过滤器吸污部件的流场特性分析与优化

2021-09-06张可可侯宗宗乔俊杰

山西化工 2021年4期

张可可，侯宗宗，乔俊杰

(中国船舶集团公司第七二五研究所，河南洛阳 471000)

引言

目前，过滤器(以下简称“滤器”)已广泛应用于船舶、电厂等领域。在船舶领域，随着经济全球化的发展，80%货物往来依靠远洋船舶运输[1]。船舶运输离不开的压载水系统来消除压载水中有害海生物的存活和转移机会，从而保护海洋海生物的生存环境不受污染。而滤器作为压载水系统中过滤作用的第一道环节，其过滤器性能的好坏将直接影响到压载水处理的最终效果[2-3]。

在电厂领域，滤器主要应用于电解海水制氯酸钠系统中，其作用是过滤海水中的固体颗粒。海水通过入口泵后，进入滤器的滤芯内腔，经过滤网过滤后进入制氯系统，而海水中杂质被拦截在滤芯内部，从而保证电厂制氯系统的正常工作[4-5]。

目前，过滤器清污技术主要有吸吮、刮刷来清除滤芯表面的污渍等；为了使过滤器滤芯在核电厂更加安全、可靠的运行，乔天飞等[6]在国内核电厂过滤器中采用国产化滤芯，并且，除了采用NB/T《核电厂用水过滤器滤芯通用技术条件》外，还编制了满足国内生产要求和性能检测的标准。但是，目前滤器在吸污部件设计时,仅定性分析了吸污管和排污管的管径对滤网吸污效果的影响，未对其进行深入研究。

本文从吸污部件的流场角度出发，通过改变排污管和吸管的管径，得到不同的流速和相对方差来研究吸污部件的流场特性。

通过排污管、吸管和吸嘴不同管径组合，来定量分析吸污部件的内部流场特性和规律，为滤器吸污部件结构优化奠定理论基础。

1 吸污部件流场分析

1.1 吸污部件的工作原理

本文以电解制氯系统过滤器的吸污部件为研究对象，来分析吸污部件的内部流场特性。吸污部件主要由吸污嘴(以下简称为“吸嘴”)、排污管、吸污管(以下简称为“吸管”)等组成(见图1)。海水通过滤网后将杂质截留在滤网内部，在反冲洗时，杂质通过吸嘴收集后经吸管和排污管排出滤器，减少杂质在滤网表面的累积，保证滤器正常工作。

图1 吸污部件的结构示意图

为了更好研究吸污部件流场特性，将吸污部件分为两个部分，即排吸组件(由排污管和吸管组成)和吸嘴部分。

1.2 建立排吸组件有限元模型

根据滤器排吸组件的实际尺寸，建立仿真模型，采用Fluent软件对模型进行网格划分，对排吸组件选用局部膨胀层设置，膨胀层设置为5层，最大厚度为3 mm，进行网格划分。网格质量采用orthigonalquality进行评判，最小网格质量可达到0.290，平均网格质量为0.926；满足仿真需求。

1.3 边界条件参数设置与仿真

雷诺系数计算公式见式(1)。

(1)

式中v为流体的流速；v=0.2 m/s；ρ为流体的密度，ρ=998.2 kg/m3；μ为流体的黏度系数，μ=0.001 003 pa.s；d为特征长度，此处代表管道直径，d=0.052 m。将以上数据代入式(1)中可得Re=103 812.8，远大于10 000，属于湍流现象。

因此在Fluent中，将模型设置为湍流模型，选用k-epsilon中realizable模型。

边界条件选用入口设置压力为1 MPa；出口速度分别设置为1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s。

经过仿真可得到在不同出口流速下的4个吸管位置处的流速，为了便于对吸管的流速进行分析，引入相对方差和相对极差，其相对方差是指各吸管流速的均方差除以平均值；相对极差是指各吸管流速的极差除以最小流速值。可得到不同流速下吸管的方差和极差，分析见表1。

