過(guò)濾器過(guò)濾與反沖洗過(guò)程的數(shù)值模擬

侯宗宗，李謹(jǐn)，張輝

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽(yáng) 471039）

隨著環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越嚴(yán)厲，過(guò)濾器成為污水處理系統(tǒng)的必備安裝設(shè)備之一，利用內(nèi)部的濾網(wǎng)來(lái)攔截污水中攜帶的較大污物顆粒，從而達(dá)到對(duì)污水進(jìn)行凈化的功能。通常采用處理水量、壓力損失、攔截量、過(guò)濾效率及穩(wěn)定性等方面來(lái)對(duì)過(guò)濾器的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中主要的因素有兩個(gè)[1]：攔截量與壓力損失。而攔截量與過(guò)濾器工作時(shí)間有直接的關(guān)系，過(guò)濾器的壓力損失受到過(guò)濾器結(jié)構(gòu)與污物的攔截量的影響，而過(guò)濾器工作時(shí)間的長(zhǎng)短由壓力損失和過(guò)濾介質(zhì)含污量等參數(shù)決定。所以，可以預(yù)估出過(guò)濾器的壓力損失與攔截量對(duì)于提高過(guò)濾器性能而言，起到十分重要的作用。

隨著計(jì)算流體力學(xué)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的廣泛應(yīng)用，采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬濾網(wǎng)，并結(jié)合體積等效的方法來(lái)計(jì)算不同攔截量下濾網(wǎng)的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，可以有效地解決過(guò)濾器濾網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與流動(dòng)情況復(fù)雜無(wú)法計(jì)算、過(guò)濾器過(guò)濾性能無(wú)法預(yù)測(cè)等問(wèn)題。李浩[2]等基于多孔介質(zhì)模型研究了CFD計(jì)算時(shí)湍流模型的選擇。權(quán)潔[3]等基于Fluent研究了纖維過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算及分析。陶洪飛[4-5]等基于多孔介質(zhì)方法，探討了濾網(wǎng)孔徑對(duì)過(guò)濾器流場(chǎng)的影響。以上文獻(xiàn)研究了多孔介質(zhì)的計(jì)算方法，以及對(duì)過(guò)濾器流場(chǎng)的計(jì)算分析，但對(duì)于過(guò)濾器的堵塞以及反沖洗過(guò)程研究較少，因此，本文采用CFD技術(shù)對(duì)過(guò)濾器在過(guò)濾過(guò)程與反洗過(guò)程中在不同處理水量、不同攔截量下過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)的情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了處理水量-濾網(wǎng)攔截量-壓差值之間的關(guān)系，以助于研究過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)與提升過(guò)濾器過(guò)濾性能。在此基礎(chǔ)上掌握了一種研究過(guò)濾器流場(chǎng)的新方法，為新型過(guò)濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的開發(fā)，提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 多孔介質(zhì)模型與建模

1.1 多孔介質(zhì)模型

依據(jù)過(guò)濾相關(guān)的理論，多孔介質(zhì)模型是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)設(shè)定的流動(dòng)阻力。過(guò)濾器的濾網(wǎng)屬于均勻的多孔介質(zhì)模型類型[6]，由半經(jīng)驗(yàn)的Ergun方程可知[7]計(jì)算方程為：

式中：α—多孔介質(zhì)的滲透率；

C2—慣性阻力系數(shù)；

μ為—流體的黏性系數(shù)，m2·s-1；

ρ—流體的密度，kg·m-3；

vi—流場(chǎng)某點(diǎn)沿某方向的速度，m·s-1。

同時(shí)，采用體積等效法對(duì)不同工況下濾網(wǎng)的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可計(jì)算得出過(guò)濾后的相對(duì)直徑D和孔隙率ε，即可獲得相應(yīng)工況下的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)C2。

1.2 過(guò)濾器模型

過(guò)濾器結(jié)構(gòu)見圖1。進(jìn)出口直徑為DN250，反沖洗口直徑為DN80，過(guò)濾器濾網(wǎng)孔徑為φ100 um，濾網(wǎng)厚度3 mm，初始孔隙率40%，污物密度1 900 kg·m-3，單個(gè)污物顆粒質(zhì)量為3.36×10-6g。過(guò)濾器網(wǎng)格模型見圖2。網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格數(shù)量為3 056 450。

