轉(zhuǎn)盤過濾機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值模擬與分析

佘勃強(qiáng), 南海娟

(1.過濾分離技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,陜西 西安 710201) (2.西部寶德科技股份有限公司,陜西 西安 710201)

轉(zhuǎn)盤過濾機(jī)是一類重要的固液過濾分離設(shè)備,具有可在有限體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大過濾面積、在線過濾使用周期長等優(yōu)點(diǎn)。濾盤旋轉(zhuǎn)是這類設(shè)備不同于其他過濾設(shè)備的一個(gè)特點(diǎn),因?yàn)V盤旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)流體轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的流場變化對過濾機(jī)的工作性能和零部件受力將會產(chǎn)生影響,在設(shè)計(jì)時(shí)有必要考慮過濾機(jī)內(nèi)部流場變化狀況。目前對轉(zhuǎn)盤過濾機(jī)內(nèi)部流場的研究大多采用數(shù)值模擬方法,少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)或理論研究。侯俊霞等[1]對立式轉(zhuǎn)盤過濾器過濾圓盤的工作流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了過濾速度和過濾介質(zhì)對過濾壓降的影響;陳望[2]對旋轉(zhuǎn)壓濾機(jī)的濾室內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了濾室內(nèi)的液體流動(dòng)狀況,研究了影響過濾性能的高速剪切流和徑向速度流;徐舟[3]模擬了光滑圓盤、帶翅片圓盤和多軸圓盤3種動(dòng)態(tài)過濾系統(tǒng)的濾室內(nèi)部流場,研究了圓盤旋轉(zhuǎn)速度與入口流量對濾室內(nèi)的流體旋轉(zhuǎn)、壁面剪切力分布和機(jī)械能消耗的影響,并與國外課題組的實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比;朱文明等[4]對外進(jìn)內(nèi)出式纖維轉(zhuǎn)盤濾池的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了濾盤直徑、濾液黏滯系數(shù)、過濾介質(zhì)滲透率對過濾壓降的影響和進(jìn)水流速對顆粒懸浮物在濾池中的分布影響;閆海博[5]對旋轉(zhuǎn)壓濾機(jī)的濾室流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了不同葉片形式和濾室軸向間距與過濾速率和功耗之間的關(guān)系;李俊妮等[6]對高速旋轉(zhuǎn)圓盤的表面流場進(jìn)行了二維數(shù)值模擬,考察了圓盤轉(zhuǎn)速、液體入口流速、圓盤半徑、不同液體黏度對其表面流場的影響,并給出了液滴在圓盤表面流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度分布;譚蔚等[7]對動(dòng)態(tài)旋葉壓濾機(jī)濾室內(nèi)的流體流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了理論研究,建立了描述濾室內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,通過理論推導(dǎo)計(jì)算,得到了濾室內(nèi)流體切向速度的理論計(jì)算方法,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論計(jì)算模型的正確性。上述研究都集中于濾盤周圍或?yàn)V室內(nèi)的流場,對過濾機(jī)內(nèi)部整體流場和零部件受力變化的研究未有涉及。

針對工程實(shí)際應(yīng)用中某型濾盤偏置轉(zhuǎn)盤過濾機(jī),本文應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件,對兩種工作轉(zhuǎn)速下的過濾機(jī)內(nèi)部整體流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到流場壓力變化分布云圖,分析了流體壓力變化原因和對過濾機(jī)殼體及濾盤支撐驅(qū)動(dòng)軸的強(qiáng)度計(jì)算的影響。

1 過濾機(jī)結(jié)構(gòu)和工作流程

某型轉(zhuǎn)盤過濾機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,在立式密閉承壓容器殼體內(nèi)設(shè)置由多個(gè)過濾圓盤和上下攪拌器組成的濾盤堆垛,一根空心軸穿過濾盤堆垛中心以支撐并驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn),待濾料液從進(jìn)料口進(jìn)入過濾機(jī)并充滿殼體后進(jìn)行加壓過濾,清液在壓力推動(dòng)下從外到內(nèi)滲流,通過濾盤表面過濾介質(zhì)進(jìn)入到濾盤內(nèi)部流道,再匯集到空心軸的內(nèi)部空腔中從清液出口排出,顆粒物被攔截在過濾介質(zhì)表面形成濾餅,依靠濾盤表面流體的高速切向流、離心力和靜止條形刮刀的刮擦作用將濾餅剝除掉,剝落濾餅混入剩余待濾料液中形成濃縮液從過濾機(jī)出料口流出。因?yàn)槭褂霉に嚰肮r原因需將濾盤堆垛在過濾機(jī)的承壓殼體中沿徑向偏置,即濾盤堆垛線中心線偏離過濾機(jī)殼體中心線一定距離。濾盤工作轉(zhuǎn)速有兩個(gè),分別為40 r/min和130 r/min。

