動(dòng)，離心力沿滾筒壁面分量的作用使液體沿著滾筒壁接近波輪，最后滾筒和波輪共同作用于流體。數(shù)值計(jì)算基于以下基本假設(shè)：1）液體為不可壓縮流體，具有恒粘性，恒密度，不受溫度、時(shí)間的影響；2）不考慮容器與液體的熱交換；3）空間環(huán)境中的微重力水平在10－5～10－3g0。為了得到洗滌筒與波輪的不同運(yùn)動(dòng)方式對(duì)流場(chǎng)的影響，借鑒地面洗衣機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選取了6種不同的工況進(jìn)行計(jì)算，得到洗衣機(jī)靜態(tài)流場(chǎng)，以及滾筒和波輪不同的轉(zhuǎn)速、不同轉(zhuǎn)向下洗衣機(jī)動(dòng)態(tài)流場(chǎng)，如表1所示。

圖5 洗衣機(jī)計(jì)算模型示意圖Fig．5 Calculation model of washing machine

表1 數(shù)值模擬不同的工況組合Table 1 Different working conditions of numerical sim?ulation

流場(chǎng)中的Bond數(shù)和 Reynold數(shù)分別如式

（1）、式（2）：

其中，Δρ為界面分割的兩種不相容介質(zhì)的密度差，對(duì)于空氣?洗滌液來(lái)說(shuō)，Δρ近似等于洗滌液的密度ρ，g是加速度，L是特征尺度，取滾筒底部半徑R2，σ是界面的表面張力，U取給定工況五滾筒壁面液體速度。洗衣液的物性參數(shù)如表2，其中表面張力系數(shù)和接觸角利用中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所微重力實(shí)驗(yàn)室全自動(dòng)光學(xué)表面張力接觸角儀分別采用懸滴法和坐滴法測(cè)量［7］。為了便于與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，物性參數(shù)的測(cè)量基于PMMA（有機(jī)玻璃），表面張力系數(shù)測(cè)量精度為10－5N／m，接觸角精度為0.1°。

表2 計(jì)算模型中洗衣液的物性參數(shù)Table 2 The physical properties of fluid in calculation model

由式（1）可知Bo＜1，模型中表面張力占有重要的作用，由式（2）可知Re＝21 174，所以可以看成充分發(fā)展的湍流，因此模型中慣性力起重要作用。

2.2 控制方程與邊界條件

基于2.1中給出的計(jì)算模型基本假設(shè)，可以得到不含能量方程的流體力學(xué)控制方程，如式（3）、式（4）：

式中，v＝（u，v，w）為流體運(yùn)動(dòng)的速度矢量，g為重力加速度矢量，g＝－gez，ez為z方向的單位矢量，f為流場(chǎng)內(nèi)體積力項(xiàng)，p為壓強(qiáng)，ρ為流體密度，μ為流體的動(dòng)力粘度系數(shù)。邊界條件如下：

1）洗滌桶和波輪處為固壁邊界條件，如式（5）：

式中，n為固壁的單位法向量，包含垂直于波輪和洗滌筒壁面邊界的速度分量為零；

2）流體相對(duì)于壁面無(wú)滑移，即沿壁面兩個(gè)速度分量為0；

3）流體與壁面之間接觸角為0°；

4）在氣液界面上，滿(mǎn)足法向應(yīng)力與切向應(yīng)力平衡條件。

2.3 數(shù)值計(jì)算方法

本文計(jì)算模型的求解方法是由Hirt和Nicho?las等人［8］提出的基于多相流體積分?jǐn)?shù)方法（Mul?tiphase Volume of Fluid， VOF），通過(guò)對(duì)整個(gè)計(jì)算空間的某一相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行求解獲得空間某一相的分布，同時(shí)獲得相界面的所在位置。液相的體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足式（6）所示方程：

