基于FLUENT 的過(guò)濾器濾網(wǎng)流場(chǎng)模擬計(jì)算

侯宗宗 郭雨菲

（中船重工第七二五研究所 洛陽(yáng)471023）

引 言

隨著航運(yùn)業(yè)環(huán)境保護(hù)要求越來(lái)越嚴(yán)格，尤其是船舶壓載水的處理更為重要，而濾網(wǎng)作為船舶壓載水自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器的重要部件之一，直接決定過(guò)濾器的處理水量、過(guò)濾效率等工作性能，其結(jié)構(gòu)采用四層金屬絲網(wǎng)燒結(jié)而成，屬于多孔材料使用范疇，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好、耐磨與耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)［1］，并有較好的流體滲透性能［2］。濾網(wǎng)的流場(chǎng)特性，主要涉及在工況中的壓力損失、過(guò)濾流速及湍流情況。濾網(wǎng)內(nèi)部的流動(dòng)狀況對(duì)于金屬絲網(wǎng)的選型與設(shè)計(jì)，優(yōu)化濾網(wǎng)的性能可使過(guò)濾器達(dá)到過(guò)濾效果強(qiáng)、使用周期長(zhǎng)等目的［3］。目前，采用各種現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)研究與分析濾網(wǎng)的主要流阻性能參數(shù)［4］，即在不同的流速及各層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)組合的條件下獲得濾網(wǎng)的流場(chǎng)性能參數(shù)，并進(jìn)一步改變相關(guān)設(shè)計(jì)條件取得相對(duì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這將導(dǎo)致研發(fā)時(shí)間太長(zhǎng)，且屬于反復(fù)性的組合試驗(yàn)，更盲目與費(fèi)力。

為解決上述問(wèn)題，并省去大量重復(fù)性的組合試驗(yàn)，本研究過(guò)濾器的濾網(wǎng)為四層燒結(jié)不銹鋼金屬絲網(wǎng)，采用三維軟件構(gòu)建了濾網(wǎng)三維實(shí)體模型，依據(jù)船舶壓載水過(guò)濾器在試驗(yàn)平臺(tái)的過(guò)流試驗(yàn)來(lái)模擬計(jì)算其內(nèi)部流場(chǎng)情況［5］，采用基于CFD 方法對(duì)其性能進(jìn)行計(jì)算，能夠全面呈現(xiàn)濾網(wǎng)內(nèi)部的流場(chǎng)特性，包括速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、湍流分布等，并獲取濾網(wǎng)的流速-壓差曲線以及擬合方程，為濾網(wǎng)的性能預(yù)報(bào)提供研究方法，并為進(jìn)一步改善過(guò)濾器性能、延長(zhǎng)使用周期提供依據(jù)。

1 理論方程和計(jì)算模型

1.1 理論方程

本文濾網(wǎng)流域模型是在三維定常的計(jì)算條件下，不可壓縮的湍流流動(dòng)，則流場(chǎng)的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程（N-S 方程）［6-8］：

采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型（standardk-εmodel）：

其中渦粘性系數(shù)用μt表示：

式中：xi和xj分別為i和j方向上的位置坐標(biāo)；ui與uj均為瞬時(shí)速度，m/s；t為時(shí)間，s；p為靜壓，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；gi為單位質(zhì)量的重力，m/s2；ε為耗散率；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)，Pa·s；為雷諾應(yīng)力張量；Gk為因平均速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能生成項(xiàng)，J。

同時(shí)，上述方程中的附加經(jīng)驗(yàn)常數(shù)值為：

1.2 網(wǎng)格劃分

選取的過(guò)濾器濾網(wǎng)采用四層燒結(jié)金屬絲網(wǎng)，見(jiàn)圖1，骨架層為孔板結(jié)構(gòu)，依據(jù)實(shí)際編織情況建立其三維實(shí)體模型，見(jiàn)圖2?；贑FD 軟件構(gòu)建濾網(wǎng)的外流場(chǎng)區(qū)域，見(jiàn)圖3，模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分［7］，適當(dāng)優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，并有效地控制計(jì)算量［8］，濾網(wǎng)流域模型網(wǎng)格總數(shù)為37 839 153，見(jiàn)圖4。

圖1 四層燒結(jié)金屬絲網(wǎng)

圖4 濾網(wǎng)流域網(wǎng)格劃分

保證來(lái)流均勻以及出口不受湍流的影響，在濾網(wǎng)流域的前后均適當(dāng)延長(zhǎng)。

1.3 邊界條件

將濾網(wǎng)流域四周的壁面設(shè)置為周期性無(wú)滑移［6-8］，近壁面區(qū)域的函數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面。進(jìn)口設(shè)成速度入口，出口設(shè)成一個(gè)大氣壓的壓力出口。在迭代求解上，壓力和速度耦合計(jì)算采用SIMPLE 算法，定常狀態(tài)，壓力插值采用標(biāo)準(zhǔn)格式，其余設(shè)置則選擇默認(rèn)值，并考慮收斂情況，選擇適當(dāng)?shù)牡介L(zhǎng)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 流速-壓差曲線

