長距離有壓輸水管道排氣閥過濾結(jié)構(gòu)最優(yōu)模擬與試驗研究

曲 濤，畢 瑩，宋世亮，許國棟，宋 陽，高金花

（1.山東省調(diào)水工程運行維護中心煙臺分中心,山東煙臺264000；2.長春工程學院,長春130012；3.吉林省水利科學研究院，長春130000）

0 引言

我國主要調(diào)水工程有南水北調(diào)、引黃入晉、引黃入京等已完成工程110 項，在建20 余項。隨著引調(diào)水質(zhì)變差，水中雜質(zhì)黏附于排氣閥的內(nèi)部空間，導致浮球銹蝕，使排氣閥無法正常進氣和排氣，造成長距離輸水管線無法正常運行。目前，國內(nèi)外學者研究主要集中在過濾裝置新型材料的研究以及過濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方面，針對過濾網(wǎng)與排氣閥進行結(jié)合進而應用到長距離有壓輸水管道的研究不常見，過濾網(wǎng)與排氣閥結(jié)合應用于有壓管道，對過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行最優(yōu)設計是十分必要的。

劉輝[1]等人利用Fluent 軟件分析了傾角、長徑比、濾層厚度、孔隙率對過濾器處理效率的影響，并且對排污管道過濾器進行了優(yōu)化設計；權(quán)潔[2]等人利用軟件Fluent 中的多孔介質(zhì)porous模型對過濾器濾層的邊界條件和計算參數(shù)進行設置，對過濾器內(nèi)部的壓力流場和速度流場進行模擬；陶洪飛[3]等人采用Fluent 多孔介質(zhì)階躍模型對網(wǎng)型過濾器的內(nèi)部進行耦合計算，確定了Realizablek-?模型與多孔介質(zhì)階躍模型能更好地模擬網(wǎng)式過濾器中的流場；陶洪飛[4]等人利用Fluent 多孔階躍模型模擬濾網(wǎng)，模擬了出水管與罐體夾角α為75°、60°、45°、30°時過濾器的流場,得出壓降發(fā)生的部位主要為濾網(wǎng)，出水管內(nèi)速度、壓強分布不均勻,有漩渦區(qū)存在，夾角α對出水管內(nèi)流場影響較大。崔春亮[5]等人介紹了自主研發(fā)的一種自動吸污式清洗網(wǎng)式過濾器的工作原理和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新點，并與國外的同類產(chǎn)品進行對比試驗分析，測試結(jié)論是符合低壓低能耗的設計理念。劉飛[6]等人改進優(yōu)化了水力旋噴自動吸附網(wǎng)式過濾器，提高過濾器對灌溉水源的過濾效率,研制和開發(fā)新型自清洗過濾器樣機提供多樣性選擇。熊莉芳[7]等人通過兩個實際案例的相互對比，確認了采用Fluent 軟件中k-?湍流模型對計算管內(nèi)湍流流動可以達到滿意的結(jié)果；郭曜豪[8]等人初步揭示了多孔介質(zhì)非均質(zhì)性對于水油非混相驅(qū)的影響，為深入理解油氣儲層中水油兩相流動規(guī)律提供了理論支持。Kamizela Tomasz[9]等人在污泥處理中使用聚電解質(zhì)是提高過濾效率的一種解決方案，結(jié)果表明，粉煤灰和沸石兩種不同物質(zhì)對條件污泥的脫水效果相同。中國吉良大學[10]提出了一種新的超高壓脫水裝置。本文是從壓力管道輸水過程的實際出發(fā)，采用數(shù)值模擬與試驗觀測兩種方式來進行研究。利用Fluentk-?湍流模型對過濾裝置的孔隙直徑、濾網(wǎng)層厚以及過濾網(wǎng)型進行多孔階躍模擬計算，得到不同條件下的裝置內(nèi)部的壓力場和裝置過濾堵塞規(guī)律，通過試驗觀測，可以得到過濾裝置的實際運行情況，兩種方法對比分析，選擇最優(yōu)過濾裝置結(jié)構(gòu)。

