基于多孔介質模型的折波式液氧過濾器壓降仿真分析

紀晶晶，黃玲艷，劉海飛，唐 強

（北京航天發射技術研究所，北京，100006）

0 引 言

液氧過濾器是液氧加注系統的重要組成部分，其功能是去除液氧介質中的固體雜質，滿足低溫動力系統或加注系統設備對低溫介質的潔凈度要求。過濾器的可靠性和流通性，直接關系到進箭推進劑的品質。

目前液氧過濾器采用斜插式結構。流體從過濾器進口管流入，依次通過過濾器濾芯、內骨架再從過濾器出口管流出。濾網是決定過濾器流通性和濾過性的關鍵部件網，可有效阻擋固體雜質。常規使用的濾芯為單層濾網結構。單層濾網濾芯具有結構簡單、成本低、生產周期短等優點，但使用過程中也存在相關缺陷：a）單層濾網與骨架的裝配工藝復雜、焊接工序繁瑣，濾芯焊接處易破損[1]；b）單層濾網的流通面積低，且承壓能力弱。當系統多余物較多，濾網出現嚴重堵塞時，流阻增大，會引起濾網前后壓降增加，極易壓潰、損壞濾網，導致多余物進入介質，無法保證其品質及相關設備的安全。

針對現有單層濾芯濾網的缺點，本研究提出將液氧過濾器濾芯的單層濾網改進為多層折波式濾網，并在濾網兩側加以外骨架、內骨架支撐，可以有效提高濾網的承壓能力。同時，由于濾網形式的改變、骨架的增加，改進后過濾器及濾芯的流阻（壓降）特性、內部流動規律也會隨之改變[2]。掌握過濾器元件的流動，對加注系統運行的穩定性和可靠性至關重要。為了深入評價過濾器改進后的壓降特性的變化情況，以DN100液氧過濾器（過濾精度63 μm）為例，本研究首先通過流阻試驗進行了壓降測量，并提出了基于多孔介質模型的過濾器高精度流阻仿真計算模型，為后續過濾器濾芯的優化和改進奠定了理論基礎，為加注系統的安全性和可靠性提供保障。

1 研究方法

1.1 濾網改進方案

為提高濾芯的承壓能力，根據現有過濾器使用情況，將單層濾網改成多層折波式結構[3]。單層濾網的網孔直徑為63 μm，孔隙率為37.4%。改進后的多層折波濾網的中間層為過濾層，網孔直徑為 63 μm，孔隙率為 37.4%。孔隙率指開孔面積百分比。在過濾層兩側加以保護層，其網孔直徑為280 μm，孔隙率為44.4%。濾網的網孔直徑、孔隙率等技術參數如表1所示。

表1 單層、多層濾網主要參數Tab.1 Geometry Parameters of Strainers

將多層濾網平鋪，折波后卷筒，形成承壓能力較強的折波式濾芯，其三維結構及實物如圖1所示。為了增加濾芯的強度和剛度，濾網兩側采用骨架支撐，并在內骨架里側增加了襯環。內、外骨架采用不銹鋼板卷焊。裝配時，先進行內骨架、濾網組件與壓環裝配，并用氬弧焊焊接兩端端面焊縫，使三者熔為一體，然后再與端部和法蘭焊接[4,5]。

圖1 改進后過濾器濾芯結構及實物（不含外骨架）Fig.1 Improved Filter with Three Folded Strainers

1.2 流阻試驗

通過常溫流阻試驗，對改進后的DN100液氧過濾器（折波網濾芯）進行進出口壓差測量，得到其壓降特性[6]。試驗系統主要由貯箱、過濾器、泵、閥門、管路、試驗工裝和測控系統組成，如圖2所示。

圖2 試驗系統Fig.2 Test Rig for the Hydraulic Resistance Measurment

該試驗系統主要用于低溫加注系統設備如過濾器、閥門等的流阻性能測試，同時可應用于常規加注系統設備流阻性能測試。試驗系統采用潔凈水作為試驗介質，其溫度控制在5～40 ℃，水中氯離子含量不超過0.005%。泵為試驗系統提供流體的流動動能。為滿足系統流量要求，系統設置3臺臥式離心水泵并聯供液。3臺泵的流量分別為150 m3/h、150 m3/h、322 m3/h，揚程分別為44 m、44 m、38 m，試驗過程中可通過不同泵的組合實現流量調節。系統流量通過電動調節閥調節，調節閥采用等百分比特性，流量調節閥前設有分流管路及分流球閥以備小流量調節時輔助調節。系統預留備用流量調節支路接口法蘭，當最小調節流量不滿足需求時，可接入一個小調節閥進行調節。

