過濾器殼體流阻特性優(yōu)化分析

張可可，喬俊杰，梁晨

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000）

過濾器（以下簡稱“濾器”）應(yīng)用于船舶、化工、核電等領(lǐng)域；其作用為通過濾器來除去海水中的雜質(zhì)，以保護(hù)后端設(shè)備不受雜質(zhì)的影響而正常運(yùn)行。

濾器殼體是濾器重要的組成部分，其性能的優(yōu)劣將直接影響濾器整體的流阻和壓降。竇唯對液體火箭發(fā)動機(jī)用過濾器流阻特性及試驗(yàn)的研究[1]，通過對火箭發(fā)動機(jī)用過濾器的結(jié)構(gòu)分析，并對濾器的沿程損失和局部損失來進(jìn)行理論計(jì)算濾器的流阻大小，并通過試驗(yàn)與理論計(jì)算對比分析流阻大小，是否滿足設(shè)計(jì)需求。汪建興等對細(xì)小直角彎管的壓力損失及迪恩渦特性的研究[2-3]，通過對90°細(xì)小管道的壓力場分析，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)壁面45°截面附近，壓力下降到最低，比較容易出現(xiàn)汽蝕；通過對二次流分析發(fā)現(xiàn)在進(jìn)口0～90°附近處出現(xiàn)迪恩渦形式。朱曉建等對海水過濾器內(nèi)部壓力場分析的研究[4-5]，分析濾網(wǎng)在水流量較大情況下的動壓力以及濾網(wǎng)兩側(cè)靜壓力梯度的影響;婁燕鵬等對吸入粗水式濾器流通能力優(yōu)化分析的研究，可知濾筒相對殼體出口端的越大，濾器的流阻系數(shù)越小，同時上法蘭高度的增加，濾器的流阻系數(shù)出現(xiàn)先降低后穩(wěn)定的趨勢[6];李燕輝等對固定錐形閥特性參數(shù)及流動特性的仿真分析的研究，可知流量系數(shù)與流阻系數(shù)和消能曲線之間的變化規(guī)律[7-11]。查閱相關(guān)文獻(xiàn)但均未涉及濾器殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對流阻特性影響的分析。

因此本文主要從濾器的進(jìn)水口高度、間距、方位以及管徑等來綜合分析殼體結(jié)構(gòu)對流阻特性的影響，為殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)原理

過濾器結(jié)構(gòu)主要包含基座（序號1）、殼體（序號2）、頂蓋法蘭（序號3）、減速機(jī)基座（序號4）、減速機(jī)、電機(jī)（序號5）和排污管（序號6）組成，詳見圖1 濾器外形結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 濾器結(jié)構(gòu)示意圖

過濾器殼體作為濾器結(jié)構(gòu)重要的組成部分，其性能的優(yōu)劣將直接影響濾器整體的結(jié)構(gòu)性能。濾器殼體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由上支撐環(huán)、筒體、下支撐環(huán)、進(jìn)出口等組成（見圖2)。

圖2 濾器殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

為了更好地研究濾器殼體結(jié)構(gòu)，以SR-50V 型號進(jìn)行研究，其部分參數(shù)詳見表1。

表1 濾器殼體部分結(jié)構(gòu)尺寸

2 理論分析計(jì)算

濾器殼體的流阻特性主要通過壓力損失來體現(xiàn)；而壓力損失則有兩個表現(xiàn)形式，即沿程壓力損失和局部壓力損失。

2.1 沿程壓力損失

沿程壓力損失是由流體的黏滯力引起的損失。

式中：pf—單位重力流體的沿程壓力損失；

λ位沿程損失系數(shù)；

ρ—流體密度；

l—管道長度；

v—流體速度；

d—管道內(nèi)徑。

2.2 局部壓力損失

流體在流動狀態(tài)下急劇變化的壓力損失。

式中：pj＿單位重力流體的局部壓力損失；

ξ單局部損失系數(shù)；

v—流體速度；

g 流重力加速度。

3 建立模型及邊界條件設(shè)定

對濾器殼體進(jìn)行建立仿真模型；并對模型采用Body Zize 設(shè)定尺寸大小，關(guān)聯(lián)性設(shè)置為40，Use Advanced Size Function 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

濾器殼體使用環(huán)境為海水介質(zhì)，壓力為1.0 MPa，并考慮水的重力影響，重力加速度方向?yàn)閦軸負(fù)方向；設(shè)置為湍流，入口設(shè)置Pressure Inlet 為1.0 MPa;出口設(shè)置為2 m·s-1控制流速。

4 模擬仿真

4.1 對殼體進(jìn)行流阻分析

將三維模型運(yùn)用Fluent 軟件進(jìn)行模擬仿真，可以得到SR-50V 濾器殼體模型在實(shí)際工況環(huán)境下的壓力云圖。

從圖3 中可以看出，在濾器殼體內(nèi)部的中心截面上，在進(jìn)口和出口處出現(xiàn)較低的壓力，出口比進(jìn)口的壓力更低，這是因?yàn)榱黧w通過進(jìn)口進(jìn)入殼體后突然擴(kuò)張，受到局部壓力損失，在殼體進(jìn)入出口時突然收縮，同樣受到局部壓力損失，導(dǎo)致出口的壓力比進(jìn)口壓力要低，進(jìn)出口壓力損失為4 544.69 Pa。