1 區(qū)域概況

山東省膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程是國家南水北調(diào)東線工程的重要組成部分，由于引調(diào)黃河水源，水中雜質(zhì)復雜，在供水期間，因排氣閥內(nèi)雜物堵塞導致的維修總結(jié)情況分析約占整體故障率的80%，因此對現(xiàn)有排氣閥進行局部改進，設計反沖洗過濾裝置，與排氣閥結(jié)合，應用于壓力輸水管道，最大限度的減少雜物堵塞導致排氣閥故障。

山東省膠東引黃調(diào)水工程見圖1。本文截選米山水庫段輸水壓力管段，選擇福山區(qū)高疃泵站福山2 號排氣井為研究中心。

圖1 山東省膠東引黃調(diào)水工程Fig.1 Water diversion project of Jiaodong,Shandong Province

2 結(jié)構(gòu)模型

2.1 數(shù)值模型和網(wǎng)格劃分

2.1.1 幾何模型

結(jié)合高疃泵站排氣閥，設計過濾裝置并建立模型[11]，該模型尺寸以蝶閥下方到排氣閥內(nèi)的浮球位置為高度，如圖2所示。

圖2 過濾裝置模型（單位：mm）Fig.2 Filtration device model

2.1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的高質(zhì)量是保證計算數(shù)值正確的前提，過密或者過疏的網(wǎng)格對計算都是不利的。因此，要保證計算的前提下，減小網(wǎng)格的數(shù)量，提高網(wǎng)格的質(zhì)量。本文計算區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，過濾網(wǎng)和切近壁區(qū)域采用壁面函數(shù)法進行加密處理，網(wǎng)格間隙大小為0.003 m。圖3 為Fluid（Flow）-Meshing 網(wǎng)格劃分的示意圖，對于模型，整個計算域網(wǎng)格數(shù)為183 292。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing

2.2 計算方法

2.2.1 控制方程

過濾裝置內(nèi)部的流動屬于湍流[12]，流體屬于不可壓縮流體，滿足N-S方程，方程可以準確地描述流體在過濾器裝置內(nèi)部的實際流動情況。公式如下：

2.2.2 湍流模型控制方程

本次模擬采用標準k-ε湍流，該控制方程組可寫為：

式中：Gk為平局速度所引起的湍流能k的產(chǎn)生項；Gb為由于浮力所以為的湍流能k的產(chǎn)生項；YM對于不可壓縮流體，Gb=YM=0；C1ε、C2ε、C3ε、Ck、σε為經(jīng)驗參數(shù)，取C1ε= 1.44、C2ε=1.92、C3ε= 0.09、Ck= 1.0、σε= 1.3；ρ為流體密度，kg/m3；k為湍流動能；ε為湍動能耗散率；u為流體相對速度，m/s；μ為流體動力黏度，（N·s）/m2。

2.2.3 顆粒方程

根據(jù)前期資料收集，引調(diào)水含有各種生物和雜質(zhì)，在數(shù)值模擬過程中，將水中雜質(zhì)簡化為顆粒，顆粒[13]在流體相中由湍流引起的擴散可以用隨機跟蹤模型或顆粒云模型來預測，隨機跟蹤模型包括瞬時湍流速度漲落對粒子軌跡的影響通過使用隨機方法。通過整合作用在粒子上的力平衡來預測離散相粒子(或液滴或氣泡)的軌跡，這是用拉格朗日坐標系寫的。這個力的平衡等于粒子的慣性和作用在粒子上的力，可以寫成：

式中：mp為粒子質(zhì)量；up為粒子速度，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；ρp為顆粒密度，kg/m3；為附加力；為阻力；τr為粒子的弛豫時間，可以通過下列公式計算得出。