本試驗中，為了在60～600 m3/h的流量范圍進行精確測量，系統設置DN200和DN80兩個流量計對管路流量進行測量。同時在泵的出口設置有溫度和壓力傳感器，在過濾器前后測試工藝管路上設置有壓差傳感器，以監測管路溫度和壓力等參數。為了模擬堵塞狀態下的濾網，本試驗采用塑料薄膜包覆濾網的方法，定量等效被堵塞部分濾網，測量過濾器在不同堵塞面積下的壓降特性。

試驗系統中所使用的流量、溫度、壓力、壓差傳感器均具備現場顯示和遠傳功能，以方便現場讀數和后端測控采集。

1.3 數值計算

過濾器內部流動結構復雜，包含彎管、開孔骨架、濾芯等造成壓降的部件。對于彎管、開孔骨架等均可采用常規計算流體力學方法，將其流體域進行網格劃分、迭代計算。但濾芯部分并非常規流體域，其內部孔隙尺寸極小、數量極多，不能進行通常的流場計算，必須建立模型模化內部流動參數，本研究中基于多孔介質模型進行了過濾器壓降特性的計算。

1.3.1 多孔介質計算模型

多孔介質是指內部含有眾多空隙的固體材料，其內部是由相互貫通或封閉的孔洞構成網絡結構。孔洞的邊界或表面由支柱或平板構成，孔道縱橫交錯，互相貫通。多孔介質通常具有10%～60%的孔隙率，孔徑1～100 μm。由無數金屬絲縱橫交錯而成的濾網也是一種典型的多孔介質結構。因此，本研究采用多孔介質模型來模化計算濾芯區域的水力參數、評估其壓降特性[7,8]。

本研究在 ANSYS-CFX中開展相關計算。結合N-S方程與達西定律，多孔介質模型構建了以經驗假設為主的流動阻力模型，即在動量方程上疊加動量損失源項。源項由兩部分組成，包括粘性損失項和慣性損失。

1856年法國水利工程師達西對水通過均勻砂層的緩慢流動做了大量試驗，發現如下規律：

式中 Q為體積流量；A為橫截面積； h1- h2為測壓管的壓降；L為水流過的砂層長度；k為滲透系數，是標志著多孔介質滲透能力大小的常數。

在與NS結合計算時，使用流場中的壓力梯度代替水力坡度J，故達西定律變為

式中 μ為動力粘度。

多孔介質的孔隙率γ是影響滲透系數K的重要因素，是決定損失和壓降的關鍵。一個點處的體積孔隙率γ是指該點附近的一個無窮小的控制單元內允許流體流動的體積 V '與物理體積V之比，即：

基于多孔介質模型對濾芯部分的模化，本研究進而開展了改進前、后過濾器流體域的模型構建、網格劃分和數值求解。

1.3.2 計算流體域及網格劃分

首先，按照DN100液氧過濾器的殼體及濾芯結構，在NX UG軟件中，對過濾器的進出口、內外骨架、濾芯等部件進行三維建模，并提取、構建氧氮流經過濾器的流體域模型。

改進前過濾器流體域如圖 3所示。流體流經過濾器時，由進口管段進入，流經濾芯（單層過濾網）、骨架，最終由出口管段流出。進出口管段均為DN100管徑；骨架為開孔結構，濾芯為單層濾網，包覆于骨架之外，起到過濾作用。單層濾網厚度為 0.04 mm，過濾精度為63 μm，孔隙率為37.4%。

圖3 改進前的單層濾網過濾器流體域Fig.3 Simulated Fluid Domain with Single Strainer

數值計算時，區別于進、出口管段內的流體域，濾芯部分為多孔介質域。因此，模型構建時，濾芯區域須單獨劃分，并在進口段與濾網之間、濾網與骨架之間分別設置交界面，進行流場數據交換。

改進后過濾器流體域如圖 4所示。流體流經過濾器時，由進口管段進入，流經內骨架、濾芯（多層折波過濾網）、外骨架，最終由出口管段流出。改進后的濾芯兩側由內、外骨架支撐；濾芯為多層折波濾網，置于內、外骨架之間。濾芯總厚度5 mm。

圖4 試驗測得的改進后過濾器壓降特性曲線Fig.4 Measured Pressure Difference Cureve against Flow Rates

由圖4可見，改進后過濾器進出口的壓差隨流量的增大而增大，壓差隨堵塞面積的增大而增大，相對于濾網無堵塞，濾網堵塞20%、40%、60%流通面積時，過濾器進出口的壓差增加的并不明顯，但濾網堵塞80%、95%流通面積時，過濾器進出口壓差顯著增加。當流量為3 m3/min、濾網無堵塞時，過濾器進出口壓差為126.2 kPa，而當濾網堵塞60%時，過濾器進出口壓差為141.8 kPa；當濾網堵塞95%，而流量在1 m3/min時，過濾器進出口壓差即急劇增大至148.6 kPa。

