吸入粗水式濾器流通能力優(yōu)化分析

婁燕鵬，劉興玉，張新奇，丁強(qiáng)偉

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第725研究所，河南 洛陽 471000)

0 引言

吸入粗水式濾器(以下簡稱“濾器”)作為海水管路系統(tǒng)的重要部件，其作用是過濾有害雜質(zhì)或微粒。濾器主要用于海底閥箱或海水泵的吸入管路。海水通過入口法蘭進(jìn)入濾器內(nèi)腔，經(jīng)濾網(wǎng)過濾后進(jìn)入到管路內(nèi)，這樣可有效清除管路內(nèi)的有害雜質(zhì)、海生物或微粒，使船用設(shè)備及管路暢通，保證各個(gè)系統(tǒng)正常工作[1-2]。

濾器根據(jù)濾芯材料不同分為表面濾器和深床濾器。船用或海水管路系統(tǒng)中的濾器一般采用表面濾器，其濾芯材料通常由金屬網(wǎng)、織物、紙質(zhì)等構(gòu)成[3]，本文研究對(duì)象的濾芯采用金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于濾器在管路系統(tǒng)中屬于阻力元件，對(duì)其內(nèi)部流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化可有效降低流阻系數(shù)，同時(shí)減小阻力元件產(chǎn)生的流激振動(dòng)。目前吸入粗水式濾器在設(shè)計(jì)時(shí)僅定性分析濾網(wǎng)距離濾器出口的間距和上法蘭距流道中心線的高度，未對(duì)其進(jìn)行深入研究。

本文從濾器流通能力角度出發(fā)，引入CFD仿真試驗(yàn)，對(duì)直通型吸入粗水式濾器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過改變?yōu)V筒結(jié)構(gòu)分布，計(jì)算得到不同形式濾器的流阻系數(shù)。分析模擬計(jì)算結(jié)果，并與公稱直徑進(jìn)行對(duì)比，定量分析濾筒合理的分布位置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)濾器小型化、輕量化的設(shè)計(jì)，為直通型吸入粗水式濾器設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

1 濾器模型及濾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 濾器模型

本文以高壓直通型吸入粗水式濾器為研究對(duì)象，分析濾筒結(jié)構(gòu)對(duì)流阻系數(shù)的影響。高壓直通型吸入粗水式濾器主要由殼體、濾筒、外螺紋截止閥、緊固件和密封件等組成,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。直通型濾器的流道呈流線型，具有流體阻力小、耐壓強(qiáng)度高、耐沖刷能力強(qiáng)、易維護(hù)、濾筒更換方便等特點(diǎn)。該濾器設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，流體介質(zhì)為海水。

圖1 高壓直通型吸入粗水式濾器結(jié)構(gòu)示意圖

名稱數(shù)值公稱直徑/mmDN100設(shè)計(jì)壓力/MPa5密度/(kg·m-3)1 025目數(shù)4

1.2 濾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海水流過濾筒時(shí)，為增加流道最小過流面積，將濾筒設(shè)置為偏心結(jié)構(gòu)。濾器主視及俯視剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖中，h為濾器殼體上法蘭距中心線的高度；h1為濾筒底端距中心線距離；h2為濾筒頂端距上法蘭距離；d1為殼體內(nèi)徑；d2為濾筒外徑。濾器部分結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

圖2 濾器結(jié)構(gòu)示意圖

名稱數(shù)值濾筒底端距中心線距離h1/mm112濾筒頂端距上法蘭距離h2/mm25殼體內(nèi)徑d1/mm208濾筒外徑d2/mm166

2 模型建立及邊界條件設(shè)置

2.1 流道模型建立及網(wǎng)格化分

建立吸入粗水式濾器三維模型，采用ANSYS有限元軟件反向生成流道模型，并劃分網(wǎng)格。由于流道結(jié)構(gòu)不規(guī)則，所以采用四面體/混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分。為確保計(jì)算結(jié)果更加精確，對(duì)流動(dòng)變化劇烈區(qū)域進(jìn)行了加密處理。l=21 mm、h=138 mm的流道網(wǎng)格模型如圖3所示，網(wǎng)格數(shù)約為145.7萬。

圖3 流道網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件及流體參數(shù)

吸入粗水式濾器的流體介質(zhì)為海水，介質(zhì)屬于不可壓縮的牛頓流體，流動(dòng)狀態(tài)為湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流模型[4]。依據(jù)實(shí)際工況，將濾器入、出口均設(shè)為靜力。根據(jù)《閥門 流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，為使濾器的流阻系數(shù)更為準(zhǔn)確，且不產(chǎn)生阻塞流，設(shè)置流體入口的壓力為200 kPa，出口壓力為100 kPa，方向沿進(jìn)出口平面法線方向，水力直徑為流道進(jìn)口直徑。流體介質(zhì)密度1 025 kg/m3，動(dòng)力粘度為1.054×10-3kg/(m·s)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)以上模型及邊界條件對(duì)吸入粗水式濾器的流通能力進(jìn)行仿真計(jì)算，得到出口截面的質(zhì)量流量，通過公式計(jì)算得到濾器的流阻系數(shù)ξ，見式(1)：

(1)