式中：μ為流體的黏滯系數(shù)；dp為顆粒直徑，m；Re為雷諾數(shù)，通過下列公式計算：

2.3 邊界條件及參數(shù)設置

本課題研究的是反沖洗過濾裝置的過濾性能，液氣兩相流的研究介質(zhì)分別是水和空氣，同時含有離散相顆粒。

多相流模型選擇適用于多種介質(zhì)的Eulerian 模型，湍流模型使用最廣泛的k-ε湍流模型，壓力-速度耦合求解方法采用在求解瞬態(tài)問題有優(yōu)勢的PISO 算法，該方法使計算效率更高，梯度采用單元體最小二乘法格式，體積分數(shù)插值選擇Geo-Reconstruct 格式。入口邊界條件設置為壓力入口，入口壓力設置為壓力管道的最大壓力1 MPa，出口邊界設置為壓力出口，連接大氣。管道充水時不考慮管道進氣，模型避免區(qū)域采用標準壁面函數(shù)，管道系統(tǒng)絕熱，與流體無熱交換。在開始計算前，設置空氣為主相，液體為次相，顆粒為離散相，根據(jù)實際情況，設置顆粒粒徑為5～13 mm，調(diào)整顆粒密度。

將過濾網(wǎng)處設置為多孔介質(zhì)模型，由于多孔介質(zhì)的模型比較復雜，故本文采用porous-jump 多孔階躍模型。本文模擬管道充水瞬時過程，既有液相又有氣相，屬于氣液兩相流動。在開始計算前，設置空氣為主相，液體為次相。在充水開始時，管道內(nèi)只存在氣體，沒有水，所以進口處的邊界條件處的設為1，表示計算前，進口全部是水進入管道內(nèi)；兩個出口處的大氣壓設為0，與大氣相連；計算前的初始化的邊界條件處的設為0，表示管道內(nèi)沒有水，只有空氣。管道內(nèi)的空氣設置為理想的氣體，在水進入管道內(nèi)，受到壓縮后，通過壓力出口向外界排出氣體。

2.4 基本假設方案

根據(jù)水中雜質(zhì)大小、過濾器實用手冊和供水工程技術(shù)規(guī)范設定濾網(wǎng)孔隙直徑大小范圍為5～10 mm，過濾網(wǎng)厚度范圍為5～8 mm，充水流量選擇最大流量5.5 m3/s。為解決堵塞銹蝕問題，過濾網(wǎng)采用不銹鋼SUS 304 材質(zhì)，密度為7.93 g/cm3，具有加工性能好，韌性高的特點。過濾裝置的結(jié)構(gòu)方案如表1所示，對兩種過濾裝置分別進行數(shù)值模擬。

表1 過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)模擬參數(shù)Tab.1 Filter simulation scheme

2.5 過濾介質(zhì)壓降分析

圖4 分別表示過濾網(wǎng)在不同厚度條件下的的流速-壓強差變化曲線。從圖4 可以明顯看出，在孔隙直徑分為5、7、10 mm 的過濾網(wǎng)，在濾網(wǎng)層厚為3 mm 時的壓強差最大，濾網(wǎng)層厚為8 mm 的壓強差最小，結(jié)果表明，在濾網(wǎng)孔徑大小一致，濾網(wǎng)的厚度與壓強差成反比，厚度越小，壓強差越大。

圖4 厚度不同的流速—壓強差分布曲線Fig.4 Velocity-pressure difference distribution curve with different thickness

圖5 表示過濾網(wǎng)在不同孔徑條件下的流速-壓強差變化曲線。從圖5 可以看到，濾網(wǎng)層厚分別為3、5、8 mm 時，孔隙直徑為5 mm的壓強差最大，為1.7 MPa，孔隙直徑為10 mm的壓強差最小，為0.1 MPa。結(jié)果表明，濾網(wǎng)的孔隙直徑與壓強差成反比。

圖5 過濾孔隙直徑不同的流速—壓降差比較曲線Fig.5 Comparison curves of flow velocity and pressure drop difference with different filter thickness

由圖4 和圖5 可知，不同工況下過濾網(wǎng)兩側(cè)壓降差，根據(jù)曲線得出多項式方程，由數(shù)據(jù)擬合后的函數(shù)表達式形式為：

利用Fluent計算多孔介質(zhì)時是將多孔介質(zhì)的計算方程中添加動量源相，動量源相包括兩部分，一部分是黏性阻力，另一部分是慣性阻力。將矩陣用系數(shù)進行代替，即為：

