過濾器吸污部件的流場特性分析與優(yōu)化

張可可， 侯宗宗， 喬俊杰

(中國船舶集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000)

引 言

目前，過濾器(以下簡稱“濾器”)已廣泛應(yīng)用于船舶、電廠等領(lǐng)域。在船舶領(lǐng)域，隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，80%貨物往來依靠遠洋船舶運輸[1]。船舶運輸離不開的壓載水系統(tǒng)來消除壓載水中有害海生物的存活和轉(zhuǎn)移機會，從而保護海洋海生物的生存環(huán)境不受污染。而濾器作為壓載水系統(tǒng)中過濾作用的第一道環(huán)節(jié)，其過濾器性能的好壞將直接影響到壓載水處理的最終效果[2-3]。

在電廠領(lǐng)域，濾器主要應(yīng)用于電解海水制氯酸鈉系統(tǒng)中，其作用是過濾海水中的固體顆粒。海水通過入口泵后，進入濾器的濾芯內(nèi)腔，經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后進入制氯系統(tǒng)，而海水中雜質(zhì)被攔截在濾芯內(nèi)部，從而保證電廠制氯系統(tǒng)的正常工作[4-5]。

目前，過濾器清污技術(shù)主要有吸吮、刮刷來清除濾芯表面的污漬等；為了使過濾器濾芯在核電廠更加安全、可靠的運行，喬天飛等[6]在國內(nèi)核電廠過濾器中采用國產(chǎn)化濾芯，并且，除了采用NB/T《核電廠用水過濾器濾芯通用技術(shù)條件》外，還編制了滿足國內(nèi)生產(chǎn)要求和性能檢測的標(biāo)準(zhǔn)。但是，目前濾器在吸污部件設(shè)計時,僅定性分析了吸污管和排污管的管徑對濾網(wǎng)吸污效果的影響，未對其進行深入研究。

本文從吸污部件的流場角度出發(fā)，通過改變排污管和吸管的管徑，得到不同的流速和相對方差來研究吸污部件的流場特性。

通過排污管、吸管和吸嘴不同管徑組合，來定量分析吸污部件的內(nèi)部流場特性和規(guī)律，為濾器吸污部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)。

1 吸污部件流場分析

1.1 吸污部件的工作原理

本文以電解制氯系統(tǒng)過濾器的吸污部件為研究對象，來分析吸污部件的內(nèi)部流場特性。吸污部件主要由吸污嘴(以下簡稱為“吸嘴”)、排污管、吸污管(以下簡稱為“吸管”)等組成(見圖1)。海水通過濾網(wǎng)后將雜質(zhì)截留在濾網(wǎng)內(nèi)部，在反沖洗時，雜質(zhì)通過吸嘴收集后經(jīng)吸管和排污管排出濾器，減少雜質(zhì)在濾網(wǎng)表面的累積，保證濾器正常工作。

圖1 吸污部件的結(jié)構(gòu)示意圖

為了更好研究吸污部件流場特性，將吸污部件分為兩個部分，即排吸組件(由排污管和吸管組成)和吸嘴部分。

1.2 建立排吸組件有限元模型

根據(jù)濾器排吸組件的實際尺寸，建立仿真模型，采用Fluent軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，對排吸組件選用局部膨脹層設(shè)置，膨脹層設(shè)置為5層，最大厚度為3 mm，進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格質(zhì)量采用orthigonalquality進行評判，最小網(wǎng)格質(zhì)量可達到0.290，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.926；滿足仿真需求。

1.3 邊界條件參數(shù)設(shè)置與仿真

雷諾系數(shù)計算公式見式(1)。

(1)

式中v為流體的流速；v=0.2 m/s；ρ為流體的密度，ρ=998.2 kg/m3；μ為流體的黏度系數(shù)，μ=0.001 003 pa.s；d為特征長度，此處代表管道直徑，d=0.052 m。將以上數(shù)據(jù)代入式(1)中可得Re=103 812.8，遠大于10 000，屬于湍流現(xiàn)象。

因此在Fluent中，將模型設(shè)置為湍流模型，選用k-epsilon中realizable模型。

邊界條件選用入口設(shè)置壓力為1 MPa；出口速度分別設(shè)置為1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s。