通過(guò)在不同的來(lái)流流速情況下，對(duì)其條件下的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到了相應(yīng)的仿真計(jì)算壓差值，而其試驗(yàn)值是由整機(jī)SRF-100V 過(guò)濾器在過(guò)流試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)測(cè)，過(guò)濾器進(jìn)出口管徑為DN80，濾網(wǎng)直徑245 mm，長(zhǎng)為513 mm，采用水泵安全試驗(yàn)流量范圍為70 m3/h 至100 m3/h，換算濾網(wǎng)處流速為0.365 m/s 至0.521 m/s。以模擬值與試驗(yàn)值繪出其性能曲線，見(jiàn)圖5，仿真模擬結(jié)果與試驗(yàn)值相比，可以得出相對(duì)貼合度較高，走勢(shì)基本一致。而過(guò)濾器的實(shí)際試驗(yàn)條件比較復(fù)雜，受到取壓口位置、儀表精確度等不確定因素較多。結(jié)果表明：試驗(yàn)值與模擬值相差最大為9.7%；流速的增大會(huì)使湍流更為激烈，且損失增多，導(dǎo)致其壓差值也增大；按照濾網(wǎng)流速與壓差值的關(guān)系獲得其擬合方程為：ΔP= 5 519.3v2 + 2 237.9v，擬合相關(guān)性為99%；三維實(shí)體仿真模擬結(jié)果具有較高可信度，并可以較全面呈現(xiàn)其流動(dòng)性能。

2.2 流場(chǎng)特性分析

選取以設(shè)計(jì)流速為0.5 m/s 的速度進(jìn)入濾網(wǎng)流域。由圖6 和圖7 可知濾網(wǎng)流場(chǎng)內(nèi)部的壓力分布與速度分布情況。

圖5 流速-壓差曲線

圖6 截面壓力分布圖

圖7 截面速度分布圖

由于濾網(wǎng)內(nèi)的絲網(wǎng)編織結(jié)構(gòu)緊湊，流道非常不規(guī)則，水流先沖擊保護(hù)網(wǎng)，經(jīng)主濾網(wǎng)時(shí)流道變窄，使得壓力分布比較集中，出現(xiàn)明顯的壓降，在流經(jīng)濾網(wǎng)流體區(qū)域后總壓值有明顯的減小，而在濾網(wǎng)附近因?yàn)榻z網(wǎng)密實(shí)使得水流在此處產(chǎn)生激流，在孔板過(guò)后表現(xiàn)較為明顯的尾流形狀，這與實(shí)際情況相符合。

下頁(yè)圖8 展示出壓力沿軸向方向的分布情況，能直觀反映出壓力的變化情況，因?yàn)V網(wǎng)編織燒結(jié)會(huì)造成壓力波動(dòng)而引起壓力更大的損失，證明了濾網(wǎng)的流阻特性。圖9 展示了速度沿軸向方向的分布，進(jìn)一步證實(shí)了上述的激流情況并因能量損耗而致使過(guò)后流速有所降低，在濾網(wǎng)之后趨于穩(wěn)定。圖10為主濾網(wǎng)處截面壓力分布圖，因四層絲網(wǎng)更為密實(shí)，貼近孔板處容易出現(xiàn)激流情況而致使在孔板區(qū)域出現(xiàn)明顯的壓降區(qū)域；圖11 為孔板截面速度分布圖，孔中心速度較大，符合實(shí)際情況。由湍流動(dòng)能圖（圖12）能夠得出濾網(wǎng)對(duì)流體流域的湍流影響最大，主濾網(wǎng)區(qū)域處湍流更為激烈，特別是主濾網(wǎng)前的流域，呈現(xiàn)出非常鮮明的湍流區(qū)域，但水流之后一段距離，湍流強(qiáng)度也隨之逐步降低；圖13 顯示濾網(wǎng)流域內(nèi)部的流線狀況，更清晰地分析濾網(wǎng)內(nèi)部流動(dòng)，在孔板處呈現(xiàn)激流并在其后產(chǎn)生明顯的渦流。

圖8 壓力沿軸線方向的分布圖

圖9 速度沿軸線方向的分布圖

圖10 主濾網(wǎng)處截面壓力分布圖

圖11 孔板處截面速度分布圖

圖12 截面湍流強(qiáng)度分布云圖

圖13 濾網(wǎng)流線分布情況

3 結(jié) 論

本文采用基于FLUENT 的濾網(wǎng)流場(chǎng)數(shù)值模擬方法，分別建立與分析了濾網(wǎng)四層燒結(jié)金屬絲網(wǎng)三維實(shí)體模型下的流場(chǎng)性能情況，包括速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、湍流強(qiáng)度等情況?；诓豢蓧嚎s的湍流理論獲得總壓值，通過(guò)在不同進(jìn)速條件下濾網(wǎng)流場(chǎng)的模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比，可得出以下結(jié)論：

（1）基于CFD 理論計(jì)算得到的模擬結(jié)果值和試驗(yàn)壓差值相差不大，而且流速-壓差的基本趨勢(shì)相同，證明了數(shù)值模擬研究方法的可信度，并獲得其擬合計(jì)算方程，為有效地研究與分析濾網(wǎng)的壓降、流速等各方面的性能；

（2）在0.5 m/s 水流的計(jì)算條件下，最大流速可達(dá)到3 m/s，壓差值為2 436 Pa，與試驗(yàn)值相差9.7%，符合實(shí)際情況；濾網(wǎng)的壓損隨著進(jìn)速流速的增大而變大； 濾網(wǎng)內(nèi)部絲網(wǎng)密實(shí)，水流流速越大，會(huì)造成更多的壓力損失，并在濾網(wǎng)前后區(qū)域呈現(xiàn)明顯的壓降；在骨架層孔板的圓孔處激流情況更為突出，主濾網(wǎng)區(qū)域的湍流強(qiáng)度較強(qiáng)，其壓力損失也主要集中于孔板圓孔區(qū)域，符合實(shí)際情況。