不同網(wǎng)孔模型對(duì)過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)的影響

侯宗宗* 李 謹(jǐn) 梁 晨 張 輝

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所）

0 引言

過(guò)濾器在化工、船舶、水處理等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，主要用于去除介質(zhì)中的污垢顆粒。過(guò)濾器主要由筒體、進(jìn)出水口接管、濾網(wǎng)、法蘭及法蘭蓋等組成。正常工作時(shí)，水流中的固體顆粒污垢被濾網(wǎng)攔截而附著于濾網(wǎng)的內(nèi)表面，因此濾網(wǎng)網(wǎng)孔影響著過(guò)濾器的過(guò)濾水量、過(guò)濾效果等過(guò)濾性能。濾網(wǎng)由沖孔板卷制而成，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、制作方便等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)行中，無(wú)法直接觀(guān)測(cè)過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)特性，如壓力損失、湍流情況、壓力場(chǎng)及速度場(chǎng)的分布情況等，因此，大部分學(xué)者采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件來(lái)模擬分析過(guò)濾器內(nèi)部的流場(chǎng)情況。陶洪飛等[1]采用3 種湍流模型及多孔介質(zhì)模型對(duì)網(wǎng)式過(guò)濾器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬后指出，Realizablek-ε模型具有更好的準(zhǔn)確性；王棟蕾等[2]運(yùn)用Fluent 軟件對(duì)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)改變排污管和吸污管的直徑來(lái)優(yōu)化過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)。

因此，選用不同的濾網(wǎng)網(wǎng)孔模型（T 型、U 型、Z 型），基于CFD 方法對(duì)過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行了模擬計(jì)算，全面地分析了3 種過(guò)濾器內(nèi)部的流場(chǎng)特性（如速度場(chǎng)、壓強(qiáng)場(chǎng)、能態(tài)場(chǎng)等），繪制了過(guò)濾器的流速-壓差性能曲線(xiàn)，并研究了不同濾網(wǎng)網(wǎng)孔對(duì)過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)的影響，可為進(jìn)一步優(yōu)化過(guò)濾器結(jié)構(gòu)、降低過(guò)濾器壓降提供參考。

1 模型建立

1.1 濾網(wǎng)規(guī)格

過(guò)濾器濾網(wǎng)通常采用標(biāo)準(zhǔn)篩板卷制而成，且應(yīng)符合GB/T 10612—2003《工業(yè)用篩板 板厚＜3 mm 的圓孔和方孔篩板》標(biāo)準(zhǔn)要求。選取三種網(wǎng)孔類(lèi)型，網(wǎng)孔的直徑w為6 mm，孔間距p為8.5 mm，倒角半徑r為0.5 mm，開(kāi)孔率為46%，其排布形式可見(jiàn)圖1。在其他工況條件相同的情況下，選用開(kāi)孔率為46%的篩板，這樣可以保證過(guò)流面積相同，即不影響過(guò)濾器的處理水量，而只改變網(wǎng)孔直徑和分布間距，其濾網(wǎng)模型可見(jiàn)圖2。

圖1 濾網(wǎng)排列形式

圖2 濾網(wǎng)模型

1.2 過(guò)濾器模型及網(wǎng)格劃分

管道過(guò)濾器的三維實(shí)體模型可見(jiàn)圖3。過(guò)濾器的進(jìn)出口尺寸為DN 100 mm，濾網(wǎng)的直徑為157 mm，長(zhǎng)度為510 mm。需要計(jì)算的流速范圍為0.5～2.5 m/s，根據(jù)實(shí)際情況構(gòu)建其三維實(shí)體流域模型并分割出濾網(wǎng)區(qū)域，模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，適當(dāng)優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，并有效地控制計(jì)算量[3]。整個(gè)模型網(wǎng)格總數(shù)為37 839 153，同時(shí)為了避免進(jìn)出口處介質(zhì)受到湍流的影響，可適當(dāng)延長(zhǎng)過(guò)濾器的進(jìn)出口管道。