經(jīng)過仿真可得到在不同出口流速下的4個吸管位置處的流速，為了便于對吸管的流速進行分析，引入相對方差和相對極差，其相對方差是指各吸管流速的均方差除以平均值；相對極差是指各吸管流速的極差除以最小流速值。可得到不同流速下吸管的方差和極差，分析見表1。

表1 不同出口流速下吸管的方差和極差分析

分析表1可知，吸管1到吸管4的速度依次從小到大，呈現(xiàn)出階梯變化，即靠近出口處的吸管速度越大，而遠離出口處的吸管速度越小，這是因為，在吸管管徑相同的情況下，水流會呈現(xiàn)“就近原則”，將離近出水口的水流先排出所致。

分析表1可知，在出口流速作用下吸管的相對方差和相對極差均較大，最大可達到155.82%，但出口速度大小變化對吸管的相對方差和極差影響較小,這是因為吸管1到吸管4的管徑大小相同，在不同出口流速作用下，對吸管的流場影響趨于一致。

因此采用此管徑組合的吸管對濾芯進行吸污時，排吸組件各位置上的吸管對濾網(wǎng)清洗速度不一樣，具有較大不均性，在反沖洗時對濾網(wǎng)表面清污效果表現(xiàn)不佳。因此，需對此排吸組件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

1.4 排吸組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和仿真分析

排吸組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要從兩個方面進行考慮，一方面，排污管優(yōu)化設(shè)計，即將排污管加工成錐形，吸管為等徑的吸管；但排污管加工成錐形時，加工難度較大且加工成本較高，不予考慮。

另一方面，排污管和吸管的管徑進行綜合優(yōu)化，即先將排污管管徑進行優(yōu)化，再對各吸管管徑進行優(yōu)化。加工難度較低，滿足加工要求，符合實際生產(chǎn)需求。

排污管和吸管的面積關(guān)系見式(2)、式(3)。

(2)

式中，S1為排污管的面積，mm2；D1為排污管直徑，mm。

(3)

式中，S2為吸管的面積，mm2；D2為吸管直徑，mm。

根據(jù)實際流量和工作需求有S1≥4S2，其中，將D2=0.034代入式(2)中計算，并結(jié)合GB/T 17395-2008《無縫鋼管尺寸、外形、質(zhì)量及允許偏差》，綜合考慮可得D1=66mm。其余邊界條件不變，在出口流速分別設(shè)置為1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s時，仿真結(jié)果見表2。

表2 排污管66mm時吸管的方差和極差分析

分析表2可知，將排污管的管徑增大至66 mm時，此時吸管的相對極差約為40%，提高了將近4倍，很大程度上降低了吸管之間的極差，對吸管清污有很大的改善。這是因為，排污管的管徑增大，降低了對吸管流速的不均性，改善了吸管的清污條件。但從吸管1到吸管4的吸管速度呈現(xiàn)階梯變化的關(guān)系仍未改變，即從小依次增大，這是因為吸管管徑?jīng)]有改變引起所致。雖然排污管的管徑增加，會改善排吸組件的清洗效果，但吸管的相對方差和相對極差值均處于約13%和41%，對清污效果影響仍較大。

為了更好地研究排污管和吸嘴管徑之間關(guān)系，將出口速度設(shè)置為2 m/s，排污口管徑設(shè)置為66 mm,優(yōu)化吸管進行對比試驗，試驗方案明細見表3。

表3 排污管和吸管組合方案明細 (m)

方案一：將吸管4管徑調(diào)整至30 mm，吸管3調(diào)整至31 mm，吸管2調(diào)整至32 mm。

方案二：將吸管4管徑調(diào)整至30 mm，吸管3調(diào)整至32 mm，吸管2調(diào)整至32 mm。

方案三：將吸管4管徑調(diào)整至31 mm，吸管3調(diào)整至33 mm，吸管2調(diào)整至33 mm。

將3種方案按照要求進行建立模型，邊界條件保持不變，仿真結(jié)果見圖2。

圖2 3種方案下各吸管管徑流速對比

從圖2可以看出，方案一吸管1到吸管3的流速先減小，再到吸管4時迅速增大，速度振幅在0.4以上，振幅較大；方案二吸管1到吸管4的流速變化比較平穩(wěn)，振幅在0.15之內(nèi)；方案三吸管1到吸管2迅速增大，在吸管2處達到最大值，其增幅在0.3以上，從吸管2到吸管4，則變化比較平穩(wěn)。這是因為，方案一吸管3和方案三吸管1流速偏小是由于管徑偏小與吸管水流呈現(xiàn)的“就近原則”不匹配所致，導(dǎo)致方案一和方案三中各振幅較大。綜合分析可知，方案二各吸管處速度場的相對平穩(wěn)，滿足吸管的清污要求。