其中，F(xiàn) ＝F（x，y，z）為流體體積函數(shù)，表示計(jì)算區(qū)域內(nèi)流體所占據(jù)的體積分?jǐn)?shù)。若F＝0，則該單元全部為氣相流體所占據(jù)；F＝1，該單元為液相流體占據(jù)；當(dāng)0＜F＜1時(shí)，則該單元為包含兩相物質(zhì)的交界面單元。

本文采用RNG k?ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。RNG k?ε 模型［9?10］源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，在更廣泛的流動(dòng)中具有更高的可信度和精度。此外，由于計(jì)算模型中表面張力占有比重較大，所以計(jì)算網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，計(jì)算域的網(wǎng)格總數(shù)為646 866個(gè)，網(wǎng)格平均間距為d1＝3.33 mm。為了驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，取網(wǎng)格平均間距為d2＝3.0 mm的劃分方式，洗衣機(jī)靜態(tài)流場(chǎng)工況的壓力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比。當(dāng) t＝1.2 s時(shí)，點(diǎn)（0.192，0.07，0.525）的壓強(qiáng)分別為 p1＝0.2709 Pa，p2＝0.2673 Pa。 其相對(duì)誤差為1.3%，可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格敏感性較低。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 洗衣機(jī)靜態(tài)流場(chǎng)

微重力下重力影響很小，表面張力和粘性力的作用使洗滌桶流場(chǎng)出現(xiàn)與地面環(huán)境不同的位形。計(jì)算內(nèi)部流場(chǎng)在微重力環(huán)境下的靜態(tài)分布，對(duì)錐形洗衣機(jī)進(jìn)氣口、氣液出口和氣壓平衡口位置的選擇具有重要的意義。微重力環(huán)境下洗衣機(jī)開(kāi)孔處由于尺度小，會(huì)產(chǎn)生表面張力驅(qū)動(dòng)力使液體會(huì)流入進(jìn)氣口和氣壓平衡口，影響洗衣機(jī)的正常使用。圖6是微重力環(huán)境下洗衣機(jī)底部填充液體后二維自由面重構(gòu)和壓力場(chǎng)（中性截面）。

圖6 微重力條件下洗滌筒的自由面重構(gòu)和壓力場(chǎng)Fig．6 Surface reconstruction of fluid and pressure of washing tubes in microgravity

微重力條件下，洗衣機(jī)底部液體沿著滾筒壁向上爬升在滾筒的中間形成一個(gè)凹的自由氣液分界面。液體在表面張力的作用下，在液面內(nèi)外會(huì)有壓力差，形成附加壓強(qiáng)Δp，圖7為表面張力引起的附加壓力。

圖7 表面張力引起的附加壓力Fig．7 Additional tension caused by surface tension

其中，R1和R2是液面的主曲率半徑，P1和P2分別為氣液內(nèi)部壓強(qiáng)，由 Young?Laplace公式［2］得到式（7）：

ΔP為氣液之間壓差。洗滌筒的液面可以近似看成球形的，即R1＝R2＝R。那么靠近洗滌筒中心液面壓力差ΔP內(nèi)和靠近筒壁的液面壓力差ΔP外，如式（8）：

所以毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力如式（9）：

由圖6可以看出，由于靠洗滌筒越近液面的曲率半徑R外越小，會(huì)產(chǎn)生向外的表面張力驅(qū)動(dòng)力ΔPdrive。當(dāng)t＝1.2 s時(shí)，通過(guò)云圖可以得到靠近旋轉(zhuǎn)軸的液體與靠近洗滌筒壁面壓強(qiáng)差ΔPdrive＝1.77 Pa。在表面張力產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力和粘性力作用下，液體會(huì)逐漸浸潤(rùn)整個(gè)洗滌筒壁面，當(dāng)t＝12 s時(shí)，液體將氣體包裹在洗衣機(jī)中心區(qū)域。由于洗滌筒開(kāi)孔處液體受到的表面張力較大，容易沿孔壁流動(dòng)，為了防止液體從氣壓平衡口和氣口進(jìn)入外部的氣管而影響洗衣機(jī)正常使用，在洗滌筒氣口的末端（靠近洗滌筒壁處）設(shè)計(jì)成如圖8的結(jié)構(gòu)，并且在楔形處采用與洗衣液接觸角大的材料以抑制液體的浸潤(rùn)，減少液體進(jìn)入氣孔。