圖1 過(guò)濾器結(jié)構(gòu)

圖2 過(guò)濾器網(wǎng)格模型

過(guò)濾過(guò)程的處理水量分別為200、300、400、500 m3·h-1，濾網(wǎng)攔截量分別為0、100、200、300、400、500 g，過(guò)濾過(guò)程時(shí)反沖洗口設(shè)置為壁面。反沖洗過(guò)程時(shí)，在過(guò)濾過(guò)程相同工況條件下，反沖洗口設(shè)置為出水口，即部分污水經(jīng)反沖洗口流出。

1.3 邊界條件

依據(jù)過(guò)濾器過(guò)濾工況，將過(guò)濾器的殼體、進(jìn)出水口接管及反沖洗腔設(shè)置為無(wú)滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面固定壁面[8]。過(guò)濾器進(jìn)、出口邊界與反沖洗出水口（在反沖洗過(guò)程時(shí)設(shè)置）的水流方向均垂直于進(jìn)、出口面，進(jìn)水口設(shè)置為速度進(jìn)口；過(guò)濾過(guò)程，出水口設(shè)置為壓力出口，其值為100 kPa，其湍流強(qiáng)度為3%，排污口設(shè)置為固定壁面；反沖洗過(guò)程，排污口設(shè)置為壓力出口，其值為20 kPa。

濾網(wǎng)設(shè)置為多孔介質(zhì)模型，根據(jù)不同的攔截量，分別計(jì)算得出相應(yīng)工況下多孔介質(zhì)模型的主要參數(shù)：孔隙率、黏性阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)。在迭代求解方面，選用壓力與速度耦合的SIMPLE算法，穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，選用Realizablek-系湍流模型，其他選用默認(rèn)格式[9-10]，選擇適當(dāng)?shù)牡介L(zhǎng)，過(guò)濾介質(zhì)為清水。

2 結(jié)果與分析

2.1 流速-壓差曲線

在清水過(guò)流的試驗(yàn)工況下，獲得過(guò)濾器的流量與壓差性能曲線，壓差值即為進(jìn)出水口的壓力之差，并與數(shù)值計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果見圖3。

由圖3可知，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)壓差值最大相對(duì)誤差為10.14%，驗(yàn)證了網(wǎng)格模型的正確性，數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性。

圖3 流量-壓差性能曲線

2.2 過(guò)濾過(guò)程

圖4、圖5分別表示在處理水量為300 m3·h-1、攔截量為200 g時(shí)過(guò)濾器在過(guò)濾過(guò)程的壓力與速度分布云圖。由圖4、圖5可得，過(guò)濾器的內(nèi)部壓力分布相對(duì)均勻，濾網(wǎng)內(nèi)外產(chǎn)生階躍，濾網(wǎng)的阻擋作用明顯進(jìn)口附近壓力大，出口附近壓力小，符合實(shí)際情況。排污口處于關(guān)閉狀態(tài)，排污管與反沖洗腔內(nèi)部的流動(dòng)幾乎為零，壓力與濾網(wǎng)內(nèi)部流體壓力保持一致。由于出水口接管垂直于過(guò)濾器筒體，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會(huì)逐漸減小，而沿接管軸線方向的分速度則會(huì)逐漸增大，所以在出水口接管流場(chǎng)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生一段“Y”形的紊流區(qū)域，符合實(shí)際的流動(dòng)情況。

圖4 過(guò)濾過(guò)程中過(guò)濾器壓力分布

圖5 過(guò)濾過(guò)程中過(guò)濾器速度分布

圖6表示在過(guò)濾過(guò)程中不同的處理水量下，過(guò)濾器的濾網(wǎng)攔截量與壓差值之間的關(guān)系。由圖6可得，在一定處理水量下，過(guò)濾器的壓差值會(huì)伴隨著濾網(wǎng)攔截量的增多而呈近似線性的變大。