圖3 過(guò)濾器三維實(shí)體模型

1.3 邊界條件

將過(guò)濾器的殼體、進(jìn)出水口接管以及濾網(wǎng)均設(shè)置為固定壁面，并選用無(wú)滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面條件。過(guò)濾器的進(jìn)口水流可看成均勻水流，且與進(jìn)口面垂直；另根據(jù)過(guò)濾器實(shí)際工況，將出水口設(shè)置為壓力出口，其值為200 Pa；迭代求解時(shí)，采取壓力與速度耦合的SIMPLE 算法，差分格式設(shè)置為二階迎風(fēng)格式、定常狀態(tài)，選擇Realizablek-ε湍流模型，其余設(shè)置均采用默認(rèn)值，并設(shè)置適當(dāng)?shù)牡綌?shù)[4]。

2 內(nèi)部流場(chǎng)分析

2.1 流速-壓差曲線(xiàn)

過(guò)流介質(zhì)為清水，選取不同的水流速度，對(duì)3 種濾網(wǎng)形式的過(guò)濾器進(jìn)行仿真計(jì)算，從而獲得相應(yīng)的仿真計(jì)算進(jìn)出口壓差值，并繪制了流速-壓差曲線(xiàn)，其對(duì)比結(jié)果可見(jiàn)圖4。結(jié)果表明：T 型、U 型、Z 型過(guò)濾器的流速-壓差曲線(xiàn)走勢(shì)一致，過(guò)濾器壓差值與水流速度呈正相關(guān)，壓差值隨著流速增大而增大；濾網(wǎng)網(wǎng)孔模型對(duì)過(guò)濾壓損有一定影響，T 型濾網(wǎng)孔徑越小，T 型和Z 型濾網(wǎng)排布相對(duì)密集，水流的速度越大會(huì)使湍流更激烈，也會(huì)造成更大的壓力損失；三維實(shí)體仿真計(jì)算具備一定的可靠性，可以直觀(guān)地展現(xiàn)其內(nèi)部流動(dòng)性能。

圖4 流速-壓差曲線(xiàn)

2.2 壓強(qiáng)場(chǎng)

圖5 表示水流流速為1.5 m/s 時(shí)，3 種過(guò)濾器內(nèi)部截面的壓強(qiáng)分布情況。由圖5 可知，當(dāng)濾網(wǎng)孔徑不同時(shí)，3 種過(guò)濾器內(nèi)部壓強(qiáng)場(chǎng)的分布情況基本一致，由于濾網(wǎng)由沖孔板卷制而成，具有阻擋作用，濾網(wǎng)網(wǎng)孔會(huì)造成流道變窄，使壓力分布比較集中，而流過(guò)濾網(wǎng)后總壓力值明顯減小，產(chǎn)生了較為明顯的壓降，進(jìn)出口壓差值也不同，分別為3 756.51、2 962.85、3 118.18 Pa。T型過(guò)濾器的壓降最大，Z型過(guò)濾器次之，U型過(guò)濾器的壓降最小，因方形孔的過(guò)流面積稍大，使得壓損相對(duì)較小；U型網(wǎng)孔排列相對(duì)規(guī)則，擾動(dòng)較小。

圖5 截面壓力分布圖（單位：Pa）

圖6 表示壓力沿軸線(xiàn)方向的分布情況，可以直觀(guān)地展示出壓力的變化情況，由于濾網(wǎng)的影響流體產(chǎn)生了明顯的壓降，突顯了濾網(wǎng)的流阻特性。

圖6 壓力沿軸線(xiàn)方向的分布圖

2.3 速度場(chǎng)

