不同濾網(wǎng)網(wǎng)孔模型的數(shù)值研究

侯宗宗 張可可 王賓賓 王要偉

（中船重工第七二五研究所（洛陽船舶材料研究所） 洛陽471023）

引 言

過濾器是船舶壓載水處理系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的設(shè)備之一，而濾網(wǎng)是其過濾器內(nèi)部的最重要部件。濾網(wǎng)網(wǎng)孔具有多種形狀、多種組合、多種類型，能夠直接影響到過濾器的過濾效果、清洗效率、使用壽命及其他性能的高低［1-2］，因此，研究分析各個濾網(wǎng)模型的流動特性對于過濾器的性能研究具有非常重要的現(xiàn)實意義，并且在相同條件下，研究不同濾網(wǎng)模型的流速-壓降情況，可為優(yōu)化改善過濾器的結(jié)構(gòu)提供參考。

張春陽等人［3］對不同形狀纖維在纖維過濾器進行了分析研究，并基于二維模型的基礎(chǔ)上進行仿真計算。為研究海水過濾器濾網(wǎng)情況，本文研究的過濾器濾網(wǎng)為不銹鋼材質(zhì)的金屬濾網(wǎng)，選用三維數(shù)值模擬方法，CFD仿真技術(shù)具有靈活的適應(yīng)性和可重復(fù)性操作等優(yōu)點，逐漸成為設(shè)計研發(fā)的主要工具［4］，按照工業(yè)用網(wǎng) GB/T10612-2003［5］規(guī)定，進行合理設(shè)計布置，基于多孔介質(zhì)模型研究直排方孔模型、直排圓孔模型、叉排方孔模型和叉排圓孔模型共4種模型的流動特性，對比分析了濾網(wǎng)壓力場與速度場的情況，能夠較全面獲得濾網(wǎng)內(nèi)部流場分布、壓損等性能情況，將有助于濾網(wǎng)的選型與設(shè)計。

1 數(shù)學(xué)方程及建模

1.1 數(shù)學(xué)方程

本文多孔介質(zhì)模型均在穩(wěn)定的工況下進行仿真計算，選三維定常計算狀態(tài)，不可壓縮的湍流流動，則流場的連續(xù)性方程及動量方程（N-S方程）［6-7］：

選擇標準的k-ε湍流模型：

渦粘性系數(shù)用μt表示：

式中：t表示時間，s；ρ表示流體密度，kg/m3；ε表示耗散率；μ表示動力粘性系數(shù)，Pa·s；ui和uj表示瞬時速度，m/s；p表示靜壓，pa；xi和xj分別為i和j方向上的位置坐標；gi表示單位質(zhì)量的重力；表示雷諾應(yīng)力張量；Gk表示平均速度梯度引起的湍動能生成項。

方程中，附加的經(jīng)驗常數(shù)可設(shè)置為：式中：雷諾應(yīng)力張量作為未知量，可采用k-ε湍流模型使方程組閉環(huán)，并因此把應(yīng)力項中的脈動值和方程組中的時均值相聯(lián)系起來。

1.2 多孔介質(zhì)模型

多孔介質(zhì)是由固體物質(zhì)所組成的骨架以及由于骨架分隔形成大量、密集的微小空間所構(gòu)成的［8］，也被大量應(yīng)用于涉及過濾問題的工程中［9］。采用三維建模軟件，分別建立其三維多孔介質(zhì)模型：直排方孔模型、直排圓孔模型、叉排方孔模型和叉排圓孔模型（分別簡稱為直方孔、直圓孔、叉方孔和叉圓孔，見圖1），并保證其有相同的孔隙率。適當延長流體區(qū)域，以確保進出口流場不受計算過程中回流擾動的影響。

圖1 濾網(wǎng)模型

1.3 邊界條件

流域的入口屬性設(shè)置為速度入口，初始設(shè)為V=1 m/s；出口屬性設(shè)置為壓力出口，其值為一個大氣壓；流體介質(zhì)為清水，流體密度為1 000 kg·m-3，動力粘度為 1 mPa·s；孔隙率為35%，流域長為45 mm，寬為12.6 mm，濾網(wǎng)厚度均為2.5 mm，環(huán)四周壁面設(shè)置為周期性無滑移條件［6-7］。選擇SIMPLE迭代求解算法，壓力和速度耦合計算，定常狀態(tài)，壓力選取PRESTO，動量為二階迎風格式，其余選擇默認迎風格式，其他設(shè)置則選用默認值。可適當增加迭代步數(shù)，保證結(jié)果收斂性較好。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 壓力場分布

由圖2可看出，4種模型的壓力場分布情況基本一致，即流體壓力沿著流動方向先減小后增加，后趨于平緩，濾網(wǎng)前后有明顯的壓力差。濾網(wǎng)處由于流體的激流作用，導(dǎo)致靜壓力最小（進口壓差如表1所示）。可以得出叉排方孔模型的壓降最大，直排圓孔模型次之，叉排圓孔最小；還可得出叉排方孔模型濾網(wǎng)會有較大的流阻，而叉排圓孔最小流阻較小。相同條件下，因直排圓孔模型相對于直排方孔模型的面積稍大，造成壓損相對較大。