圖3 SR-50V 中心截面的壓力云圖

4.2 高度h 對殼體流阻的影響

為了更好研究高度h對殼體流阻的影響；對高度h分別取值為60、100、150 和200 來進(jìn)行研究；用不同的高度h建立仿真模型，在其他邊界條件不變的條件下，代入Fluent 仿真，仿真結(jié)果見圖4。

圖4 不同高度h 下的壓降曲線

從圖4 中可以看出高度h從60 到100 時，進(jìn)出水口的壓差逐漸增大，在高度從100 到200 時，進(jìn)出水口的壓差逐漸減小。用三次多項(xiàng)式方程進(jìn)行擬合曲線，可得到y(tǒng)=0.000 16x3-0.078x2+12x+ 4 000，從擬合曲線上可以在高度h=120 時，其壓差值達(dá)到最大。這是因?yàn)楦叨萮為60 時，其沿程和局部壓力損失均較小，因此壓力損失較小；當(dāng)高度為100 時，沿程壓力損失加大導(dǎo)致進(jìn)出水口壓差增加；當(dāng)高度h為150 和200 時，進(jìn)出水口間的距離進(jìn)一步加大，流體在沿程流道上得到充分的發(fā)展導(dǎo)致進(jìn)出口的壓損有所降低。

4.3 內(nèi)徑d1對殼體流阻的影響

為了更好研究進(jìn)出水口內(nèi)徑d1對殼體流阻的影響，對內(nèi)徑d1從小到大依次選取38、50、66、77、102、128 六個檔次進(jìn)行模擬仿真；為了減少其他因素的影響，選用進(jìn)出水口法蘭中心間距設(shè)定H為150；邊界條件保持不變，仿真結(jié)果見圖5。

圖5 內(nèi)徑d1對殼體流阻的影響

從圖5 中可以看出，隨著內(nèi)徑從38 依次增大到128，此時對應(yīng)的殼體壓差值也從4 864 Pa 逐漸下降至4 334 Pa，這是因?yàn)殡S著管道內(nèi)徑的增大，根據(jù)公式2-1 可知，在參數(shù)保持不變的情況下，管道的壓力損失會減少。用三次、四次和五次多項(xiàng)式方程進(jìn)行擬合曲線，從圖5 可知三次和四次方程均能較好地反應(yīng)各取點(diǎn)壓差值的走向和趨勢，但三次方程的殘差模為29.23,四次方程的殘差模為28.61；因此四次方程:

y=-7.3e-6*x4+0.0037*x3-0.55*x2+ 23*x+4.6e+03

更能反映內(nèi)徑d1對殼體流阻的變化趨勢。

4.4 間距H 對殼體流阻的影響

為了更好研究進(jìn)出水口間距H對殼體流阻的影響，對間距H從小到大依次選取160、200、250、300、330（標(biāo)準(zhǔn)）、380、430、480 八個檔次進(jìn)行模擬仿真，為了減少其他參數(shù)的影響，其他參數(shù)保持不變；邊界條件也保持不變，仿真結(jié)果見圖6。

從圖6 可以看出，隨著高度H 的增大，壓差值先增大，在高度在H 為330 時，壓差值達(dá)到最大為4 544 Pa，隨后隨著高度H 的繼續(xù)增大，壓差值則隨之減小。這是因?yàn)樵陂g距較小時，通過速度場可以看出進(jìn)出水口間形成了較小的流道，壓差損失較小；但隨著進(jìn)出水口間的間距加大，進(jìn)出水口間的流道間距加大，導(dǎo)致壓差損失進(jìn)一步加大，當(dāng)間距達(dá)到330 時，進(jìn)出水口的間距繼續(xù)加大導(dǎo)致的沿程壓力損失加劇，達(dá)到最大。但當(dāng)進(jìn)一步加大間距時，進(jìn)出水口間的流道可得到充分的發(fā)展，因此隨著間距H 的加大，壓力損失也隨之降低。用4 次多項(xiàng)式方程進(jìn)行擬合曲線，其方程為:

圖6 高度H 對殼體流阻的影響

y=-2.6e-07*x4+3.1e-4*x3-0.14*x2+28*x+2.3e+03

該方程能較好地反應(yīng)進(jìn)出水口間隔H對殼體流阻影響的發(fā)展趨勢。

4.5 長度L 對殼體流阻的影響

為了更好地研究進(jìn)出水口管徑長度L對殼體流阻的影響，對長度L從小到大依次選取190、232、260、300、350、400 對殼體流阻進(jìn)行研究。邊界條件保持不變，仿真結(jié)果見圖7。