將公式（9）和（10）進行對比可得：

式中：C2為慣性阻力系數(shù)；ρ流體密度，kg/m3；?n為過濾介質(zhì)厚度，m；D=1/α為黏性阻力系數(shù)。

通過擬合曲線公式，根據(jù)公式（9）至（12）得出過濾裝置的慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)，如表2所示。

表2 擬合公式及阻力系數(shù)Tab.2 Fitting formula and drag coefficient of different filters

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果及分析

根據(jù)表2 計算得出慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)，利用Fluent多孔階躍模型對兩種過濾裝置分別進行數(shù)值模擬，觀察過濾裝置在充水瞬時過程，裝置內(nèi)部的流態(tài)流速以及壓強分布，對過濾狀態(tài)以及堵塞情況并進行整理分析，對過濾裝置結(jié)構(gòu)進行最優(yōu)選擇。

3.1 過濾孔隙直徑的影響

模型經(jīng)過Fluent 計算后，利用CFD-Post 對模型結(jié)果進行后處理分析，得到如圖6所示的流速分布圖。從圖6 可以看出，孔隙直徑為5 mm 的過濾裝置內(nèi)部速度較小，有多處漩渦狀，旋渦狀部位的流速相較于裝置其他部位較大；孔隙直徑為7 mm 的裝置內(nèi)部速度較小，同時有多處漩渦狀，相比較與孔隙直徑為5 mm 的過濾網(wǎng)，旋渦狀的速度不大，裝置內(nèi)部的流速較均勻；孔隙直徑為10 mm 的過濾網(wǎng)，裝置內(nèi)部相較于孔隙直徑為5、7 mm的速度較大，沒有出現(xiàn)漩渦狀。

圖6 流態(tài)流速分布圖Fig.6 Flow velocity distribution diagram

圖7為不同孔隙直徑的裝置在充水狀態(tài)的內(nèi)部壓強圖，從圖7 可以看出，孔隙直徑為5 mm 的內(nèi)部壓強分為三部分，過濾網(wǎng)下部分紅色部分壓強最大，為0.8 MPa，濾網(wǎng)上方的青綠色部分壓力最小為0.3 MPa，排污口處的橘色部分，壓強為0.7 MPa；孔隙直徑為7 mm 的裝置內(nèi)部壓強分為兩部分，濾網(wǎng)下方的紅色部分壓強最大，為0.8 MPa，濾網(wǎng)上方的綠色部分壓強最小，為0.5 MPa；孔隙直徑為10 mm 的裝置內(nèi)部壓強分為三部分，濾網(wǎng)下方的紅色部分壓強最大，為0.8 MPa，濾網(wǎng)上方的橘黃色部分壓強最小為0.8 MPa，黃色部分壓強為0.7 MPa。

圖7 壓強圖Fig.7 The pressure diagram

3.2 過濾網(wǎng)層厚的影響

圖8 為濾網(wǎng)厚度分別在3、5、8 mm 的濾網(wǎng)在充水過程的矢量圖，由圖8 可知，濾網(wǎng)厚度為3 mm 的裝置內(nèi)部，速度較小，無漩渦狀；濾網(wǎng)為5 mm 的裝置內(nèi)部速度相對較大，無漩渦狀；濾網(wǎng)為8 mm 的流速較小，有兩個旋渦狀，旋渦狀流速較大。

圖8 速度矢量圖Fig.8 Velocity vector diagram

圖9 為濾網(wǎng)厚度分別在3、5、8 mm 的濾網(wǎng)在充水過程的壓強圖，由圖9 可知，濾網(wǎng)層厚為3 mm 的裝置內(nèi)部壓強分為兩部分，濾網(wǎng)下方的紅色部分，壓強最大，為1 MPa，橘色部分最小，為0.8 MPa；濾網(wǎng)層厚為5 mm的裝置內(nèi)部壓強分為三部分，濾網(wǎng)下方的紅色部分，壓強最大，為0.9 MPa，橘色壓強為0.8 MPa，黃色部分最小，為0.6 MPa；濾網(wǎng)層厚為8 mm的裝置內(nèi)部壓強分為兩部分，濾網(wǎng)下方的紅色部分，壓強最大，為1 MPa，橘色壓強為0.8 MPa。

