吸入粗水式滤器流通能力优化分析

娄燕鹏，刘兴玉，张新奇，丁强伟

(中国船舶重工集团公司 第725研究所，河南 洛阳 471000)

0 引言

吸入粗水式滤器(以下简称“滤器”)作为海水管路系统的重要部件，其作用是过滤有害杂质或微粒。滤器主要用于海底阀箱或海水泵的吸入管路。海水通过入口法兰进入滤器内腔，经滤网过滤后进入到管路内，这样可有效清除管路内的有害杂质、海生物或微粒，使船用设备及管路畅通，保证各个系统正常工作[1-2]。

滤器根据滤芯材料不同分为表面滤器和深床滤器。船用或海水管路系统中的滤器一般采用表面滤器，其滤芯材料通常由金属网、织物、纸质等构成[3]，本文研究对象的滤芯采用金属网状结构。由于滤器在管路系统中属于阻力元件，对其内部流道进行结构优化可有效降低流阻系数，同时减小阻力元件产生的流激振动。目前吸入粗水式滤器在设计时仅定性分析滤网距离滤器出口的间距和上法兰距流道中心线的高度，未对其进行深入研究。

本文从滤器流通能力角度出发，引入CFD仿真试验，对直通型吸入粗水式滤器内部流场进行了数值模拟，通过改变滤筒结构分布，计算得到不同形式滤器的流阻系数。分析模拟计算结果，并与公称直径进行对比，定量分析滤筒合理的分布位置，同时实现滤器小型化、轻量化的设计，为直通型吸入粗水式滤器设计奠定理论基础。

1 滤器模型及滤筒结构设计

1.1 滤器模型

本文以高压直通型吸入粗水式滤器为研究对象，分析滤筒结构对流阻系数的影响。高压直通型吸入粗水式滤器主要由壳体、滤筒、外螺纹截止阀、紧固件和密封件等组成,其结构示意图如图1所示。直通型滤器的流道呈流线型，具有流体阻力小、耐压强度高、耐冲刷能力强、易维护、滤筒更换方便等特点。该滤器设计参数见表1，流体介质为海水。

图1 高压直通型吸入粗水式滤器结构示意图

名称数值公称直径/mmDN100设计压力/MPa5密度/(kg·m-3)1 025目数4

1.2 滤筒结构设计

海水流过滤筒时，为增加流道最小过流面积，将滤筒设置为偏心结构。滤器主视及俯视剖面结构示意图如图2所示。图中，h为滤器壳体上法兰距中心线的高度；h1为滤筒底端距中心线距离；h2为滤筒顶端距上法兰距离；d1为壳体内径；d2为滤筒外径。滤器部分结构尺寸见表2。

图2 滤器结构示意图

名称数值滤筒底端距中心线距离h1/mm112滤筒顶端距上法兰距离h2/mm25壳体内径d1/mm208滤筒外径d2/mm166

2 模型建立及边界条件设置

2.1 流道模型建立及网格化分

建立吸入粗水式滤器三维模型，采用ANSYS有限元软件反向生成流道模型，并划分网格。由于流道结构不规则，所以采用四面体/混合网格进行划分。为确保计算结果更加精确，对流动变化剧烈区域进行了加密处理。l=21 mm、h=138 mm的流道网格模型如图3所示，网格数约为145.7万。

图3 流道网格模型

2.2 边界条件及流体参数

吸入粗水式滤器的流体介质为海水，介质属于不可压缩的牛顿流体，流动状态为湍流，采用标准K-ε湍流模型[4]。依据实际工况，将滤器入、出口均设为静力。根据《阀门 流量系数和流阻系数试验方法》标准，为使滤器的流阻系数更为准确，且不产生阻塞流，设置流体入口的压力为200 kPa，出口压力为100 kPa，方向沿进出口平面法线方向，水力直径为流道进口直径。流体介质密度1 025 kg/m3，动力粘度为1.054×10-3kg/(m·s)。

3 计算结果及分析

根据以上模型及边界条件对吸入粗水式滤器的流通能力进行仿真计算，得到出口截面的质量流量，通过公式计算得到滤器的流阻系数ξ，见式(1)：

(1)