1—?dú)んw上封頭;2—上攪拌器;3—?dú)んw筒體;4—過濾圓盤;5—空心軸;6—?dú)んw對接法蘭;7—下攪拌器;8—?dú)んw下封頭;9—驅(qū)動(dòng)裝置圖1 轉(zhuǎn)盤過濾機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

2 過濾機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值模擬

使用FLUENT軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)盤過濾機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬,首先采用SolidWorks軟件對過濾機(jī)主體部分進(jìn)行三維造型,主要尺寸參數(shù)見表1,為簡化工作量,將過濾機(jī)殼體看作一個(gè)密閉容器,忽略其外部結(jié)構(gòu)和各個(gè)管口,并將上下封頭部分簡化為高度相同的圓柱體,過濾機(jī)簡化模型如圖2所示。

表1 轉(zhuǎn)盤過濾機(jī)主要尺寸參數(shù)

圖2 轉(zhuǎn)盤過濾機(jī)簡化模型

將過濾機(jī)簡化模型導(dǎo)入GAMBIT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格主要分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩大類,結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格借助了幾何體的規(guī)則形狀,易于生成物面附近的邊界層網(wǎng)格,而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)以一種不規(guī)則的方式布置在流場中,雖然網(wǎng)格生成過程比較復(fù)雜,但適應(yīng)性好,尤其對于較復(fù)雜的邊界的流場計(jì)算特別有效?？紤]到濾盤堆垛形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,過濾機(jī)殼體內(nèi)部流場存在較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn),流向多變,因此對濾盤堆垛采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,在尺寸較小的地方進(jìn)行局部加密,固體邊界位置設(shè)置邊界層網(wǎng)格,劃分網(wǎng)格約2 200萬個(gè)。過濾機(jī)網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 過濾機(jī)網(wǎng)格劃分

旋轉(zhuǎn)圓盤過濾裝置內(nèi)的流體力學(xué)特性可由裝置的特征雷諾數(shù)Re和圓盤與壁面間的間隙e以及比值e/R來確定[3],其中R為圓盤半徑。

Re=ωR2/ν

(1)

式中:ω為圓盤旋轉(zhuǎn)角速度,ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度。按照特征雷諾數(shù)是否小于3×105和e/R是否小于0.05來判斷流動(dòng)是層流還是湍流以及流體和圓盤與壁面間的邊界層是否分離,特征雷諾數(shù)大于3×105時(shí)的流動(dòng)均為湍流。根據(jù)過濾機(jī)的工作條件計(jì)算過濾機(jī)工作時(shí)Re值,濾盤轉(zhuǎn)速40 r/min時(shí)Re為5.23×105,轉(zhuǎn)速130 r/min時(shí)Re為1.70×106,因此過濾機(jī)殼體內(nèi)的液體流動(dòng)狀態(tài)為湍流。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型用湍動(dòng)能k反映特征速度、用湍動(dòng)耗散率ε反映特征長度尺度,用兩者的函數(shù)關(guān)系反映湍動(dòng)黏度,模型雖然考慮了流場各點(diǎn)的湍動(dòng)能傳遞和流動(dòng)的繼承性,但不能反映湍動(dòng)的各向異性特征,且對于近壁區(qū)雷諾數(shù)較低的湍動(dòng)不能直接模擬。RNGk-ε模型通過修正湍動(dòng)黏度考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)和旋流情況,能更好地處理帶旋流、高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng),在流體機(jī)械的流場計(jì)算中具有更優(yōu)的解析能力[8],因此選擇RNGk-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

將待濾料液看作不可壓縮黏性流體,忽略液體在過濾機(jī)中的流入流出過程,不考慮過濾滲透流動(dòng),忽略多孔過濾介質(zhì)對流場的影響,且計(jì)算過程中液體的物性保持不變。按照過濾機(jī)工作參數(shù),流體域計(jì)算壓力設(shè)置為1.7 MPa,流體密度為1 200 kg/m3,黏度為0.002 5 Pa·s,旋轉(zhuǎn)流體域按照濾盤的兩種工作轉(zhuǎn)速分別設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,設(shè)置濾盤上下表面的粗糙度為0.1 mm。過濾機(jī)殼體內(nèi)壁設(shè)置為無滑移固體壁面,濾盤堆垛中各零部件壁面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)固體壁面,壁面函數(shù)選擇可擴(kuò)展壁面函數(shù),N-S方程組求解采用穩(wěn)態(tài)SIMPLE算法,對動(dòng)量、能量、紊動(dòng)能、耗散率采用二階迎風(fēng)離散格式,選用亞松弛系數(shù)為0.2,計(jì)算精度設(shè)定為10-2。