圖9 壓強圖Fig.9 The pressure diagram

根據(jù)計算結(jié)果，可知孔隙直徑為5 mm和7 mm的過濾裝置在充水過程會出現(xiàn)旋渦狀，對裝置內(nèi)部造成一定的損壞，孔隙直徑為10 mm 的過濾裝置內(nèi)部沒有漩渦出現(xiàn)，同時流速大，方便排氣，三者的裝置內(nèi)部壓強相差不大，因此，最優(yōu)選擇孔隙直徑為10 mm、濾網(wǎng)層厚為5 mm的過濾網(wǎng)。

3.3 過濾網(wǎng)網(wǎng)型的影響

設定沖孔式、弧形式以及籃式3種過濾網(wǎng)型，通過模擬計算，對濾網(wǎng)過濾效果、堵塞程度以及內(nèi)部壓強進行對比分析，選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

（1）設定入口顆粒為200個，模擬結(jié)果顯示在有濾網(wǎng)的情況下，在通過濾網(wǎng)位置時，顆粒被阻攔，0.7 m 以上位置顆粒減少，沖孔板式過濾網(wǎng)過濾效果是95%，籃式過濾網(wǎng)和弧形式過濾網(wǎng)的過濾效果是100%（見圖10）。

圖10 裝置內(nèi)部顆粒分配Fig.10 Particle distribution inside the unit

（2）堵塞程度可以反映濾網(wǎng)有效過濾面積在不同時刻的變化情況。

t時刻過濾面積為：

t時刻濾網(wǎng)堵塞程度：

式中：At為第t時刻過濾面積，m2；A0為初始時刻濾網(wǎng)有效面積，m2；pt為第t時刻壓強，MPa；Qt為第t時刻流量，m3/s；et為第t時刻濾網(wǎng)堵塞程度，%；

圖11 表示3 種過濾網(wǎng)在不同的顆粒在過濾過程中的堵塞程度變化曲線，在過濾初期，堵塞的程度增長速度很大，隨著時間不斷減小。這表明，裝置內(nèi)部由于氣液瞬時壓力過大，顆粒速度較快，初期濾網(wǎng)攔截顆粒時，有效過濾面積在迅速減小，但是內(nèi)外壓差不大，隨著時間的推移，流量逐漸趨于穩(wěn)定，顆粒逐漸堆積在濾網(wǎng)上，有效過濾面積減小的緩慢，此現(xiàn)象表明過濾器在穩(wěn)定的運行。這3 種顆粒粒徑中，5 mm的顆粒堵塞對過濾網(wǎng)的堵塞程度較高，13 mm的顆粒對過濾網(wǎng)的堵塞程度最低。在5 mm 顆粒中，沖孔板式過濾網(wǎng)的堵塞程度為22%，弧形式過濾網(wǎng)堵塞程度為19%，籃式過濾網(wǎng)的堵塞程度為26%，弧形式過濾網(wǎng)的堵塞程度最小。

圖11 過濾網(wǎng)堵塞程度變化圖Fig.11 Change diagram of clogging degree of filter screen

（3）圖12 為裝置在充水過濾狀態(tài)的壓強分布，沖孔板式過濾網(wǎng)裝置內(nèi)過濾網(wǎng)下方的紅色部分壓強最大，為0.99 MPa；弧形式過濾網(wǎng)裝置內(nèi)過濾網(wǎng)下方的紅色部分壓強最大，為0.9 MPa；籃式過濾網(wǎng)裝置內(nèi)過濾網(wǎng)下方的紅色部分壓強最大，為0.91 MPa。

圖12 壓強圖Fig.12 The pressure diagram

根據(jù)模擬計算結(jié)果，可知3種過濾網(wǎng)型都能夠在阻隔雜質(zhì)的同時不影響排氣閥的正常使用，堵塞程度上，弧形式過濾網(wǎng)的堵塞程度最低為19%，過濾時裝置內(nèi)部的壓強中，弧形式過濾網(wǎng)裝置內(nèi)部的壓強最小，因此，最優(yōu)網(wǎng)型選擇為弧形式過濾網(wǎng)。