圖8 氣口處的楔形結(jié)構(gòu)導(dǎo)管Fig．8 The wedge?shaped wedge structure in the air pressure balance

3.2 洗衣機(jī)動(dòng)態(tài)流場(chǎng)

3.2.1 波輪、洗滌筒單方向旋轉(zhuǎn)

微重力環(huán)境下，洗衣機(jī)洗滌時(shí)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，離心力使衣物和水靠近波輪，波輪相對(duì)內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)波輪與液體以及衣物之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦衣物達(dá)到清洗的目的。然后波輪與內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)方向改變，使衣物脫離波輪，隨后再次接觸波輪，以便衣物與波輪充分接觸提高清洗效果。通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力克服微重力下衣物不能接觸波輪導(dǎo)致的機(jī)械摩擦力小、洗凈度低的問(wèn)題。

圖9是工況二時(shí)微重力條件下的流場(chǎng)分布，紅色代表液體，藍(lán)色代表氣體，截面尺寸與圖6一致。波輪和洗滌筒沿著不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速 ω1＝120 r／min，ω2＝ －300 r／min，初始時(shí)刻洗滌筒波輪的加速為0.3 s，轉(zhuǎn)動(dòng)停止時(shí)減速時(shí)間0.3 s，總的計(jì)算時(shí)間為8 s。

如圖9，相比于洗衣機(jī)靜態(tài)流場(chǎng)，洗滌筒從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)0.8 s后液體就流到波輪處。在波輪和洗滌筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，當(dāng)t＝3.2 s時(shí)，洗衣機(jī)流場(chǎng)在滾筒和波輪的共同作用下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，液體會(huì)大部分集中在洗滌筒和波輪結(jié)合處，這樣在洗滌過(guò)程中會(huì)使衣物與波輪充分接觸，增加摩擦?xí)r間提高洗滌效果，在脫水過(guò)程中，將出液口設(shè)計(jì)在結(jié)合部更有利于液體流出洗衣機(jī)內(nèi)腔。當(dāng)t＝4.0 s、5.6 s、7.2 s時(shí)，當(dāng)洗滌筒流場(chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，氣液界面會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的直徑為D的圓柱形液面，8 s左右的時(shí)候由于洗滌筒轉(zhuǎn)速降低，液體離心力變小，液體會(huì)沿著滾筒壁向下運(yùn)動(dòng)，液面直徑D會(huì)變大，液體會(huì)慢慢鋪滿(mǎn)整個(gè)洗滌筒壁。所以在條件允許的情況下盡可能提高洗滌筒的轉(zhuǎn)速，流體會(huì)更多地聚集在波輪附近，與衣物之間的交換越好，清潔效果也越好。

圖9 工況二洗衣機(jī)微重力條件下自由液面重構(gòu)Fig．9 Surface reconstruction of fluid of Case II under micro?gravity

3.2.2 波輪、洗滌筒交替旋轉(zhuǎn)

流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和翻滾運(yùn)動(dòng)對(duì)洗衣機(jī)的性能產(chǎn)生重要影響［11］。流體只旋轉(zhuǎn)不翻滾，衣物膨潤(rùn)不夠，舒展不開(kāi)，沖擊無(wú)力，洗滌效果不好；如果只翻滾不旋轉(zhuǎn)，同樣效果也不好；只有既旋轉(zhuǎn)又翻滾，才能沖擊摩擦有力，使洗衣機(jī)的綜合效能提高。圖10是工況三、工況四洗衣機(jī)洗滌筒波輪隨時(shí)間交替運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速圖，波輪和洗滌筒的加速時(shí)間和減速時(shí)間均為0.3 s，總的計(jì)算時(shí)間為8 s，以研究微重力條件下流場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖10 工況三、工況四洗衣機(jī)波輪和洗滌筒轉(zhuǎn)速Fig．10 Velocity of washing tube and pulsator of Case III and Case IV