為了驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量與流場模擬計(jì)算結(jié)果的無關(guān)性,分別使用3種不同網(wǎng)格數(shù)量來進(jìn)行模擬計(jì)算,以濾盤轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)流體對濾盤堆垛的作用力為考察對象,3種不同網(wǎng)格數(shù)量下的計(jì)算結(jié)果見表2,由表中可以看出,模擬計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)之間的偏差小于3.2%,模擬計(jì)算結(jié)果基本平穩(wěn)。

表2 不同網(wǎng)格數(shù)量的濾盤堆垛橫向力計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)果分析

分別按濾盤的兩種工作轉(zhuǎn)速40 r/min和130 r/min進(jìn)行過濾機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬計(jì)算,得到內(nèi)部液體壓力分布云圖和濾盤堆垛承受橫向力如圖4和圖5所示。

圖4 兩種轉(zhuǎn)速下過濾機(jī)殼體內(nèi)部液體的壓力分布云圖

圖5 兩種轉(zhuǎn)速下濾盤堆垛承受橫向力

3.1 過濾機(jī)內(nèi)部壓力變化分析

過濾機(jī)內(nèi)部液體的壓力分布云圖如圖4所示,由圖4(a)、(b)都可以看出殼體內(nèi)部的液體壓力不再是均衡的,在徑向和軸向上都發(fā)生了變化。

在徑向上,殼體中央處的液體壓力變小,殼體內(nèi)壁圓周處的液體壓力變大, 并且左側(cè)(濾盤堆垛偏移側(cè))的壓力高于右側(cè)(濾盤堆垛偏離側(cè))的壓力。這是由偏置的濾盤堆垛的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的。由于待濾料液的黏附作用,濾盤旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)濾盤周圍的液體一塊旋轉(zhuǎn),濾盤周圍的液體就具有了切向速度和徑向速度,徑向速度使液體從濾盤中心處向?yàn)V盤外圓處流動(dòng),也就使液體從殼體中央向殼體內(nèi)壁圓周處流動(dòng),從而使殼體中央處的壓力變小、內(nèi)壁圓周處的壓力變大,空心軸周圍區(qū)域處于液體黏附旋轉(zhuǎn)流的內(nèi)圈,所以空心軸周圍區(qū)域的壓力變得相對更小。另外,濾盤堆垛在殼體上沿徑向偏置后導(dǎo)致濾盤外圓到殼體兩側(cè)內(nèi)壁之間的間隙不同,偏置側(cè)的間隙變小而偏離側(cè)的間隙變大,濾盤旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)液體以高的切向速度進(jìn)入空間較小的偏置側(cè)間隙區(qū)域時(shí),液體受到相對擠壓作用,動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能,液體壓力增大,相反在空間較大的偏離側(cè)區(qū)域,液體壓力減小。與離心泵中的液體在葉輪的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)離開葉輪外緣進(jìn)入蝸殼流道而將動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為壓力能[9]的情況是相似的。

在軸向上,殼體內(nèi)壁上部和下部的壓力較小,而中下部位的壓力較大。這是由于底部攪拌器的攪拌旋流作用與液體重力相互作用的結(jié)果。被旋轉(zhuǎn)濾盤帶動(dòng)拋到殼體內(nèi)壁的液體在重力的作用下具有向下流動(dòng)的速度分量,下攪拌器攪動(dòng)液體旋轉(zhuǎn)時(shí)被拋到殼體內(nèi)壁的液體具有向上流動(dòng)的速度分量,兩股軸向流相交于殼體內(nèi)壁中下部位處,導(dǎo)致此處的液體壓力較大。同時(shí)又由于濾盤的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)作用和濾盤堆垛偏置的原因,導(dǎo)致殼體中下部位中央處的壓力又疊加減小(相比軸向其他位置的還是較大)、偏置側(cè)殼體內(nèi)壁處的壓力又疊加增大(相比軸向其他位置增大更多)。綜合徑向和軸向上的壓力變化狀況,過濾機(jī)殼體內(nèi)部液體壓力的變化呈對頂紡錘形區(qū)域分布,區(qū)域內(nèi)流體壓力變小,區(qū)域外流體壓力變大,并且濾盤堆垛偏置側(cè)的壓力增加值大于偏離側(cè)。最小壓力出現(xiàn)在下攪拌器的內(nèi)圈位置,最大壓力出現(xiàn)在濾盤偏置側(cè)殼體內(nèi)壁中下部。

