過濾器吸污部件的流場特性分析與優化

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)

引 言

目前，過濾器(以下簡稱“濾器”)已廣泛應用于船舶、電廠等領域。在船舶領域，隨著經濟全球化的發展，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來消除壓載水中有害海生物的存活和轉移機會，從而保護海洋海生物的生存環境不受污染。而濾器作為壓載水系統中過濾作用的第一道環節，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]。

在電廠領域，濾器主要應用于電解海水制氯酸鈉系統中，其作用是過濾海水中的固體顆粒。海水通過入口泵后，進入濾器的濾芯內腔，經過濾網過濾后進入制氯系統，而海水中雜質被攔截在濾芯內部，從而保證電廠制氯系統的正常工作[4-5]。

目前，過濾器清污技術主要有吸吮、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]在國內核電廠過濾器中采用國產化濾芯，并且，除了采用NB/T《核電廠用水過濾器濾芯通用技術條件》外，還編制了滿足國內生產要求和性能檢測的標準。但是，目前濾器在吸污部件設計時,僅定性分析了吸污管和排污管的管徑對濾網吸污效果的影響，未對其進行深入研究。

本文從吸污部件的流場角度出發，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部流場特性和規律，為濾器吸污部件結構優化奠定理論基礎。

1 吸污部件流場分析

1.1 吸污部件的工作原理

本文以電解制氯系統過濾器的吸污部件為研究對象，來分析吸污部件的內部流場特性。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)。海水通過濾網后將雜質截留在濾網內部，在反沖洗時，雜質通過吸嘴收集后經吸管和排污管排出濾器，減少雜質在濾網表面的累積，保證濾器正常工作。

圖1 吸污部件的結構示意圖

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。

1.2 建立排吸組件有限元模型

根據濾器排吸組件的實際尺寸，建立仿真模型，采用Fluent軟件對模型進行網格劃分，對排吸組件選用局部膨脹層設置，膨脹層設置為5層，最大厚度為3 mm，進行網格劃分。網格質量采用orthigonalquality進行評判，最小網格質量可達到0.290，平均網格質量為0.926；滿足仿真需求。

1.3 邊界條件參數設置與仿真

雷諾系數計算公式見式(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，μ=0.001 003 pa.s；d為特征長度，此處代表管道直徑，d=0.052 m。將以上數據代入式(1)中可得Re=103 812.8，遠大于10 000，屬于湍流現象。

因此在Fluent中，將模型設置為湍流模型，選用k-epsilon中realizable模型。

邊界條件選用入口設置壓力為1 MPa；出口速度分別設置為1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s。

經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“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清洗速度不一樣，具有較大不均性，在反沖洗時對濾網表面清污效果表現不佳。因此，需對此排吸組件進行結構優化設計。

1.4 排吸組件結構優化和仿真分析

排吸組件結構優化主要從兩個方面進行考慮，一方面，排污管優化設計，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化，即先將排污管管徑進行優化，再對各吸管管徑進行優化。加工難度較低，滿足加工要求，符合實際生產需求。

排污管和吸管的面積關系見式(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，并結合GB/T 17395-2008《無縫鋼管尺寸、外形、質量及允許偏差》，綜合考慮可得D1=66mm。其余邊界條件不變，在出口流速分別設置為1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s時，仿真結果見表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的吸管速度呈現階梯變化的關系仍未改變，即從小依次增大，這是因為吸管管徑沒有改變引起所致。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系，將出口速度設置為2 m/s，排污口管徑設置為66 mm,優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管徑調整至30 mm，吸管3調整至31 mm，吸管2調整至32 mm。

方案二：將吸管4管徑調整至30 mm，吸管3調整至32 mm，吸管2調整至32 mm。

方案三：將吸管4管徑調整至31 mm，吸管3調整至33 mm，吸管2調整至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，振幅在0.15之內；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。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的“就近原則”不匹配所致，導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，滿足吸管的清污要求。

2 吸嘴的流場分析

吸嘴安裝在吸管上，對濾網進行清污。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置為34 mm，排污管管徑設置為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，采用吸嘴和吸管結構輪廓相同時，在吸嘴內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，從而導致吸嘴處的流速改變。

3 受力分析

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置為1 MPa。進行靜力學仿真分析，可得到吸污部件的等效應力和總變形量，見圖5。

圖5 吸污管的等效應應力和總變形量

從圖5可以看出，排污管和吸管在排污時受到最大的應力為34.966 MPa，在吸管1與排污管的焊縫處，這是焊縫處應力集中造成此處為應力薄弱點，但316 L不銹鋼管許用應力在100 ℃時為97 MPa，排污管和吸管受到的應力遠小于許用壓應力，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。

因此，通過對排污管和吸管的剛度和強度分析可知，方案三的優化設計，滿足應力和變形使用需求。

4 結語

1)當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構輪廓相同時，在吸嘴內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，從而導致吸嘴處的流速改變。

3)吸污組件的吸嘴管徑不同，將會導致吸污組件的吸管受力不均勻，嚴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，可忽略不計。