式中：Δp为滤器压差；ρ为介质密度；A为出口截面过流面积；qm为质量流量。

3.1 典型模型的流场分析

本文分析对象为现用滤器，通过改变滤筒相对壳体出口端的距离及壳体上法兰距中心线的高度，采用有限元分析方法对其结构进行优化。保持其他参数不变，以偏心距离l=21 mm，上法兰高度h=138 mm为参数组合对滤器的内部流场进行分析，滤器内部流道速度流线图如图4所示，节点采用等间隔方式采样，节点数为300。

图4 流道速度流线图

由图4可知，流体经入口流道进入滤筒内部时，由于截面突然扩大使流速降低，流体不发生节流；流体流经滤筒小孔后流体节流，靠近流道中心线处流体流速增加；流体进入出口流道时因截面缩小流速恢复到与入口流道相同的流速。流体最大流速出现在流道入口处，这是由于流道截面突然缩小流体在出口处产生冲刷。

3.2 距离l对流阻系数的影响

改变滤筒相对壳体出口端的距离，利用三维建模软件建立不同距离下滤器的三维模型。采用ANSYS/CFX软件对其进行分析，得到不同偏心距下流体的质量流量，将流量系数代入式(1)中求解得到不同距离下流阻系数，具体数据见表3。

根据表3中数据，基于最小二乘法采用四阶曲线拟合，得到流阻系数随偏心距离l的变化趋势，如图5所示。

由图5可知，滤筒相对壳体出口端的距离减小时流阻系数增大。这是由于流体经过滤筒节流孔进入壳体内部时产生节流，节流模型可等效为小孔淹没出流。当滤筒向壳体出口端偏心时(l<21 mm)，壳体内流体节流后不能充分发展，流阻系数增加，且偏心距离越大流阻系数越大。当滤筒向壳体入口端偏心时(l>21 mm)流阻系数减小，且偏心距离越大流阻越小。当滤筒相对壳体出口端的距离(l=30 mm)时，壳体内经滤筒节流后的流体充分发展，流阻系数趋于稳定。即滤筒设计时，滤筒相对壳体出口端的距离应不小于滤器公称直径的0.3倍。

表3 不同距离下模拟计算结果

图5 流阻系数随距离l的变化趋势

3.3 壳体上法兰高度h对流阻系数的影响

由图2可看出，上法兰高度既影响壳体重量和外形尺寸，又影响滤器的流通能力。若减小上法兰高度，会使壳体的重量减轻和外形尺寸减小，但滤器流通能力也会随之减小。改变滤器壳体上法兰距中心线的高度h，建立不同高度下滤器的三维模型，采用有限元软件对其进行分析，得到不同高度下流体的质量流量，将流量系数代入式(1)中求解得到不同高度下流阻系数，具体数据见表4。

根据表4中数据，基于最小二乘法采用四阶曲线拟合，并对部分拟合奇异点数据进行修正，得到流阻系数随上法兰高度h的变化趋势，如图6所示。

由图6可知，随着上法兰高度h增加，滤器的流阻系数迅速降低；当上法兰高度h增加到约125 mm，滤器的流阻系数趋于稳定。这是由于当滤器上法兰高度h<125 mm时，滤筒内容腔体积较小，经入口流道进入滤筒内的流体不能充分发展，流阻系数较大；当上法兰高度h>125 mm后，滤筒内流体得到充分发展，由于出口截面保持不变，流体经滤筒进入出口流道的流阻系数基本不变。考虑材料的成本，可将上法兰高度h设定为125 mm，上法兰高度为滤器公称直径的1.25倍。

表4 不同高度下模拟计算结果

图6 流阻系数随上法兰高度h的变化趋势

4 结语

(1)随着滤筒相对壳体出口端的距离增大，滤器的流阻系数减小；当滤筒相对壳体出口端的距离约为滤器公称直径的0.3倍时，流阻系数基本保持不变。因此，滤筒设计时应保证滤筒相对壳体出口端的距离不小于滤器公称直径的0.3倍。

(2)随着上法兰高度增加，吸入粗水式滤器的流阻系数呈先降低后稳定的趋势，但增加了壳体及滤筒材料成本。在不影响流阻系数的基础上同时考虑成本节约，滤器上法兰的高度应保持为1.25倍滤器公称直径。