張可可, 侯宗宗, 喬俊杰
(中國船舶集團公司第七二五研究所,河南 洛陽 471000)
目前,過濾器(以下簡稱“濾器”)已廣泛應(yīng)用于船舶、電廠等領(lǐng)域。在船舶領(lǐng)域,隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展,80%貨物往來依靠遠洋船舶運輸[1]。船舶運輸離不開的壓載水系統(tǒng)來消除壓載水中有害海生物的存活和轉(zhuǎn)移機會,從而保護海洋海生物的生存環(huán)境不受污染。而濾器作為壓載水系統(tǒng)中過濾作用的第一道環(huán)節(jié),其過濾器性能的好壞將直接影響到壓載水處理的最終效果[2-3]。
在電廠領(lǐng)域,濾器主要應(yīng)用于電解海水制氯酸鈉系統(tǒng)中,其作用是過濾海水中的固體顆粒。海水通過入口泵后,進入濾器的濾芯內(nèi)腔,經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后進入制氯系統(tǒng),而海水中雜質(zhì)被攔截在濾芯內(nèi)部,從而保證電廠制氯系統(tǒng)的正常工作[4-5]。
目前,過濾器清污技術(shù)主要有吸吮、刮刷來清除濾芯表面的污漬等;為了使過濾器濾芯在核電廠更加安全、可靠的運行,喬天飛等[6]在國內(nèi)核電廠過濾器中采用國產(chǎn)化濾芯,并且,除了采用NB/T《核電廠用水過濾器濾芯通用技術(shù)條件》外,還編制了滿足國內(nèi)生產(chǎn)要求和性能檢測的標(biāo)準(zhǔn)。但是,目前濾器在吸污部件設(shè)計時,僅定性分析了吸污管和排污管的管徑對濾網(wǎng)吸污效果的影響,未對其進行深入研究。
本文從吸污部件的流場角度出發(fā),通過改變排污管和吸管的管徑,得到不同的流速和相對方差來研究吸污部件的流場特性。
通過排污管、吸管和吸嘴不同管徑組合,來定量分析吸污部件的內(nèi)部流場特性和規(guī)律,為濾器吸污部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)。
本文以電解制氯系統(tǒng)過濾器的吸污部件為研究對象,來分析吸污部件的內(nèi)部流場特性。吸污部件主要由吸污嘴(以下簡稱為“吸嘴”)、排污管、吸污管(以下簡稱為“吸管”)等組成(見圖1)。海水通過濾網(wǎng)后將雜質(zhì)截留在濾網(wǎng)內(nèi)部,在反沖洗時,雜質(zhì)通過吸嘴收集后經(jīng)吸管和排污管排出濾器,減少雜質(zhì)在濾網(wǎng)表面的累積,保證濾器正常工作。
圖1 吸污部件的結(jié)構(gòu)示意圖
為了更好研究吸污部件流場特性,將吸污部件分為兩個部分,即排吸組件(由排污管和吸管組成)和吸嘴部分。
根據(jù)濾器排吸組件的實際尺寸,建立仿真模型,采用Fluent軟件對模型進行網(wǎng)格劃分,對排吸組件選用局部膨脹層設(shè)置,膨脹層設(shè)置為5層,最大厚度為3 mm,進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格質(zhì)量采用orthigonalquality進行評判,最小網(wǎng)格質(zhì)量可達到0.290,平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.926;滿足仿真需求。
雷諾系數(shù)計算公式見式(1)。
(1)
式中v為流體的流速;v=0.2 m/s;ρ為流體的密度,ρ=998.2 kg/m3;μ為流體的黏度系數(shù),μ=0.001 003 pa.s;d為特征長度,此處代表管道直徑,d=0.052 m。將以上數(shù)據(jù)代入式(1)中可得Re=103 812.8,遠大于10 000,屬于湍流現(xiàn)象。
因此在Fluent中,將模型設(shè)置為湍流模型,選用k-epsilon中realizable模型。
