过滤器过滤与反冲洗过程的数值模拟

侯宗宗，李谨，张辉

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471039）

随着环境保护的要求越来越严厉，过滤器成为污水处理系统的必备安装设备之一，利用内部的滤网来拦截污水中携带的较大污物颗粒，从而达到对污水进行净化的功能。通常采用处理水量、压力损失、拦截量、过滤效率及稳定性等方面来对过滤器的性能进行评价，其中主要的因素有两个[1]：拦截量与压力损失。而拦截量与过滤器工作时间有直接的关系，过滤器的压力损失受到过滤器结构与污物的拦截量的影响，而过滤器工作时间的长短由压力损失和过滤介质含污量等参数决定。所以，可以预估出过滤器的压力损失与拦截量对于提高过滤器性能而言，起到十分重要的作用。

随着计算流体力学在工业产品设计上的广泛应用，采用多孔介质模型来模拟滤网，并结合体积等效的方法来计算不同拦截量下滤网的黏性阻力系数和惯性阻力系数，可以有效地解决过滤器滤网内部结构与流动情况复杂无法计算、过滤器过滤性能无法预测等问题。李浩[2]等基于多孔介质模型研究了CFD计算时湍流模型的选择。权洁[3]等基于Fluent研究了纤维过滤器内部流场计算及分析。陶洪飞[4-5]等基于多孔介质方法，探讨了滤网孔径对过滤器流场的影响。以上文献研究了多孔介质的计算方法，以及对过滤器流场的计算分析，但对于过滤器的堵塞以及反冲洗过程研究较少，因此，本文采用CFD技术对过滤器在过滤过程与反洗过程中在不同处理水量、不同拦截量下过滤器内部流场的情况进行了模拟计算，分析了处理水量-滤网拦截量-压差值之间的关系，以助于研究过滤器内部流场与提升过滤器过滤性能。在此基础上掌握了一种研究过滤器流场的新方法，为新型过滤器结构设计的开发，提供一定的数据支撑。

1 多孔介质模型与建模

1.1 多孔介质模型

依据过滤相关的理论，多孔介质模型是通过经验公式来设定的流动阻力。过滤器的滤网属于均匀的多孔介质模型类型[6]，由半经验的Ergun方程可知[7]计算方程为：

式中：α—多孔介质的渗透率；

C2—惯性阻力系数；

μ为—流体的黏性系数，m2·s-1；

ρ—流体的密度，kg·m-3；

vi—流场某点沿某方向的速度，m·s-1。

同时，采用体积等效法对不同工况下滤网的黏性阻力系数和惯性阻力系数进行计算，可计算得出过滤后的相对直径D和孔隙率ε，即可获得相应工况下的黏性阻力系数和惯性阻力系数C2。

1.2 过滤器模型

过滤器结构见图1。进出口直径为DN250，反冲洗口直径为DN80，过滤器滤网孔径为φ100 um，滤网厚度3 mm，初始孔隙率40%，污物密度1 900 kg·m-3，单个污物颗粒质量为3.36×10-6g。过滤器网格模型见图2。网格采用非结构化网格并进行局部加密，网格数量为3 056 450。

图1 过滤器结构

图2 过滤器网格模型

过滤过程的处理水量分别为200、300、400、500 m3·h-1，滤网拦截量分别为0、100、200、300、400、500 g，过滤过程时反冲洗口设置为壁面。反冲洗过程时，在过滤过程相同工况条件下，反冲洗口设置为出水口，即部分污水经反冲洗口流出。

1.3 边界条件

依据过滤器过滤工况，将过滤器的壳体、进出水口接管及反冲洗腔设置为无滑移标准壁面固定壁面[8]。过滤器进、出口边界与反冲洗出水口（在反冲洗过程时设置）的水流方向均垂直于进、出口面，进水口设置为速度进口；过滤过程，出水口设置为压力出口，其值为100 kPa，其湍流强度为3%，排污口设置为固定壁面；反冲洗过程，排污口设置为压力出口，其值为20 kPa。

滤网设置为多孔介质模型，根据不同的拦截量，分别计算得出相应工况下多孔介质模型的主要参数：孔隙率、黏性阻力系数与惯性阻力系数。在迭代求解方面，选用压力与速度耦合的SIMPLE算法，稳态流场，选用Realizablek-系湍流模型，其他选用默认格式[9-10]，选择适当的迭代步长，过滤介质为清水。