對比圖4(a)、(b)可以看出,不同濾盤轉(zhuǎn)速下的殼體內(nèi)部液體壓力變化趨勢是一樣的,但高轉(zhuǎn)速下的壓力變化值更大,濾盤轉(zhuǎn)速40 r/min時(shí)壓力最大值為1 702 544 Pa,而130 r/min時(shí)就達(dá)到了1 725 724 Pa,相比靜態(tài)時(shí)的液體工作壓力1.7 MPa增大了15%以上,因此在過濾機(jī)承壓容器殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)加以考慮。在過濾機(jī)殼體容器按照GB150壓力容器規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算時(shí),殼體鋼材壁厚的計(jì)算壓力不能直接按照常規(guī)由液體靜態(tài)工作壓力換算得出,而需再適當(dāng)提高一定的換算比例;在對殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),由于殼體的筒體部分是由鋼板卷制拼焊而成,因此需將縱向拼接焊縫避開濾盤堆垛偏置側(cè),橫向環(huán)焊縫要設(shè)置在筒體的中上部,以使過濾機(jī)工作時(shí)的最大內(nèi)壓力不作用在焊縫上。

3.2 濾盤堆垛橫向受力分析

由3.1可知過濾機(jī)工作時(shí)殼體內(nèi)部液體壓力發(fā)生變化,濾盤堆垛偏置側(cè)的壓力高于偏離側(cè)的壓力,大小不同的壓力作用在濾盤堆垛的兩個(gè)側(cè)面就對濾盤堆垛產(chǎn)生了橫向力,橫向力的方向指向?yàn)V盤堆垛偏離側(cè)。

濾盤堆垛承受橫向力的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖5所示。在濾盤轉(zhuǎn)速為40 r/min工況下,迭代次數(shù)為17 000時(shí),計(jì)算結(jié)果收斂,橫向受力為313.680 N;在濾盤轉(zhuǎn)速為130 r/min工況下,迭代次數(shù)為18 000時(shí),計(jì)算結(jié)果收斂,橫向受力為2 614.800 N。過濾機(jī)工作時(shí)內(nèi)部液體對濾盤堆垛產(chǎn)生的橫向力最終以不均勻面力的形式作用于支撐和驅(qū)動(dòng)濾盤堆垛旋轉(zhuǎn)的空心軸上,使其產(chǎn)生彎曲變形。因?yàn)榭招妮S是轉(zhuǎn)動(dòng)的,而橫向力的方向是固定的,所以此時(shí)空心軸的彎曲變形為周向時(shí)變彎曲變形,屬于疲勞彎曲變形,在濾盤高轉(zhuǎn)速時(shí),橫向力數(shù)值較大,相應(yīng)的疲勞彎曲變形也較大,在空心軸的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核中不能只按靜態(tài)下的負(fù)載狀況進(jìn)行計(jì)算,有必要考慮液體動(dòng)態(tài)流場所產(chǎn)生的橫向力導(dǎo)致的彎曲疲勞應(yīng)力。

4 結(jié)論

本文完成了某型濾盤偏置轉(zhuǎn)盤過濾機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬,得到了兩種濾盤工作轉(zhuǎn)速下的殼體內(nèi)部液體壓力分布云圖和濾盤堆垛承受橫向力,分析了壓力變化產(chǎn)生的原因和對過濾機(jī)承壓殼體及濾盤驅(qū)動(dòng)軸強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明:

1)由于濾盤堆垛的旋轉(zhuǎn)和偏置,轉(zhuǎn)盤過濾機(jī)工作時(shí)殼體內(nèi)部液體的壓力變化呈對頂紡錘形區(qū)域分布,區(qū)域內(nèi)壓力小,區(qū)域外壓力大,并且濾盤堆垛偏置側(cè)的壓力增加值大于偏離側(cè),最大值出現(xiàn)在濾盤偏置側(cè)殼體內(nèi)壁中下部,高轉(zhuǎn)速時(shí)液體壓力增大值達(dá)15%以上,因此在過濾機(jī)承壓容器殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算中應(yīng)加以考慮。

2)過濾機(jī)工作時(shí)濾盤堆垛偏置側(cè)的液體壓力高于偏離側(cè),濾盤支撐驅(qū)動(dòng)軸在兩側(cè)液體壓力差作用下產(chǎn)生周向時(shí)變彎曲變形,因此在軸的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核時(shí)需考慮附加疲勞彎曲應(yīng)力。