NASA马歇尔空间宇航中心研究员Jim Knox和David Howard报道了在长距离太空飞行中飞行舱内的大气再生系统研究成果，这项成果利用COMSOL Multiphysics研究如果通过管理舱内热量和设计吸附剂结构来改善吸附过程的性能。
对于所有的空间航行来说，工程师都需要尽量的减少飞船的动力、重量、体积，因为这三项性能指标对发射系统来说都会转化为质量。相比近地球轨道航行任务，如国际空间站、载人月球前哨基地，长距离空间飞行对于压力系统工程有更苛刻的要求。在这些要求中最主要的是所有的系统必须足够健全，在长时间的飞行中能够满足保证全体宇航员的绝对安全，而不用进行二次补给和搭载增加额外的救援设备。生命保障系统当然也不能例外。
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长距离空间飞行研发健全、轻便的生命保证系统，包括月球探险计划和火星探测计划。合作单位还有Vanderbilt大学的M. Douglas LeVan小组和South Carolina大学James Ritter小组吸附方面的研究人员。
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，不用再处理代谢废气和补充生活用水。在这些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。
这项ESS新技术包括热涂层和含有分子筛吸附剂的导电基片（金属）。金属基片可以直接有效的对吸附剂加热，同时还具有减少吸附过程中吸附热对吸附效率的影响。但是这项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，COMSOL Multiphysics仿真在设计和过程分析中起到了关键的作用。
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，从物理学中吸附和解吸附过程可以很容易的解释。在吸附过程中产生热量，随着温度的升高会影响吸附剂的效率从而抑制吸收过程。低温会增加吸附剂的效率，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作用，实际的效果会影响大气再生系统的工作量。
一个可行的解决办法就是让吸附材料和解吸附材料之间热量转移过程接近等温过程。这促使研究人员比较了来自Precision Combustion 公司的Microlith基片和Arcam公司利用电子束熔融技术（EBM）制造的基片在加上沸石类涂层后的性能。Microlith是在吸附剂上添加的金属网（图1）。当利用电进行加热后，与吸附剂密切接触的Microlith金属网形成了高效的热传输网络。Arcam公司的EBM快速制作过程利用电子束熔融金属粉末然后发生合并，这对于机器加工来说是完全不可能实现的。图2中就是NASA马歇尔空间宇航中心制作的样本图。
随着这些技术的成熟，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移走的过程消除吸附作用产生的热量中对提高多少系统性能？
图1 Microlith覆盖的吸附剂显微图
图2 NASA马歇尔空间宇航中心Arcam快速制作系统生产的基片内部结构（左）和有沸石类涂层结构（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经历不同的吸附过程时的热特性。线性主动力（LDF）系数是表征吸附剂到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测试等温吸附过程。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冲入二氧化碳和氮气。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型曲线的拐点。通过调整LDF系数，研究人员发现仿真数据和实验数据重合。
由于这些模拟证实了吸附模型的正确性，所以研究人员下一步就要研究吸附剂容器的热特性，以及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。
下面气相的热平衡的情况。仿真从干净的吸附床开始，加入450K氮气之后，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方法。
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，研究人员发现吸附热的消除会推迟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床来链接。
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。
这个方法把吸附周期从15分钟提高到一个小时，并保持去除率90%以上，这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
以上的发现促使研究人员优化金属涂层吸附剂的去除率，减少整个系统的体积。硬件和吸附过程的优化包括以下几方面：各种基片几何形状（金属网尺寸和间距）、过程参数（流、解吸附方法、循环时间）、外壳设计（吸附剂类型和数量）。
这就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EBM制造部分内部结构的简化几何模型图，内部是由有吸附剂涂层的金属棒组成，金属棒之间由装置壁热耦合连接。
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。
从这些数据出发，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（左）。
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（中）。
图5c 流体流过吸附结构时流的不均匀分布的3维切片图（右）。
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？
这一切都意味着什么？这意味研究人员还有很多的工作要做。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，在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之前，研究人员还有很长的研究时间。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。
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、声学、地球科学、低频电磁场、射频、传热、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
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关于COMSOL
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
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