圖6 濾網(wǎng)攔截量與壓差值之間的關(guān)系

圖7表示在過(guò)濾過(guò)程中不同的濾網(wǎng)攔截量下，過(guò)濾器處理水量與壓差值之間的關(guān)系。由圖7可以得出，在一定濾網(wǎng)攔截量的情況下，過(guò)濾過(guò)程中過(guò)濾器的壓差值隨著處理水量的增加而增加，呈近似指數(shù)的增加趨勢(shì)。

圖7 處理水量與壓差值之間的關(guān)系

2.3 反沖洗過(guò)程

圖8、圖9分別表示在處理水量為300 m3·h-1、攔截量為200 g時(shí)過(guò)濾器在反沖洗過(guò)程的壓力與速度分布云圖。由圖8、圖9可得，過(guò)濾器內(nèi)部壓力分布相對(duì)均勻，濾網(wǎng)的阻擋作用而產(chǎn)生明顯的壓降。排污口設(shè)置為壓力出口，即排污口處于開啟狀態(tài)，水流經(jīng)排污管與反沖洗腔，通過(guò)排污口排出，由于排污口與大氣相通，這部分區(qū)域的壓力較均勻且最低，以達(dá)到反沖洗的目的。

圖8 反沖洗過(guò)程中過(guò)濾器壓力分布

圖9 反沖洗過(guò)程中過(guò)濾器速度分布

圖10表示在反沖洗過(guò)程中不同的處理水量下，過(guò)濾器濾網(wǎng)攔截量與壓差值之間的關(guān)系。由圖10可以得出，在一定處理水量的情況下，反洗過(guò)程中過(guò)濾器的壓差值隨著濾網(wǎng)攔截量的減少而呈近似線性的下降，這是由于過(guò)濾器不斷地進(jìn)行反沖洗清污，從而壓降逐漸減低，符合實(shí)際情況。

圖10 濾網(wǎng)攔截量與壓差值之間的關(guān)系

圖11表示在反沖洗過(guò)程中不同的濾網(wǎng)攔截量下，過(guò)濾器處理水量與壓差值之間的關(guān)系。由圖11可以得出，在一定濾網(wǎng)攔截量的情況下，反洗過(guò)程中過(guò)濾器的壓差值隨著處理水量的增加而呈現(xiàn)出近似指數(shù)的增加。

圖11 處理水量與壓差值之間的關(guān)系

3 結(jié) 論

基于多孔介質(zhì)模型對(duì)過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并結(jié)合體積等效法獲得不同濾網(wǎng)攔截量下濾網(wǎng)的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)性能參數(shù)，獲得了過(guò)濾過(guò)程和反沖洗過(guò)程中處理水量-濾網(wǎng)攔截量-壓力損失等因素之間的關(guān)系，研究結(jié)論如下：

1）基于多孔介質(zhì)模型計(jì)算獲得的模擬結(jié)果值和試驗(yàn)壓差值相差不大，流速-壓差曲線的趨勢(shì)基本一致，證明了數(shù)值模擬計(jì)算方法的可靠性，為有效地開展過(guò)濾器過(guò)濾過(guò)程與反沖洗過(guò)程中的性能研究奠定了可靠的基礎(chǔ)。

2）過(guò)濾過(guò)程中，過(guò)濾器壓力損失隨著濾網(wǎng)攔截量的增多而增大，隨著處理水量的增大而增大。反洗過(guò)程中，過(guò)濾器壓力損失隨著濾網(wǎng)攔截量的減少而的減小，隨著處理水量的增大而增大。

3）基于多孔介質(zhì)模型的模擬計(jì)算可以預(yù)測(cè)過(guò)濾器的濾網(wǎng)攔截量，也能夠根據(jù)不同的過(guò)濾器結(jié)構(gòu)與過(guò)濾壓差值而設(shè)定適當(dāng)?shù)奶幚硭颗c濾網(wǎng)攔截量，進(jìn)一步地增強(qiáng)過(guò)濾器性能。此外，模擬計(jì)算可為過(guò)濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能預(yù)測(cè)提供一定的數(shù)據(jù)支撐。