2 吸嘴的流場分析

吸嘴安裝在吸管上，對濾網(wǎng)進行清污。而吸污管管徑隨排污管的距離變化而變化，吸污管的管徑變化將影響吸嘴內(nèi)部的流場變化，因此需對吸嘴的流場進行分析，建立仿真模型，見圖3。

圖3 吸嘴仿真模型

由于方案一中吸管相對極差為21.03%，對吸嘴的流場影響較大。因此在吸嘴流場時，不再考慮方案一，僅對方案二和方案三在吸嘴流場中給予考慮。

為了形成更好的對比分析，增添兩個方案：即原方案和方案四。原方案排污管的管徑為54 mm，吸管的管徑均為34 mm；方案四中吸管管徑均設(shè)置為34 mm，排污管管徑設(shè)置為66 mm(此方案在1.4中表2已分析)。邊界條件保持不變，仿真結(jié)果見圖4。

圖4 不同方案下吸嘴的流速、相對方差和相對極差

從圖4可以看出，方案三的相對極差最小，即12.6%，相對于原方案相對極差提高了近14倍，說明采用方案三此種組合方式，吸嘴處的流速有較好的一致性，有較好的吸污效果。這是因為，采用吸嘴和吸管結(jié)構(gòu)輪廓相同時，在吸嘴內(nèi)部流場的受到吸管管徑影響所致，改變了吸管原有的流道方向和大小，從而導(dǎo)致吸嘴處的流速改變。

3 受力分析

采用方案三吸嘴和排污管管徑組合時，由于吸管各管徑的大小不一致，可能導(dǎo)致排污管的受力不均，從而影響吸嘴的使用壽命。因此，需對吸污部件進行受力分析。邊界條件：材料選用316 L，排污管和吸污管周圍作用的壓力設(shè)置為1 MPa。進行靜力學(xué)仿真分析，可得到吸污部件的等效應(yīng)力和總變形量，見圖5。

圖5 吸污管的等效應(yīng)應(yīng)力和總變形量

從圖5可以看出，排污管和吸管在排污時受到最大的應(yīng)力為34.966 MPa，在吸管1與排污管的焊縫處，這是焊縫處應(yīng)力集中造成此處為應(yīng)力薄弱點，但316 L不銹鋼管許用應(yīng)力在100 ℃時為97 MPa，排污管和吸管受到的應(yīng)力遠小于許用壓應(yīng)力，滿足使用需求。

通過圖5受力可知，排污管和吸管在壓力1 MPa作用下，其最大變形量在中間吸管的部位，其變形量為0.024 686 mm，在允許變形的范圍之內(nèi)。

因此，通過對排污管和吸管的剛度和強度分析可知，方案三的優(yōu)化設(shè)計，滿足應(yīng)力和變形使用需求。

4 結(jié)語

1)當(dāng)排污管和吸管的管徑恒定不變時，吸管的速度離排污口的距離大小成反比，即吸管離出口位置越近時，吸管入口處速度越大，反之越小。

2)通過對排吸組件各方案的管徑組合和流場分析可知，方案二為最佳組合。如果考慮吸嘴、吸嘴和排污管的綜合影響時，通過流場分析可知，方案三為最佳組合，這是因為采用吸嘴和吸管結(jié)構(gòu)輪廓相同時，在吸嘴內(nèi)部流場受到吸管管徑影響，改變了吸管原有的流道方向和大小，從而導(dǎo)致吸嘴處的流速改變。

3)吸污組件的吸嘴管徑不同，將會導(dǎo)致吸污組件的吸管受力不均勻，嚴(yán)重時將影響吸污嘴的壽命，通過實際作用工況下對吸污組件進行ANSYS受力仿真分析可知，其吸污組件的受力和變形在實際的允許范圍之內(nèi)，可忽略不計。