圖7 表示3 種過(guò)濾器內(nèi)部截面的介質(zhì)速度分布情況。通過(guò)對(duì)圖7 進(jìn)行對(duì)比分析可知，3 種過(guò)濾器內(nèi)部速度分布情況基本一致，水流流經(jīng)濾網(wǎng)時(shí)，因?yàn)V網(wǎng)網(wǎng)孔作用而產(chǎn)生激流，經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)后產(chǎn)生了較為明顯的尾流形狀，與實(shí)際情況相符。由于出水口接管與濾器筒體垂直，受出水口邊界條件的影響，水流沿著接管壁面方向的分速度逐漸減小，而沿接管軸線(xiàn)方向的分速度則逐漸增大，所以在出水口接管流場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生了一段“Y”形的紊流區(qū)域；在其他工況條件都相同的情況下，濾網(wǎng)網(wǎng)孔徑越小，水流經(jīng)過(guò)網(wǎng)孔的速率越大，濾網(wǎng)網(wǎng)孔排列交錯(cuò)，紊流區(qū)域就越明顯，造成的局部水頭損失也就越大。

圖7 截面速度分布圖（單位：m/s）

圖8 所示為速度沿軸向的分布情況。圖8 證明了濾網(wǎng)網(wǎng)孔對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生了激流效果，網(wǎng)孔中心速度較大，由于能量損耗而使得流速有所降低。

圖8 速度沿軸線(xiàn)方向的分布圖

2.4 能態(tài)場(chǎng)

圖9 所示為3 種過(guò)濾器內(nèi)部截面的湍動(dòng)能分布情況。對(duì)圖9 進(jìn)行對(duì)比分析后可知，3 種過(guò)濾器殼體的能態(tài)場(chǎng)總體較穩(wěn)定且分布規(guī)律相似，在濾網(wǎng)與出水口接管的交界區(qū)域均產(chǎn)生了湍動(dòng)能紊亂區(qū)域且分布不均勻，T 型過(guò)濾器造成的擾動(dòng)范圍最大，造成的水頭損失也越大；T 型、U 型、Z 型過(guò)濾器的內(nèi)部湍動(dòng)能范圍值分別為0～0.460、0～0.539、0～0.677 m2/s2。

圖9 截面湍動(dòng)能分布圖（單位：m2/s2）

3 結(jié)論

本文采用CFD 軟件對(duì)不同濾網(wǎng)網(wǎng)孔流場(chǎng)數(shù)值進(jìn)行模擬，分析了3 種濾網(wǎng)過(guò)濾器實(shí)體模型的流場(chǎng)性能，包括速度場(chǎng)、壓強(qiáng)場(chǎng)、能態(tài)場(chǎng)等。

（1）基于CFD 仿真計(jì)算獲得的模擬計(jì)算值和試驗(yàn)值相差不大，根據(jù)3 種模型得到的流速-壓差曲線(xiàn)的走勢(shì)較為一致，壓差隨著流速增大而增大，T 型過(guò)濾器的曲線(xiàn)斜每次最大，Z 型次之，U 型最小，在相同工況下，斜率最大差值達(dá)27%。

（2）濾網(wǎng)對(duì)介質(zhì)具有明顯的阻擋作用，網(wǎng)孔會(huì)造成流道變窄，導(dǎo)致壓強(qiáng)分布比較集中，使介質(zhì)產(chǎn)生較為明顯的壓降，3 種過(guò)濾器的進(jìn)出口壓差值分別為3 756.51、2 962.85、3 118.18 Pa。T型過(guò)濾器的壓降最大，Z型過(guò)濾器次之，U型過(guò)濾器的壓降最小，方形孔的過(guò)流面積稍大，造成的壓損相對(duì)較小。

（3）出水口接管流場(chǎng)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生一段“Y”形的紊流區(qū)域，濾網(wǎng)網(wǎng)孔的孔徑越小，水流經(jīng)過(guò)網(wǎng)孔的流速越大，濾網(wǎng)網(wǎng)孔排列越交錯(cuò)，紊流區(qū)域就越明顯，造成的局部水頭損失也越大，可以改變出水接管與筒體的間距或角度來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。