4 物理模型結(jié)果及分析

4.1 試驗方案

圖13 為過濾裝置模型，由于試驗場地等因素，按照比尺2.5∶1建立試驗模型，包括閥門、過濾網(wǎng)以及排氣閥等。試驗雜質(zhì)根據(jù)堵塞排氣閥的主要雜質(zhì)選定泡沫和紙片。試驗以過濾裝置為研究對象，觀察裝置的過濾狀態(tài)及堵塞情況。在完成一次過濾周期后，通過排污口收集殘余雜質(zhì)。

圖13 過濾裝置圖Fig.13 Diagram of filter device

4.2 試驗結(jié)果對比及分析

由圖14 可知泡沫、紙片在裝置內(nèi)的過濾狀態(tài)，紙片和泡沫由于自重輕，附有黏性，一部分粘于過濾網(wǎng)底部，一部分粘于排污管道內(nèi)壁。從圖中觀察過濾網(wǎng)上下方，可以看到雜質(zhì)都在濾網(wǎng)下方或者排污口位置，上方?jīng)]有雜質(zhì)，同時水流正常流動，排氣閥正常使用。3 種反沖洗裝置的過濾效果100%，符合Fluent數(shù)值模擬的效果，驗證了數(shù)值模擬的可靠。

圖14 雜質(zhì)過濾狀態(tài)分布Fig.14 Impurity filtration state distribution

5 結(jié)論

利用Fluent對長距離有壓輸水管道排氣閥過濾網(wǎng)進行數(shù)值模擬，通過在氣液兩相流狀態(tài)下對過濾網(wǎng)的孔隙直徑、過濾網(wǎng)厚度以及過濾網(wǎng)的網(wǎng)型的模擬分析。結(jié)果表明：

（1）利用Fluent對過濾網(wǎng)的孔隙直徑和濾網(wǎng)層厚進行模擬計算，得到在模擬條件下，過濾網(wǎng)的厚度與壓強差成反比，過濾網(wǎng)的孔隙直徑與壓強差成反比。綜合考慮最優(yōu)選擇孔隙直徑為10 mm，過濾網(wǎng)層厚為5 mm的過濾網(wǎng)。

（2）利用Fluent 模擬孔隙直徑的流場，孔隙直徑為5 mm和7 mm 時裝置內(nèi)部出現(xiàn)漩渦，孔隙直徑為10 mm 沒有出現(xiàn)漩渦，三者的最大壓強都為0.8 MPa，最優(yōu)孔隙直徑選擇為10 mm。

（3）利用Fluent模擬濾網(wǎng)層厚的流場，濾網(wǎng)層厚3 mm 時，無漩渦出現(xiàn)，流速較??；濾網(wǎng)層厚5 mm 時，無漩渦出現(xiàn)，流速較大；濾網(wǎng)層厚8 mm 時，出現(xiàn)漩渦，流速較?。粸V網(wǎng)層厚3 mm和8 mm的裝置內(nèi)部壓強最大為1 MPa，濾網(wǎng)層厚5 mm的裝置內(nèi)部壓強最大為0.9 MPa，最優(yōu)選擇濾網(wǎng)層厚為5 mm。

（4）利用Fluent 對沖孔板式、弧形式和籃式3 種網(wǎng)型的反沖洗過濾裝置進行充水過濾過程和反沖洗過程模擬計算，弧形式反沖洗過濾裝置過濾效果為100%，顆粒堵塞程度為19%，過濾時裝置內(nèi)部壓強最大為0.9 MPa。最優(yōu)選擇弧形式過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

（5）對設計的3種網(wǎng)型的過濾裝置過濾過程進行試驗，結(jié)果表明：3 種裝置的過濾效果達到了100%，驗證了數(shù)值模擬的準確性，過濾裝置的實用性，根據(jù)結(jié)果，最優(yōu)選擇孔隙直徑為10 mm、濾網(wǎng)層厚為5 mm、網(wǎng)型為弧形式的過濾裝置結(jié)構(gòu)。