基于多孔介質(zhì)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(fā)射技術(shù)研究所，北京，100006）

0 引 言

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

目前液氧過濾器采用斜插式結(jié)構(gòu)。流體從過濾器進口管流入，依次通過過濾器濾芯、內(nèi)骨架再從過濾器出口管流出。濾網(wǎng)是決定過濾器流通性和濾過性的關(guān)鍵部件網(wǎng)，可有效阻擋固體雜質(zhì)。常規(guī)使用的濾芯為單層濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)。單層濾網(wǎng)濾芯具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點，但使用過程中也存在相關(guān)缺陷：a）單層濾網(wǎng)與骨架的裝配工藝復(fù)雜、焊接工序繁瑣，濾芯焊接處易破損[1]；b）單層濾網(wǎng)的流通面積低，且承壓能力弱。當系統(tǒng)多余物較多，濾網(wǎng)出現(xiàn)嚴重堵塞時，流阻增大，會引起濾網(wǎng)前后壓降增加，極易壓潰、損壞濾網(wǎng)，導(dǎo)致多余物進入介質(zhì)，無法保證其品質(zhì)及相關(guān)設(shè)備的安全。

針對現(xiàn)有單層濾芯濾網(wǎng)的缺點，本研究提出將液氧過濾器濾芯的單層濾網(wǎng)改進為多層折波式濾網(wǎng)，并在濾網(wǎng)兩側(cè)加以外骨架、內(nèi)骨架支撐，可以有效提高濾網(wǎng)的承壓能力。同時，由于濾網(wǎng)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(nèi)部流動規(guī)律也會隨之改變[2]。掌握過濾器元件的流動，對加注系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)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(zhì)模型的過濾器高精度流阻仿真計算模型，為后續(xù)過濾器濾芯的優(yōu)化和改進奠定了理論基礎(chǔ)，為加注系統(tǒng)的安全性和可靠性提供保障。

1 研究方法

1.1 濾網(wǎng)改進方案

為提高濾芯的承壓能力，根據(jù)現(xiàn)有過濾器使用情況，將單層濾網(wǎng)改成多層折波式結(jié)構(gòu)[3]。單層濾網(wǎng)的網(wǎng)孔直徑為63 μm，孔隙率為37.4%。改進后的多層折波濾網(wǎng)的中間層為過濾層，網(wǎng)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(cè)加以保護層，其網(wǎng)孔直徑為280 μm，孔隙率為44.4%。濾網(wǎng)的網(wǎng)孔直徑、孔隙率等技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 單層、多層濾網(wǎng)主要參數(shù)Tab.1 Geometry Parameters of Strainers

將多層濾網(wǎng)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(jié)構(gòu)及實物如圖1所示。為了增加濾芯的強度和剛度，濾網(wǎng)兩側(cè)采用骨架支撐，并在內(nèi)骨架里側(cè)增加了襯環(huán)。內(nèi)、外骨架采用不銹鋼板卷焊。裝配時，先進行內(nèi)骨架、濾網(wǎng)組件與壓環(huán)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(jié)構(gòu)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(wǎng)濾芯）進行進出口壓差測量，得到其壓降特性[6]。試驗系統(tǒng)主要由貯箱、過濾器、泵、閥門、管路、試驗工裝和測控系統(tǒng)組成，如圖2所示。

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

該試驗系統(tǒng)主要用于低溫加注系統(tǒng)設(shè)備如過濾器、閥門等的流阻性能測試，同時可應(yīng)用于常規(guī)加注系統(tǒng)設(shè)備流阻性能測試。試驗系統(tǒng)采用潔凈水作為試驗介質(zhì)，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(tǒng)提供流體的流動動能。為滿足系統(tǒng)流量要求，系統(tǒng)設(shè)置3臺臥式離心水泵并聯(lián)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(xiàn)流量調(diào)節(jié)。系統(tǒng)流量通過電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)閥采用等百分比特性，流量調(diào)節(jié)閥前設(shè)有分流管路及分流球閥以備小流量調(diào)節(jié)時輔助調(diào)節(jié)。系統(tǒng)預(yù)留備用流量調(diào)節(jié)支路接口法蘭，當最小調(diào)節(jié)流量不滿足需求時，可接入一個小調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)。

本試驗中，為了在60～600 m3/h的流量范圍進行精確測量，系統(tǒng)設(shè)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(shè)置有溫度和壓力傳感器，在過濾器前后測試工藝管路上設(shè)置有壓差傳感器，以監(jiān)測管路溫度和壓力等參數(shù)。為了模擬堵塞狀態(tài)下的濾網(wǎng)，本試驗采用塑料薄膜包覆濾網(wǎng)的方法，定量等效被堵塞部分濾網(wǎng)，測量過濾器在不同堵塞面積下的壓降特性。