邊界條件選用入口設(shè)置壓力為1 MPa;出口速度分別設(shè)置為1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s。
經(jīng)過仿真可得到在不同出口流速下的4個吸管位置處的流速,為了便于對吸管的流速進行分析,引入相對方差和相對極差,其相對方差是指各吸管流速的均方差除以平均值;相對極差是指各吸管流速的極差除以最小流速值。可得到不同流速下吸管的方差和極差,分析見表1。
表1 不同出口流速下吸管的方差和極差分析
分析表1可知,吸管1到吸管4的速度依次從小到大,呈現(xiàn)出階梯變化,即靠近出口處的吸管速度越大,而遠離出口處的吸管速度越小,這是因為,在吸管管徑相同的情況下,水流會呈現(xiàn)“就近原則”,將離近出水口的水流先排出所致。
分析表1可知,在出口流速作用下吸管的相對方差和相對極差均較大,最大可達到155.82%,但出口速度大小變化對吸管的相對方差和極差影響較小,這是因為吸管1到吸管4的管徑大小相同,在不同出口流速作用下,對吸管的流場影響趨于一致。
因此采用此管徑組合的吸管對濾芯進行吸污時,排吸組件各位置上的吸管對濾網(wǎng)清洗速度不一樣,具有較大不均性,在反沖洗時對濾網(wǎng)表面清污效果表現(xiàn)不佳。因此,需對此排吸組件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
排吸組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要從兩個方面進行考慮,一方面,排污管優(yōu)化設(shè)計,即將排污管加工成錐形,吸管為等徑的吸管;但排污管加工成錐形時,加工難度較大且加工成本較高,不予考慮。
另一方面,排污管和吸管的管徑進行綜合優(yōu)化,即先將排污管管徑進行優(yōu)化,再對各吸管管徑進行優(yōu)化。加工難度較低,滿足加工要求,符合實際生產(chǎn)需求。
排污管和吸管的面積關(guān)系見式(2)、式(3)。
(2)
式中,S1為排污管的面積,mm2;D1為排污管直徑,mm。
(3)
式中,S2為吸管的面積,mm2;D2為吸管直徑,mm。
根據(jù)實際流量和工作需求有S1≥4S2,其中,將D2=0.034代入式(2)中計算,并結(jié)合GB/T 17395-2008《無縫鋼管尺寸、外形、質(zhì)量及允許偏差》,綜合考慮可得D1=66mm。其余邊界條件不變,在出口流速分別設(shè)置為1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s時,仿真結(jié)果見表2。
表2 排污管66mm時吸管的方差和極差分析
分析表2可知,將排污管的管徑增大至66 mm時,此時吸管的相對極差約為40%,提高了將近4倍,很大程度上降低了吸管之間的極差,對吸管清污有很大的改善。這是因為,排污管的管徑增大,降低了對吸管流速的不均性,改善了吸管的清污條件。但從吸管1到吸管4的吸管速度呈現(xiàn)階梯變化的關(guān)系仍未改變,即從小依次增大,這是因為吸管管徑?jīng)]有改變引起所致。雖然排污管的管徑增加,會改善排吸組件的清洗效果,但吸管的相對方差和相對極差值均處于約13%和41%,對清污效果影響仍較大。
為了更好地研究排污管和吸嘴管徑之間關(guān)系,將出口速度設(shè)置為2 m/s,排污口管徑設(shè)置為66 mm,優(yōu)化吸管進行對比試驗,試驗方案明細見表3。
表3 排污管和吸管組合方案明細 (m)
方案一:將吸管4管徑調(diào)整至30 mm,吸管3調(diào)整至31 mm,吸管2調(diào)整至32 mm。
方案二:將吸管4管徑調(diào)整至30 mm,吸管3調(diào)整至32 mm,吸管2調(diào)整至32 mm。