式中：Δp為濾器壓差；ρ為介質(zhì)密度；A為出口截面過流面積；qm為質(zhì)量流量。

3.1 典型模型的流場分析

本文分析對(duì)象為現(xiàn)用濾器，通過改變?yōu)V筒相對(duì)殼體出口端的距離及殼體上法蘭距中心線的高度，采用有限元分析方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。保持其他參數(shù)不變，以偏心距離l=21 mm，上法蘭高度h=138 mm為參數(shù)組合對(duì)濾器的內(nèi)部流場進(jìn)行分析，濾器內(nèi)部流道速度流線圖如圖4所示，節(jié)點(diǎn)采用等間隔方式采樣，節(jié)點(diǎn)數(shù)為300。

圖4 流道速度流線圖

由圖4可知，流體經(jīng)入口流道進(jìn)入濾筒內(nèi)部時(shí)，由于截面突然擴(kuò)大使流速降低，流體不發(fā)生節(jié)流；流體流經(jīng)濾筒小孔后流體節(jié)流，靠近流道中心線處流體流速增加；流體進(jìn)入出口流道時(shí)因截面縮小流速恢復(fù)到與入口流道相同的流速。流體最大流速出現(xiàn)在流道入口處，這是由于流道截面突然縮小流體在出口處產(chǎn)生沖刷。

3.2 距離l對(duì)流阻系數(shù)的影響

改變?yōu)V筒相對(duì)殼體出口端的距離，利用三維建模軟件建立不同距離下濾器的三維模型。采用ANSYS/CFX軟件對(duì)其進(jìn)行分析，得到不同偏心距下流體的質(zhì)量流量，將流量系數(shù)代入式(1)中求解得到不同距離下流阻系數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表3。

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，基于最小二乘法采用四階曲線擬合，得到流阻系數(shù)隨偏心距離l的變化趨勢，如圖5所示。

由圖5可知，濾筒相對(duì)殼體出口端的距離減小時(shí)流阻系數(shù)增大。這是由于流體經(jīng)過濾筒節(jié)流孔進(jìn)入殼體內(nèi)部時(shí)產(chǎn)生節(jié)流，節(jié)流模型可等效為小孔淹沒出流。當(dāng)濾筒向殼體出口端偏心時(shí)(l<21 mm)，殼體內(nèi)流體節(jié)流后不能充分發(fā)展，流阻系數(shù)增加，且偏心距離越大流阻系數(shù)越大。當(dāng)濾筒向殼體入口端偏心時(shí)(l>21 mm)流阻系數(shù)減小，且偏心距離越大流阻越小。當(dāng)濾筒相對(duì)殼體出口端的距離(l=30 mm)時(shí)，殼體內(nèi)經(jīng)濾筒節(jié)流后的流體充分發(fā)展，流阻系數(shù)趨于穩(wěn)定。即濾筒設(shè)計(jì)時(shí)，濾筒相對(duì)殼體出口端的距離應(yīng)不小于濾器公稱直徑的0.3倍。

表3 不同距離下模擬計(jì)算結(jié)果

圖5 流阻系數(shù)隨距離l的變化趨勢

3.3 殼體上法蘭高度h對(duì)流阻系數(shù)的影響

由圖2可看出，上法蘭高度既影響殼體重量和外形尺寸，又影響濾器的流通能力。若減小上法蘭高度，會(huì)使殼體的重量減輕和外形尺寸減小，但濾器流通能力也會(huì)隨之減小。改變?yōu)V器殼體上法蘭距中心線的高度h，建立不同高度下濾器的三維模型，采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行分析，得到不同高度下流體的質(zhì)量流量，將流量系數(shù)代入式(1)中求解得到不同高度下流阻系數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表4。

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)，基于最小二乘法采用四階曲線擬合，并對(duì)部分?jǐn)M合奇異點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到流阻系數(shù)隨上法蘭高度h的變化趨勢，如圖6所示。

由圖6可知，隨著上法蘭高度h增加，濾器的流阻系數(shù)迅速降低；當(dāng)上法蘭高度h增加到約125 mm，濾器的流阻系數(shù)趨于穩(wěn)定。這是由于當(dāng)濾器上法蘭高度h<125 mm時(shí)，濾筒內(nèi)容腔體積較小，經(jīng)入口流道進(jìn)入濾筒內(nèi)的流體不能充分發(fā)展，流阻系數(shù)較大；當(dāng)上法蘭高度h>125 mm后，濾筒內(nèi)流體得到充分發(fā)展，由于出口截面保持不變，流體經(jīng)濾筒進(jìn)入出口流道的流阻系數(shù)基本不變。考慮材料的成本，可將上法蘭高度h設(shè)定為125 mm，上法蘭高度為濾器公稱直徑的1.25倍。

表4 不同高度下模擬計(jì)算結(jié)果

圖6 流阻系數(shù)隨上法蘭高度h的變化趨勢

4 結(jié)語

(1)隨著濾筒相對(duì)殼體出口端的距離增大，濾器的流阻系數(shù)減??；當(dāng)濾筒相對(duì)殼體出口端的距離約為濾器公稱直徑的0.3倍時(shí)，流阻系數(shù)基本保持不變。因此，濾筒設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證濾筒相對(duì)殼體出口端的距離不小于濾器公稱直徑的0.3倍。

(2)隨著上法蘭高度增加，吸入粗水式濾器的流阻系數(shù)呈先降低后穩(wěn)定的趨勢，但增加了殼體及濾筒材料成本。在不影響流阻系數(shù)的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮成本節(jié)約，濾器上法蘭的高度應(yīng)保持為1.25倍濾器公稱直徑。