表1 不同出口流速下吸管的方差和极差分析

分析表1可知，吸管1到吸管4的速度依次从小到大，呈现出阶梯变化，即靠近出口处的吸管速度越大，而远离出口处的吸管速度越小，这是因为，在吸管管径相同的情况下，水流会呈现“就近原则”，将离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对方差和相对极差均较大，最大可达到155.82%，但出口速度大小变化对吸管的相对方差和极差影响较小,这是因为吸管1到吸管4的管径大小相同，在不同出口流速作用下，对吸管的流场影响趋于一致。

因此采用此管径组合的吸管对滤芯进行吸污时，排吸组件各位置上的吸管对滤网清洗速度不一样，具有较大不均性，在反冲洗时对滤网表面清污效果表现不佳。因此，需对此排吸组件进行结构优化设计。

1.4 排吸组件结构优化和仿真分析

排吸组件结构优化主要从两个方面进行考虑，一方面，排污管优化设计，即将排污管加工成锥形，吸管为等径的吸管；但排污管加工成锥形时，加工难度较大且加工成本较高，不予考虑。

另一方面，排污管和吸管的管径进行综合优化，即先将排污管管径进行优化，再对各吸管管径进行优化。加工难度较低，满足加工要求，符合实际生产需求。

排污管和吸管的面积关系见式(2)、式(3)。

(2)

式中，S1为排污管的面积，mm2；D1为排污管直径，mm。

(3)

式中，S2为吸管的面积，mm2；D2为吸管直径，mm。

根据实际流量和工作需求有S1≥4S2，其中，将D2=0.034代入式(2)中计算，并结合GB/T 17395-2008《无缝钢管尺寸、外形、质量及允许偏差》，综合考虑可得D1=66mm。其余边界条件不变，在出口流速分别设置为1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s时，仿真结果见表2。

表2 排污管66mm时吸管的方差和极差分析

分析表2可知，将排污管的管径增大至66 mm时，此时吸管的相对极差约为40%，提高了将近4倍，很大程度上降低了吸管之间的极差，对吸管清污有很大的改善。这是因为，排污管的管径增大，降低了对吸管流速的不均性，改善了吸管的清污条件。但从吸管1到吸管4的吸管速度呈现阶梯变化的关系仍未改变，即从小依次增大，这是因为吸管管径没有改变引起所致。虽然排污管的管径增加，会改善排吸组件的清洗效果，但吸管的相对方差和相对极差值均处于约13%和41%，对清污效果影响仍较大。

为了更好地研究排污管和吸嘴管径之间关系，将出口速度设置为2 m/s，排污口管径设置为66 mm,优化吸管进行对比试验，试验方案明细见表3。

表3 排污管和吸管组合方案明细 (m)

方案一：将吸管4管径调整至30 mm，吸管3调整至31 mm，吸管2调整至32 mm。

方案二：将吸管4管径调整至30 mm，吸管3调整至32 mm，吸管2调整至32 mm。

方案三：将吸管4管径调整至31 mm，吸管3调整至33 mm，吸管2调整至33 mm。

将3种方案按照要求进行建立模型，边界条件保持不变，仿真结果见图2。

图2 3种方案下各吸管管径流速对比

从图2可以看出，方案一吸管1到吸管3的流速先减小，再到吸管4时迅速增大，速度振幅在0.4以上，振幅较大；方案二吸管1到吸管4的流速变化比较平稳，振幅在0.15之内；方案三吸管1到吸管2迅速增大，在吸管2处达到最大值，其增幅在0.3以上，从吸管2到吸管4，则变化比较平稳。这是因为，方案一吸管3和方案三吸管1流速偏小是由于管径偏小与吸管水流呈现的“就近原则”不匹配所致，导致方案一和方案三中各振幅较大。综合分析可知，方案二各吸管处速度场的相对平稳，满足吸管的清污要求。