方案三:將吸管4管徑調(diào)整至31 mm,吸管3調(diào)整至33 mm,吸管2調(diào)整至33 mm。
將3種方案按照要求進行建立模型,邊界條件保持不變,仿真結(jié)果見圖2。
圖2 3種方案下各吸管管徑流速對比
從圖2可以看出,方案一吸管1到吸管3的流速先減小,再到吸管4時迅速增大,速度振幅在0.4以上,振幅較大;方案二吸管1到吸管4的流速變化比較平穩(wěn),振幅在0.15之內(nèi);方案三吸管1到吸管2迅速增大,在吸管2處達到最大值,其增幅在0.3以上,從吸管2到吸管4,則變化比較平穩(wěn)。這是因為,方案一吸管3和方案三吸管1流速偏小是由于管徑偏小與吸管水流呈現(xiàn)的“就近原則”不匹配所致,導(dǎo)致方案一和方案三中各振幅較大。綜合分析可知,方案二各吸管處速度場的相對平穩(wěn),滿足吸管的清污要求。
吸嘴安裝在吸管上,對濾網(wǎng)進行清污。而吸污管管徑隨排污管的距離變化而變化,吸污管的管徑變化將影響吸嘴內(nèi)部的流場變化,因此需對吸嘴的流場進行分析,建立仿真模型,見圖3。
圖3 吸嘴仿真模型
由于方案一中吸管相對極差為21.03%,對吸嘴的流場影響較大。因此在吸嘴流場時,不再考慮方案一,僅對方案二和方案三在吸嘴流場中給予考慮。
為了形成更好的對比分析,增添兩個方案:即原方案和方案四。原方案排污管的管徑為54 mm,吸管的管徑均為34 mm;方案四中吸管管徑均設(shè)置為34 mm,排污管管徑設(shè)置為66 mm(此方案在1.4中表2已分析)。邊界條件保持不變,仿真結(jié)果見圖4。
圖4 不同方案下吸嘴的流速、相對方差和相對極差
從圖4可以看出,方案三的相對極差最小,即12.6%,相對于原方案相對極差提高了近14倍,說明采用方案三此種組合方式,吸嘴處的流速有較好的一致性,有較好的吸污效果。這是因為,采用吸嘴和吸管結(jié)構(gòu)輪廓相同時,在吸嘴內(nèi)部流場的受到吸管管徑影響所致,改變了吸管原有的流道方向和大小,從而導(dǎo)致吸嘴處的流速改變。
采用方案三吸嘴和排污管管徑組合時,由于吸管各管徑的大小不一致,可能導(dǎo)致排污管的受力不均,從而影響吸嘴的使用壽命。因此,需對吸污部件進行受力分析。邊界條件:材料選用316 L,排污管和吸污管周圍作用的壓力設(shè)置為1 MPa。進行靜力學(xué)仿真分析,可得到吸污部件的等效應(yīng)力和總變形量,見圖5。
圖5 吸污管的等效應(yīng)應(yīng)力和總變形量
從圖5可以看出,排污管和吸管在排污時受到最大的應(yīng)力為34.966 MPa,在吸管1與排污管的焊縫處,這是焊縫處應(yīng)力集中造成此處為應(yīng)力薄弱點,但316 L不銹鋼管許用應(yīng)力在100 ℃時為97 MPa,排污管和吸管受到的應(yīng)力遠小于許用壓應(yīng)力,滿足使用需求。
通過圖5受力可知,排污管和吸管在壓力1 MPa作用下,其最大變形量在中間吸管的部位,其變形量為0.024 686 mm,在允許變形的范圍之內(nèi)。
因此,通過對排污管和吸管的剛度和強度分析可知,方案三的優(yōu)化設(shè)計,滿足應(yīng)力和變形使用需求。
1)當(dāng)排污管和吸管的管徑恒定不變時,吸管的速度離排污口的距離大小成反比,即吸管離出口位置越近時,吸管入口處速度越大,反之越小。
2)通過對排吸組件各方案的管徑組合和流場分析可知,方案二為最佳組合。如果考慮吸嘴、吸嘴和排污管的綜合影響時,通過流場分析可知,方案三為最佳組合,這是因為采用吸嘴和吸管結(jié)構(gòu)輪廓相同時,在吸嘴內(nèi)部流場受到吸管管徑影響,改變了吸管原有的流道方向和大小,從而導(dǎo)致吸嘴處的流速改變。
3)吸污組件的吸嘴管徑不同,將會導(dǎo)致吸污組件的吸管受力不均勻,嚴(yán)重時將影響吸污嘴的壽命,通過實際作用工況下對吸污組件進行ANSYS受力仿真分析可知,其吸污組件的受力和變形在實際的允許范圍之內(nèi),可忽略不計。