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

1.3 數(shù)值計算

過濾器內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)復(fù)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(guī)計算流體力學(xué)方法，將其流體域進行網(wǎng)格劃分、迭代計算。但濾芯部分并非常規(guī)流體域，其內(nèi)部孔隙尺寸極小、數(shù)量極多，不能進行通常的流場計算，必須建立模型?；瘍?nèi)部流動參數(shù)，本研究中基于多孔介質(zhì)模型進行了過濾器壓降特性的計算。

1.3.1 多孔介質(zhì)計算模型

多孔介質(zhì)是指內(nèi)部含有眾多空隙的固體材料，其內(nèi)部是由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？锥吹倪吔缁虮砻嬗芍е蚱桨鍢?gòu)成，孔道縱橫交錯，互相貫通。多孔介質(zhì)通常具有10%～60%的孔隙率，孔徑1～100 μm。由無數(shù)金屬絲縱橫交錯而成的濾網(wǎng)也是一種典型的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此，本研究采用多孔介質(zhì)模型來模化計算濾芯區(qū)域的水力參數(shù)、評估其壓降特性[7,8]。

本研究在 ANSYS-CFX中開展相關(guān)計算。結(jié)合N-S方程與達西定律，多孔介質(zhì)模型構(gòu)建了以經(jīng)驗假設(shè)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(fā)現(xiàn)如下規(guī)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(shù)，是標志著多孔介質(zhì)滲透能力大小的常數(shù)。

在與NS結(jié)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?yōu)?/p>

式中 μ為動力粘度。

多孔介質(zhì)的孔隙率γ是影響滲透系數(shù)K的重要因素，是決定損失和壓降的關(guān)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(nèi)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(zhì)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(gòu)建、網(wǎng)格劃分和數(shù)值求解。

1.3.2 計算流體域及網(wǎng)格劃分

首先，按照DN100液氧過濾器的殼體及濾芯結(jié)構(gòu)，在NX UG軟件中，對過濾器的進出口、內(nèi)外骨架、濾芯等部件進行三維建模，并提取、構(gòu)建氧氮流經(jīng)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(jīng)過濾器時，由進口管段進入，流經(jīng)濾芯（單層過濾網(wǎng)）、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(jié)構(gòu)，濾芯為單層濾網(wǎng)，包覆于骨架之外，起到過濾作用。單層濾網(wǎng)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(wǎng)過濾器流體域Fig.3 Simulated Fluid Domain with Single Strainer

數(shù)值計算時，區(qū)別于進、出口管段內(nèi)的流體域，濾芯部分為多孔介質(zhì)域。因此，模型構(gòu)建時，濾芯區(qū)域須單獨劃分，并在進口段與濾網(wǎng)之間、濾網(wǎng)與骨架之間分別設(shè)置交界面，進行流場數(shù)據(jù)交換。

改進后過濾器流體域如圖 4所示。流體流經(jīng)過濾器時，由進口管段進入，流經(jīng)內(nèi)骨架、濾芯（多層折波過濾網(wǎng)）、外骨架，最終由出口管段流出。改進后的濾芯兩側(cè)由內(nèi)、外骨架支撐；濾芯為多層折波濾網(wǎng)，置于內(nèi)、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(wǎng)無堵塞，濾網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)無堵塞時，過濾器進出口壓差為126.2 kPa，而當濾網(wǎng)堵塞60%時，過濾器進出口壓差為141.8 kPa；當濾網(wǎng)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(shù)值計算結(jié)果

為驗證數(shù)值模擬的計算精度，將壓降的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗測量結(jié)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(shù)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(wǎng)，且以折波的形式組成環(huán)形置于內(nèi)外骨架內(nèi)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(wǎng)的孔隙率 37.4%進行計算。與試驗結(jié)果相比，較為吻合，但數(shù)值模擬計算的壓降值比試驗結(jié)果略低?？紤]到折波濾芯中3層濾網(wǎng)的實際孔隙率分別為 44.4%、37.4%、44.4%，由于濾網(wǎng)開孔存在重疊相錯，不可能保持完全重合，導(dǎo)致了3層折波濾網(wǎng)的通過性有所降低。在數(shù)值計算中將孔隙率調(diào)整為21%，數(shù)值模擬計算的壓降值與試驗結(jié)果極為吻合，這說明該計算中采用的數(shù)值計算方法、多孔介質(zhì)模型、孔隙率參數(shù)等，可以準確地預(yù)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)，過濾器2為多層折波濾網(wǎng)，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(guī)律相同；過濾器2、濾芯2產(chǎn)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(tǒng)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(jié)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(jié) 論

本研究采用多孔介質(zhì)模型、高精度多塊網(wǎng)格劃分技術(shù)對改進前后液氧過濾器及濾芯的壓降特性進行了數(shù)值計算，研究結(jié)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(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合很好，數(shù)值計算可以準確地預(yù)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(dǎo)流能力，但也提高了局部阻力損失，使得壓降增加。