圖11 、圖12是工況三、工況四微重力條件下，洗衣機(jī)洗滌筒波輪隨時(shí)間交替運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)分布，紅色代表液相，藍(lán)色代表氣相?？梢钥闯?，在t＝0.8 s時(shí)，與波輪接觸的流體較少，波輪的旋轉(zhuǎn)對(duì)流體影響比較小，此時(shí)的液體位形基本一樣。在t＝1.6 s時(shí)，明顯看到洗滌筒流場(chǎng)下部基本一致，上部當(dāng)波輪洗滌筒同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于波輪的作用使上部圓柱氣液分界面直徑D明顯較大。在t＝3 s時(shí)，洗滌筒和波輪轉(zhuǎn)速都變成0，液體內(nèi)部粘性耗散使流速降低離心力變小，流體會(huì)沿著滾筒壁向洗衣機(jī)底部運(yùn)動(dòng)，最終鋪滿(mǎn)整個(gè)滾筒內(nèi)壁。滾筒與波輪發(fā)生速度反轉(zhuǎn)后，反轉(zhuǎn)初始時(shí)刻靠近洗滌筒流體隨筒壁轉(zhuǎn)速快，內(nèi)部流體由于慣性速度比較慢，導(dǎo)致下部分的流體產(chǎn)生較大離心力而突然向上運(yùn)動(dòng)，最后形成t＝4 s、7.2 s時(shí)流場(chǎng)的翻轉(zhuǎn)，使衣物充分膨潤(rùn)、舒展，提高衣物的清洗效果，同時(shí)避免了在清洗過(guò)程中只對(duì)衣物的某些部位作用而減少衣物的使用壽命。整個(gè)過(guò)程中流場(chǎng)發(fā)生2次流場(chǎng)翻轉(zhuǎn)。

此外，由于流場(chǎng)的翻轉(zhuǎn)，較大的剪切力導(dǎo)致部分流體脫離流場(chǎng)發(fā)生了飛濺現(xiàn)象，這樣會(huì)大大提高洗衣過(guò)程中洗滌液對(duì)衣物的沖擊作用。但在衣物的脫水過(guò)程中，為使氣液分離更加徹底，保證不出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象，洗滌筒需按工況二單一方向運(yùn)動(dòng)。

圖11 工況三洗衣機(jī)微重力條件下自由液面重構(gòu)Fig．11 Surface reconstruction of fluid of Case III under micro?gravity

圖12 工況四洗衣機(jī)微重力條件下自由液面重構(gòu)Fig．12 Surface reconstruction of fluid of Case IV under micro?gravity

3.2.3 滾筒、波輪單一旋轉(zhuǎn)

從簡(jiǎn)單機(jī)械力對(duì)洗衣機(jī)洗凈率與磨損率的影響來(lái)看，流體對(duì)衣物的沖擊力、彎曲力、拉伸力和摩擦力，是提高洗凈率和降低磨損率的重要因素。流體作用于衣物的各種機(jī)械力，在實(shí)際工作中是同時(shí)進(jìn)行的。為了得到微重力條件洗衣機(jī)洗滌筒和波輪單一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響，工況五和工況六分別對(duì)波輪轉(zhuǎn)速 ω1＝ ±120 r／min、ω2＝0 和ω1＝0、ω2＝ ±300 r／min 進(jìn)行計(jì)算，其中波輪和洗滌筒的加速時(shí)間和減速時(shí)間均為0.3 s。圖13和圖14為工況五、六微重力條件下的流場(chǎng)分布。