2 结果与分析

2.1 流速-压差曲线

在清水过流的试验工况下，获得过滤器的流量与压差性能曲线，压差值即为进出水口的压力之差，并与数值计算值进行对比，其结果见图3。

由图3可知，数值计算与试验压差值最大相对误差为10.14%，验证了网格模型的正确性，数值计算结果具有一定的可靠性。

图3 流量-压差性能曲线

2.2 过滤过程

图4、图5分别表示在处理水量为300 m3·h-1、拦截量为200 g时过滤器在过滤过程的压力与速度分布云图。由图4、图5可得，过滤器的内部压力分布相对均匀，滤网内外产生阶跃，滤网的阻挡作用明显进口附近压力大，出口附近压力小，符合实际情况。排污口处于关闭状态，排污管与反冲洗腔内部的流动几乎为零，压力与滤网内部流体压力保持一致。由于出水口接管垂直于过滤器筒体，受出水口边界条件的影响，水流沿着接管壁面方向的分速度会逐渐减小，而沿接管轴线方向的分速度则会逐渐增大，所以在出水口接管流场区域会产生一段“Y”形的紊流区域，符合实际的流动情况。

图4 过滤过程中过滤器压力分布

图5 过滤过程中过滤器速度分布

图6表示在过滤过程中不同的处理水量下，过滤器的滤网拦截量与压差值之间的关系。由图6可得，在一定处理水量下，过滤器的压差值会伴随着滤网拦截量的增多而呈近似线性的变大。

图6 滤网拦截量与压差值之间的关系

图7表示在过滤过程中不同的滤网拦截量下，过滤器处理水量与压差值之间的关系。由图7可以得出，在一定滤网拦截量的情况下，过滤过程中过滤器的压差值随着处理水量的增加而增加，呈近似指数的增加趋势。

图7 处理水量与压差值之间的关系

2.3 反冲洗过程

图8、图9分别表示在处理水量为300 m3·h-1、拦截量为200 g时过滤器在反冲洗过程的压力与速度分布云图。由图8、图9可得，过滤器内部压力分布相对均匀，滤网的阻挡作用而产生明显的压降。排污口设置为压力出口，即排污口处于开启状态，水流经排污管与反冲洗腔，通过排污口排出，由于排污口与大气相通，这部分区域的压力较均匀且最低，以达到反冲洗的目的。

图8 反冲洗过程中过滤器压力分布

图9 反冲洗过程中过滤器速度分布

图10表示在反冲洗过程中不同的处理水量下，过滤器滤网拦截量与压差值之间的关系。由图10可以得出，在一定处理水量的情况下，反洗过程中过滤器的压差值随着滤网拦截量的减少而呈近似线性的下降，这是由于过滤器不断地进行反冲洗清污，从而压降逐渐减低，符合实际情况。

图10 滤网拦截量与压差值之间的关系

图11表示在反冲洗过程中不同的滤网拦截量下，过滤器处理水量与压差值之间的关系。由图11可以得出，在一定滤网拦截量的情况下，反洗过程中过滤器的压差值随着处理水量的增加而呈现出近似指数的增加。

图11 处理水量与压差值之间的关系

3 结 论

基于多孔介质模型对过滤器内部流场进行了数值模拟，并结合体积等效法获得不同滤网拦截量下滤网的黏性阻力系数和惯性阻力系数性能参数，获得了过滤过程和反冲洗过程中处理水量-滤网拦截量-压力损失等因素之间的关系，研究结论如下：

1）基于多孔介质模型计算获得的模拟结果值和试验压差值相差不大，流速-压差曲线的趋势基本一致，证明了数值模拟计算方法的可靠性，为有效地开展过滤器过滤过程与反冲洗过程中的性能研究奠定了可靠的基础。

2）过滤过程中，过滤器压力损失随着滤网拦截量的增多而增大，随着处理水量的增大而增大。反洗过程中，过滤器压力损失随着滤网拦截量的减少而的减小，随着处理水量的增大而增大。

3）基于多孔介质模型的模拟计算可以预测过滤器的滤网拦截量，也能够根据不同的过滤器结构与过滤压差值而设定适当的处理水量与滤网拦截量，进一步地增强过滤器性能。此外，模拟计算可为过滤器结构优化和性能预测提供一定的数据支撑。