1.4 數值計算結果

為驗證數值模擬的計算精度，將壓降的數值模擬結果與試驗測量結果進行比較，如圖5所示，過濾器2代表改進后的過濾器。

圖5 數值計算的壓降特性曲線Fig.5 Simulated Pressure Difference Cureve against Flow Rates

改進后的過濾器含有多層孔隙率屬性不同的濾網，且以折波的形式組成環形置于內外骨架內部，因此其濾芯的整體孔隙率無法確定。計算時，首先采用中間過濾層濾網的孔隙率 37.4%進行計算。與試驗結果相比，較為吻合，但數值模擬計算的壓降值比試驗結果略低。考慮到折波濾芯中3層濾網的實際孔隙率分別為 44.4%、37.4%、44.4%，由于濾網開孔存在重疊相錯，不可能保持完全重合，導致了3層折波濾網的通過性有所降低。在數值計算中將孔隙率調整為21%，數值模擬計算的壓降值與試驗結果極為吻合，這說明該計算中采用的數值計算方法、多孔介質模型、孔隙率參數等，可以準確地預報過濾器的壓降特性。

2 改進前后壓降特性變化

在驗證了多孔介質計算模型的有效性之后，按照試驗流量，對改進前過濾器1和改進后過濾器2分別進行正向、反向的多流量工況計算，以得到過濾器隨流量變化的壓降特性曲線，見圖6、圖7。

圖6為正向壓降特性曲線。圖6a為流體通過過濾器產生的整體壓降特性曲線。隨著流量的增加，過濾器1和過濾器2的整體壓降均不斷增加，且過濾器2產生的壓降大于過濾器 1。改進后的過濾器 2壓降增加，主要來源于骨架及濾芯。進一步分析濾芯部分的局部壓降，如圖6b所示。過濾器1為單層過濾網，過濾器2為多層折波濾網，濾芯的抗壓強度提高，但其水力阻力及壓降也明顯增加。

圖6 改進前后過濾器、濾芯的壓降特性曲線Fig.6 Simulated Pressure Difference Cureve against Flow Rates

圖7 為反向壓降特性曲線。圖7a為過濾器的整體壓降特性曲線，圖7b為濾芯的局部壓降特性曲線。反向壓降特性曲線與正向特性曲線的變化規律相同；過濾器2、濾芯2產生的壓降均高于過濾器1、濾芯1。

圖7 改進前后過濾器、濾芯的壓降特性曲線Fig.7 Simulated Pressure Difference Cureve against Flow Rates

為更好地定量比較改進后過濾器壓降特性變化，計算得到的改進前后過濾器整體壓降、濾芯局部壓降如表2所示，計算濾芯部分局部壓降在整體壓降中的占比如表3所示。

表2 改進前后過濾器、濾芯壓降統計Tab.2 Simulation Settings and Boundary Conditions

表3 改進前后濾芯壓降占比Tab.3 Simulation Settings and Boundary Conditions

正向流動時，最大流量180 m3/h工況下，過濾器1整體壓降為62.51 kPa，其中，濾芯部分壓降為5.03 kPa，占比8.05%；過濾器2整體壓降為120.48 kPa，其中，濾芯部分壓降為37.54 kPa，占比31.16%，高于改進前，該變化趨勢與試驗結果吻合。

反向流動時，最大流量60 m3/h工況下，過濾器1整體壓降為6.32 kPa，其中，濾芯部分壓降為0.48 kPa，占比7.59%；過濾器2整體壓降為13.72 kPa，其中，濾芯部分壓降為3.96 kPa，占比28.89%。

3 結 論

本研究采用多孔介質模型、高精度多塊網格劃分技術對改進前后液氧過濾器及濾芯的壓降特性進行了數值計算，研究結果表明：

a）正向流動時，流量180 m3/h工況下，改進后過濾器進出口壓降為 120.48 kPa，試驗測得的壓降值為118.2 kPa，數值計算結果與試驗結果吻合很好，數值計算可以準確地預報過濾器壓降特性；

b）改進后過濾器2壓降高于改進前過濾器1，且二者壓降均隨流量增加而增大；

c）正向流動時，改進前過濾器1中濾芯部分平均壓降為2.16 kPa，占整體壓降的比值均值為8.34%；改進過濾器2濾芯部分壓降為15.72 kPa，占整體壓降的比值為30.83%，明顯高于改進前；

d）改進后的骨架開孔均勻、細密，提高了導流能力，但也提高了局部阻力損失，使得壓降增加。