圖13中只有波輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)t＝0.8 s時(shí)，表面張力的作用使流體向洗滌筒底部運(yùn)動(dòng)，波輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度并沒(méi)有對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生很大影響。0.8 s以后液體之間的粘性力使遠(yuǎn)離波輪流體開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，最后液體與波輪脫離。相對(duì)于工況三和工況四在t＝1.6 s時(shí)，流體產(chǎn)生圓柱形氣液分界面，且直徑D3＞D4，這說(shuō)明波輪轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使流體脫離波輪，且波輪與洗滌筒同向轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)加快脫離速度。波輪單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)過(guò)程中流場(chǎng)沒(méi)有發(fā)生翻轉(zhuǎn)，波輪的運(yùn)動(dòng)對(duì)于流場(chǎng)翻轉(zhuǎn)沒(méi)有影響。

圖14中，工況六只有洗滌筒交替轉(zhuǎn)動(dòng)，流場(chǎng)發(fā)生2次翻轉(zhuǎn)，且洗滌筒內(nèi)部流場(chǎng)與工況三和工況四類(lèi)似。這說(shuō)明洗滌筒的運(yùn)動(dòng)對(duì)洗衣機(jī)流場(chǎng)分布有重要作用，且決定了流場(chǎng)的翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，而波輪的轉(zhuǎn)動(dòng)只會(huì)影響流體脫離波輪的速度，對(duì)流場(chǎng)影響較小，其主要作用是與衣物摩擦而達(dá)到清潔的目的。

圖13 工況五洗衣機(jī)微重力條件下自由液面重構(gòu)Fig．13 Surface reconstruction of fluid of Case V under micro?gravity

圖14 工況六洗衣機(jī)微重力條件下自由液面重構(gòu)Fig．14 Surface reconstruction of fluid of Case VI under micro?gravity

3.3 洗滌筒、波輪對(duì)流場(chǎng)的作用

3.3.1 洗滌筒、波輪對(duì)流場(chǎng)的力的作用

洗衣機(jī)通過(guò)波輪、洗滌筒的旋轉(zhuǎn)，使洗滌液在桶內(nèi)形成渦流，迫使織物旋轉(zhuǎn)和翻滾，在織物和織物之間、織物和桶壁之間、織物和洗滌液之間產(chǎn)生摩擦力，同時(shí)織物在洗滌液中受到?jīng)_擊力、彎曲力、壓縮力和拉伸力，再加上洗滌液的去污作用，達(dá)到洗滌的目的［12］。流體作用于衣物的壓力是由洗滌筒和波輪傳遞的，作用于流場(chǎng)的力越大，流場(chǎng)作用于衣物產(chǎn)生的沖擊力越大，洗滌效果就越好［11］。因此得到不同工況下洗滌筒和波輪對(duì)流場(chǎng)的力對(duì)洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要的意義。圖15和圖16分別是洗滌筒和波輪對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的力。

從圖15、16對(duì)比可以看出，波輪和洗滌筒交替旋轉(zhuǎn)的情況下，工況三波輪洗滌筒的同向交替旋轉(zhuǎn)對(duì)流場(chǎng)的力F1、F2比工況四波輪洗滌筒的異向交替旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力都要略大。

圖16 波輪對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的力Fig．16 The force generated by the pulsator

綜上所述，為了保證洗衣機(jī)在洗滌過(guò)程中既要增加對(duì)流場(chǎng)的力，又要保證必要的翻轉(zhuǎn)次數(shù)以提高對(duì)衣物的清潔效果，在洗滌過(guò)程中，洗衣機(jī)按照工況三的方式運(yùn)行。而在洗衣機(jī)脫水氣液干燥的過(guò)程中，為了保證液體流出洗滌筒，在洗滌筒和波輪結(jié)合部設(shè)計(jì)出水口，并且洗衣機(jī)按照工況二方式運(yùn)動(dòng)，此時(shí)可以使波輪靜止不動(dòng)。