從圖7 中可以看出，隨著長度L的增加，壓差值也隨之增大，在長度L為400 時，壓差值達(dá)到最大。這是因?yàn)殡S著進(jìn)出口管道長度的加長，進(jìn)出口的流道也隨著加大，沿程壓力損失也隨之加大，導(dǎo)致進(jìn)出水口壓差進(jìn)一步加劇。通過三次多項(xiàng)式方程進(jìn)行擬合曲線，其方程為:

圖7 長度L 對殼體流阻的影響

y=2.05e-5*x3-0.0156*x2+4.8*x+ 4 010

該方程能較好地反映進(jìn)出水口長度L對殼體流阻影響的趨勢。

4.6 進(jìn)出口方位α 對殼體流阻的影響

為了更好地研究進(jìn)出口方位α對殼體流阻的影響，對進(jìn)出水口方位夾角α從小到大依次取0°、45°、90°、135°、180°進(jìn)行模擬仿真；邊界條件保持不變，仿真結(jié)果見圖8。

圖8 進(jìn)出口方位夾角α對殼體的影響

從圖8 中可以看出，隨著進(jìn)出口方位夾角α的增大，進(jìn)出水口間壓差值逐漸減小，而夾角從90°到180°變化時，其壓力損失的斜率較大，在夾角α為180°時，其壓差值達(dá)到最小。這是因?yàn)檫M(jìn)出水口的流道隨夾角的改變時，導(dǎo)致局部壓力損失增大。通過二次和三次多項(xiàng)式方程進(jìn)行擬合曲線，可知二次方程能更好地反映各取點(diǎn)的壓差值的走向和趨勢，方程式為y=0.032*x2+1.5*x+5 300，該方程能較好地反映進(jìn)出口方位夾角α與殼體流阻的變化趨勢。

5 優(yōu)化分析

通過分析和計(jì)算，將之前的設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況，將設(shè)計(jì)值調(diào)整至最佳值，具體參數(shù)取值如下：

1）高度h：由4.2 節(jié)可知，高度h取最小值為最佳，結(jié)合實(shí)際緊固件安裝的需求，將高度h最小調(diào)整至167。

2）內(nèi)徑d1：由于內(nèi)徑的大小，為客戶指定的大小，因此內(nèi)徑大小保持不變。

3）間距H:由4.4 節(jié)可知，間隔遠(yuǎn)離330 時，壓差值損失較小，根據(jù)焊接制造的需求，間距H只能設(shè)定為177 和403；但當(dāng)H=177 時，不利于濾網(wǎng)有效過濾面積的利用，因此將間距H設(shè)定為403 更符合實(shí)際工況需求。

4）長度L:根據(jù)4.5 節(jié)可知，長度L取最小值時為最佳，但考慮到實(shí)際安裝需求和維護(hù)的便捷性，將長度最小設(shè)定為232，維持原來不變。

5）夾角α：根據(jù)4.6 節(jié)可知，夾角為180°時，殼體的壓差損失為最小。而實(shí)際情況進(jìn)出口的夾角α也為180°，因此進(jìn)出口方位夾角α值保持不變。

將上述的參數(shù)值代入模型中，其他邊界條件不變，用Fluent 軟件進(jìn)行模型仿真，仿真結(jié)果見圖9。

圖9 優(yōu)化后中間截面的壓力場

經(jīng)過仿真和計(jì)算可得，優(yōu)化后的壓差值為4 415 Pa，相對優(yōu)化之前壓差損失約提高了3%。

6 結(jié)論

1）運(yùn)用數(shù)值模擬仿真，對濾器的進(jìn)水口高度h進(jìn)行不同的取值分析，得到擬合曲線并分析可知，高度從60到120時，濾器殼體的壓差損失逐漸增大；但高度從120 到200 時，濾器殼體的壓差損失逐漸減小。

2）通過對進(jìn)出水口內(nèi)徑d1模擬分析可知，隨著內(nèi)徑逐漸增大，濾器殼體壓力損失逐漸減小。

3）通過對進(jìn)出水口間的高距H模擬仿真分析可知，隨著間距的增大，壓差損失也隨著增大；當(dāng)間距達(dá)到330 時，濾器的壓差損失達(dá)到最大為4 544 Pa；當(dāng)間距超過330 時隨著間距的增大，濾器殼體壓差損失逐漸降低。

4）通過對進(jìn)出水管長度L的模擬仿真分析可知，隨著長度的增大，濾器殼體的壓差損失逐漸增大。

5）通過對進(jìn)出口方位夾角α的模擬仿真分析可得，夾角α為0°為時，濾器殼體的壓力損失為最大，隨著夾角α增大時，濾器殼體的壓力損失逐漸減小；在夾角為180°時，壓差損失為最小。

6）根據(jù)各個參數(shù)對殼體流阻影響的規(guī)律，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，對濾器殼體模擬仿真，得到優(yōu)化后的壓力損失相比之前提高了約3%。