不同網孔模型對過濾器內部流場的影響

侯宗宗* 李 謹 梁 晨 張 輝

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所）

0 引言

過濾器在化工、船舶、水處理等領域被廣泛應用，主要用于去除介質中的污垢顆粒。過濾器主要由筒體、進出水口接管、濾網、法蘭及法蘭蓋等組成。正常工作時，水流中的固體顆粒污垢被濾網攔截而附著于濾網的內表面，因此濾網網孔影響著過濾器的過濾水量、過濾效果等過濾性能。濾網由沖孔板卷制而成，具有結構強度高、穩定性好、制作方便等優點。在實際運行中，無法直接觀測過濾器內部流場特性，如壓力損失、湍流情況、壓力場及速度場的分布情況等，因此，大部分學者采用計算流體力學（CFD）軟件來模擬分析過濾器內部的流場情況。陶洪飛等[1]采用3 種湍流模型及多孔介質模型對網式過濾器的內部流場進行數值模擬后指出，Realizablek-ε模型具有更好的準確性；王棟蕾等[2]運用Fluent 軟件對自清洗網式過濾器內部流場進行數值模擬，并通過改變排污管和吸污管的直徑來優化過濾器的結構。

因此，選用不同的濾網網孔模型（T 型、U 型、Z 型），基于CFD 方法對過濾器內部流場特性進行了模擬計算，全面地分析了3 種過濾器內部的流場特性（如速度場、壓強場、能態場等），繪制了過濾器的流速-壓差性能曲線，并研究了不同濾網網孔對過濾器內部流場的影響，可為進一步優化過濾器結構、降低過濾器壓降提供參考。

1 模型建立

1.1 濾網規格

過濾器濾網通常采用標準篩板卷制而成，且應符合GB/T 10612—2003《工業用篩板 板厚＜3 mm 的圓孔和方孔篩板》標準要求。選取三種網孔類型，網孔的直徑w為6 mm，孔間距p為8.5 mm，倒角半徑r為0.5 mm，開孔率為46%，其排布形式可見圖1。在其他工況條件相同的情況下，選用開孔率為46%的篩板，這樣可以保證過流面積相同，即不影響過濾器的處理水量，而只改變網孔直徑和分布間距，其濾網模型可見圖2。

圖1 濾網排列形式

圖2 濾網模型

1.2 過濾器模型及網格劃分

管道過濾器的三維實體模型可見圖3。過濾器的進出口尺寸為DN 100 mm，濾網的直徑為157 mm，長度為510 mm。需要計算的流速范圍為0.5～2.5 m/s，根據實際情況構建其三維實體流域模型并分割出濾網區域，模型采用非結構網格劃分，適當優化網格質量，并有效地控制計算量[3]。整個模型網格總數為37 839 153，同時為了避免進出口處介質受到湍流的影響，可適當延長過濾器的進出口管道。

圖3 過濾器三維實體模型

1.3 邊界條件

將過濾器的殼體、進出水口接管以及濾網均設置為固定壁面，并選用無滑移標準壁面條件。過濾器的進口水流可看成均勻水流，且與進口面垂直；另根據過濾器實際工況，將出水口設置為壓力出口，其值為200 Pa；迭代求解時，采取壓力與速度耦合的SIMPLE 算法，差分格式設置為二階迎風格式、定常狀態，選擇Realizablek-ε湍流模型，其余設置均采用默認值，并設置適當的迭代步數[4]。

2 內部流場分析

2.1 流速-壓差曲線

過流介質為清水，選取不同的水流速度，對3 種濾網形式的過濾器進行仿真計算，從而獲得相應的仿真計算進出口壓差值，并繪制了流速-壓差曲線，其對比結果可見圖4。結果表明：T 型、U 型、Z 型過濾器的流速-壓差曲線走勢一致，過濾器壓差值與水流速度呈正相關，壓差值隨著流速增大而增大；濾網網孔模型對過濾壓損有一定影響，T 型濾網孔徑越小，T 型和Z 型濾網排布相對密集，水流的速度越大會使湍流更激烈，也會造成更大的壓力損失；三維實體仿真計算具備一定的可靠性，可以直觀地展現其內部流動性能。

圖4 流速-壓差曲線

2.2 壓強場

圖5 表示水流流速為1.5 m/s 時，3 種過濾器內部截面的壓強分布情況。由圖5 可知，當濾網孔徑不同時，3 種過濾器內部壓強場的分布情況基本一致，由于濾網由沖孔板卷制而成，具有阻擋作用，濾網網孔會造成流道變窄，使壓力分布比較集中，而流過濾網后總壓力值明顯減小，產生了較為明顯的壓降，進出口壓差值也不同，分別為3 756.51、2 962.85、3 118.18 Pa。T型過濾器的壓降最大，Z型過濾器次之，U型過濾器的壓降最小，因方形孔的過流面積稍大，使得壓損相對較小；U型網孔排列相對規則，擾動較小。

圖5 截面壓力分布圖（單位：Pa）

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

圖6 壓力沿軸線方向的分布圖

2.3 速度場

圖7 表示3 種過濾器內部截面的介質速度分布情況。通過對圖7 進行對比分析可知，3 種過濾器內部速度分布情況基本一致，水流流經濾網時，因濾網網孔作用而產生激流，經過濾網后產生了較為明顯的尾流形狀，與實際情況相符。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，而沿接管軸線方向的分速度則逐漸增大，所以在出水口接管流場區域產生了一段“Y”形的紊流區域；在其他工況條件都相同的情況下，濾網網孔徑越小，水流經過網孔的速率越大，濾網網孔排列交錯，紊流區域就越明顯，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 證明了濾網網孔對介質產生了激流效果，網孔中心速度較大，由于能量損耗而使得流速有所降低。

圖8 速度沿軸線方向的分布圖

2.4 能態場

圖9 所示為3 種過濾器內部截面的湍動能分布情況。對圖9 進行對比分析后可知，3 種過濾器殼體的能態場總體較穩定且分布規律相似，在濾網與出水口接管的交界區域均產生了湍動能紊亂區域且分布不均勻，T 型過濾器造成的擾動范圍最大，造成的水頭損失也越大；T 型、U 型、Z 型過濾器的內部湍動能范圍值分別為0～0.460、0～0.539、0～0.677 m2/s2。

圖9 截面湍動能分布圖（單位：m2/s2）

3 結論

本文采用CFD 軟件對不同濾網網孔流場數值進行模擬，分析了3 種濾網過濾器實體模型的流場性能，包括速度場、壓強場、能態場等。

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

（2）濾網對介質具有明顯的阻擋作用，網孔會造成流道變窄，導致壓強分布比較集中，使介質產生較為明顯的壓降，3 種過濾器的進出口壓差值分別為3 756.51、2 962.85、3 118.18 Pa。T型過濾器的壓降最大，Z型過濾器次之，U型過濾器的壓降最小，方形孔的過流面積稍大，造成的壓損相對較小。

（3）出水口接管流場區域會產生一段“Y”形的紊流區域，濾網網孔的孔徑越小，水流經過網孔的流速越大，濾網網孔排列越交錯，紊流區域就越明顯，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對結構進行優化。