3.3.2 洗衣機(jī)流場(chǎng)動(dòng)能

離心式錐形洗衣機(jī)通過(guò)洗滌筒和波輪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)洗衣機(jī)內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)，流體的運(yùn)動(dòng)不斷地沖擊衣物，使衣物翻轉(zhuǎn)、摩擦而達(dá)到清潔的目的。而流體對(duì)于衣物的作用能量來(lái)自于流場(chǎng)內(nèi)部的動(dòng)能，運(yùn)動(dòng)流體動(dòng)能越大，其對(duì)流場(chǎng)中的衣物沖擊越劇烈，衣物的洗凈效果就越好。因此可以用流場(chǎng)單位質(zhì)量的平均動(dòng)能（Mean Kinetic Energy，MKE）來(lái)表征整個(gè)洗衣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)所具有的動(dòng)能［13］。

圖17是工況三MKE隨時(shí)間的變化。圖中可以看出，平均動(dòng)能在t＝2 s左右達(dá)到最大，此時(shí)波輪和洗滌筒在第一個(gè)半周期同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間達(dá)到最大，流體平均速度達(dá)到最大。

圖17 工況三MKE隨時(shí)間的變化Fig．17 Changes of MKE over time in Case III

流體內(nèi)部微團(tuán)之間的碰撞或混合愈劇烈，湍流程度愈大，局部摩擦力也愈大，這樣對(duì)衣物的清潔效果越好。而湍流的脈動(dòng)強(qiáng)度可以通過(guò)湍流動(dòng)能（Turbulent Kinetic Energy，TKE）來(lái)表征，如式（10）所示：

其中，u′、v′、w′是 x、y、z方向速度的脈動(dòng)量。

圖18是工況三單位質(zhì)量流體TKE隨時(shí)間的變化?？梢缘玫剑趖＝4 s和t＝7 s左右的時(shí)候，湍流動(dòng)能較大，此時(shí)流體微團(tuán)脈動(dòng)量較大，對(duì)衣物的沖擊效果更好。從圖15、16、17、18工況三條件下洗衣機(jī)滾筒、波輪對(duì)流場(chǎng)力的作用、流場(chǎng)的MKE與TKE來(lái)看，由于滾筒波輪的周期性運(yùn)動(dòng)，使這些物理量呈現(xiàn)周期性變化，周期為外部輸入周期的一半，T＝3.25 s。

圖19是洗衣機(jī)在工況三條件下t＝7.2 s時(shí)中性截面處的湍動(dòng)能與速度場(chǎng)分布。可以看出，當(dāng)t＝7.2 s時(shí)，洗衣機(jī)內(nèi)部在靠近滾筒壁的湍動(dòng)能和速度都最大，衣物受到的沖擊最大，洗衣效果也較好。

圖19 t＝7 #x1001b1; 2 s時(shí)工況三湍動(dòng)能與速度場(chǎng)分布Fig．19 Turbulent energy and velocity magnitude of Case III when t＝7 #x1001b1; 2 s

4 結(jié)論

本文基于離心式錐形兩相洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)方案，針對(duì)失重條件下錐形桶內(nèi)的流體靜態(tài)分布、筒／波輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)態(tài)界面形貌和動(dòng)態(tài)流場(chǎng)分布、波輪和洗滌筒對(duì)流場(chǎng)力的作用和微重力環(huán)境下洗衣機(jī)洗凈比等關(guān)鍵的微重力流動(dòng)管理問(wèn)題開(kāi)展了研究，得到如下的結(jié)論：

1）微重力下錐形筒洗衣機(jī)靜態(tài)流場(chǎng)在表面張力驅(qū)動(dòng)下沿著洗滌筒壁爬升，在氣壓平衡口處設(shè)計(jì)楔形氣口；

2）洗滌筒的交替旋轉(zhuǎn)使流場(chǎng)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，而波輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使流場(chǎng)脫離波輪接觸；

3）波輪和洗滌筒的同向交替轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的力要大于異向交替轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的力，在洗滌過(guò)程中的效果更好；

4）在洗滌過(guò)程中洗衣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)為湍流，流場(chǎng)能量的耗散使洗衣機(jī)平均動(dòng)能峰值變?。?/p>

5）洗衣機(jī)在洗滌過(guò)程中按照波輪和洗滌筒同向交替運(yùn)行，脫水過(guò)程按照洗滌筒單方向旋轉(zhuǎn)。

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