圖2 壓力場分布

表1 進出口壓差值

選某一孔中心軸線，并繪制其軸線上的壓力變化曲線，見下頁圖3。

可以看出4種模型的壓力變化曲線走勢較為相似，即隨著流動的進行，在濾網(wǎng)處壓力迅速減低，經(jīng)過濾網(wǎng)后，由于流域的擴展，流速得到緩解，靜壓將會有一小段壓力回升，隨后壓力值趨于平緩。叉方孔有較大壓力降，叉圓孔的最低，更增加壓力場分析的正確性，與此同時，可以看出雖然孔隙率和水流等條件完全一致，但由于網(wǎng)孔布置方式不同，得出了不一樣的結(jié)果，從而說明網(wǎng)孔的形狀結(jié)構(gòu)與布置情況會對濾網(wǎng)的流動特性造成影響。

圖3 沿軸線壓力分布曲線

2.2 速度場分布

圖4為某一截面4種不同模型的速度場。

圖4 速度場分布

可以看到，選用不同形狀濾網(wǎng)速度場整體分布相似，濾網(wǎng)處均出現(xiàn)激流現(xiàn)象，濾網(wǎng)前后速度分布較為均勻；另外，從圖中還可得出流場結(jié)構(gòu)基本上呈現(xiàn)出周期性的變化。濾網(wǎng)截面處的速度場見下頁圖5。方孔與圓孔的速度場明顯不同，方孔由于孔型結(jié)構(gòu)造成流體不充分，相對而言，圓孔的孔型結(jié)構(gòu)更均勻。

濾網(wǎng)的性能系數(shù)主要由慣性阻力性能系數(shù)與粘性阻力性能系數(shù)組成，其性能系數(shù)與濾網(wǎng)所處的流速、孔徑、孔隙率等均有關(guān)。選取某一孔中心軸線，并繪制其軸線上的速度變化曲線，如下頁圖6。

可以看出：4種模型的速度變化曲線走勢較為相似，水流經(jīng)過濾網(wǎng)時，流速均出現(xiàn)急速增加的趨勢，然后迅速下降，并趨于穩(wěn)定。直圓孔中心速度最大，叉圓孔中心速度次之，直方孔中心速度最小。網(wǎng)孔形狀對流場的影響很大，在孔隙率相同的情況下隨著濾網(wǎng)網(wǎng)孔形狀的改變，進而改變了過濾器的滲透性能系數(shù)，由Darcy定律可知，滲透性能系數(shù)的改變必將導(dǎo)致濾網(wǎng)的阻力性能與速度場發(fā)生變化。

2.3 流量-壓差曲線

在保持其他條件不變的情況，只改變進口流

圖5 濾網(wǎng)截面處速度場

速值，通過一系列計算，獲得各個模型在不同的進口流速條件下的壓差值，并以結(jié)果值繪出其流量-壓差性能曲線，見圖7。

圖6 沿軸線速度分布曲線

可以看出：4種曲線的吻合度較高，走勢基本一致；同一條件下，叉方孔壓降最大，直方孔低于叉圓孔壓差，叉圓孔最小；隨流速的增大，網(wǎng)孔處湍流更為激烈，不同網(wǎng)孔的影響更大，造成其壓差值相差更大。

圖7 流量-壓差曲線

3 結(jié) 論

本文利用CFD數(shù)值仿真計算技術(shù)，在相同的條件下，對4種不同網(wǎng)孔形狀的濾網(wǎng)流動特性進行了研究分析，包括速度場、壓力場等分布情況，以及軸線上壓力與速度的分布，基于N-S方程和標準的k-ε湍流模型，得出結(jié)論如下：

（1）在孔隙率相同時，叉排方孔模型的流動阻力最大，直排方孔模型低于直排圓孔模型，叉排圓孔模型最小；單位面積下，方孔的流動相對不充分，造成壓力損失比圓孔的大。

（2）通過模擬4種濾網(wǎng)的流場特性發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)孔形狀不同、排列方式不同，所產(chǎn)生的濾網(wǎng)壓差不同，壓力場與速度場也有所不同；網(wǎng)孔與排列方式對濾網(wǎng)特性影響較大，因此改變?yōu)V網(wǎng)的滲透性能系數(shù)。

（3）沿某一中心軸線，壓力與速度的分布走勢相似，以及流量-壓差曲線，各個模型的走勢基本一致。另外，本文僅考慮流動情況，需進一步考慮濾網(wǎng)的承壓性，通過4種濾網(wǎng)的流動特性分析并進行比較，為壓載水過濾器的研究提供初步流場數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)，為更好提高過濾器的性能優(yōu)化提供參考。