婁燕鵬，劉興玉，張新奇，丁強偉

(中國船舶重工集團公司 第725研究所，河南 洛陽 471000)

0 引言

吸入粗水式濾器(以下簡稱“濾器”)作為海水管路系統(tǒng)的重要部件，其作用是過濾有害雜質或微粒。濾器主要用于海底閥箱或海水泵的吸入管路。海水通過入口法蘭進入濾器內腔，經濾網過濾后進入到管路內，這樣可有效清除管路內的有害雜質、海生物或微粒，使船用設備及管路暢通，保證各個系統(tǒng)正常工作[1-2]。

濾器根據濾芯材料不同分為表面濾器和深床濾器。船用或海水管路系統(tǒng)中的濾器一般采用表面濾器，其濾芯材料通常由金屬網、織物、紙質等構成[3]，本文研究對象的濾芯采用金屬網狀結構。由于濾器在管路系統(tǒng)中屬于阻力元件，對其內部流道進行結構優(yōu)化可有效降低流阻系數，同時減小阻力元件產生的流激振動。目前吸入粗水式濾器在設計時僅定性分析濾網距離濾器出口的間距和上法蘭距流道中心線的高度，未對其進行深入研究。

本文從濾器流通能力角度出發(fā)，引入CFD仿真試驗，對直通型吸入粗水式濾器內部流場進行了數值模擬，通過改變?yōu)V筒結構分布，計算得到不同形式濾器的流阻系數。分析模擬計算結果，并與公稱直徑進行對比，定量分析濾筒合理的分布位置，同時實現(xiàn)濾器小型化、輕量化的設計，為直通型吸入粗水式濾器設計奠定理論基礎。

1 濾器模型及濾筒結構設計

1.1 濾器模型

本文以高壓直通型吸入粗水式濾器為研究對象，分析濾筒結構對流阻系數的影響。高壓直通型吸入粗水式濾器主要由殼體、濾筒、外螺紋截止閥、緊固件和密封件等組成,其結構示意圖如圖1所示。直通型濾器的流道呈流線型，具有流體阻力小、耐壓強度高、耐沖刷能力強、易維護、濾筒更換方便等特點。該濾器設計參數見表1，流體介質為海水。

圖1 高壓直通型吸入粗水式濾器結構示意圖

名稱數值公稱直徑/mmDN100設計壓力/MPa5密度/(kg·m-3)1 025目數4

1.2 濾筒結構設計

海水流過濾筒時，為增加流道最小過流面積，將濾筒設置為偏心結構。濾器主視及俯視剖面結構示意圖如圖2所示。圖中，h為濾器殼體上法蘭距中心線的高度；h1為濾筒底端距中心線距離；h2為濾筒頂端距上法蘭距離；d1為殼體內徑；d2為濾筒外徑。濾器部分結構尺寸見表2。

圖2 濾器結構示意圖

名稱數值濾筒底端距中心線距離h1/mm112濾筒頂端距上法蘭距離h2/mm25殼體內徑d1/mm208濾筒外徑d2/mm166

2 模型建立及邊界條件設置

2.1 流道模型建立及網格化分

建立吸入粗水式濾器三維模型，采用ANSYS有限元軟件反向生成流道模型，并劃分網格。由于流道結構不規(guī)則，所以采用四面體/混合網格進行劃分。為確保計算結果更加精確，對流動變化劇烈區(qū)域進行了加密處理。l=21 mm、h=138 mm的流道網格模型如圖3所示，網格數約為145.7萬。

圖3 流道網格模型

2.2 邊界條件及流體參數

吸入粗水式濾器的流體介質為海水，介質屬于不可壓縮的牛頓流體，流動狀態(tài)為湍流，采用標準K-ε湍流模型[4]。依據實際工況，將濾器入、出口均設為靜力。根據《閥門 流量系數和流阻系數試驗方法》標準，為使濾器的流阻系數更為準確，且不產生阻塞流，設置流體入口的壓力為200 kPa，出口壓力為100 kPa，方向沿進出口平面法線方向，水力直徑為流道進口直徑。流體介質密度1 025 kg/m3，動力粘度為1.054×10-3kg/(m·s)。

3 計算結果及分析

根據以上模型及邊界條件對吸入粗水式濾器的流通能力進行仿真計算，得到出口截面的質量流量，通過公式計算得到濾器的流阻系數ξ，見式(1)：

(1)

式中：Δp為濾器壓差；ρ為介質密度；A為出口截面過流面積；qm為質量流量。

3.1 典型模型的流場分析

本文分析對象為現(xiàn)用濾器，通過改變?yōu)V筒相對殼體出口端的距離及殼體上法蘭距中心線的高度，采用有限元分析方法對其結構進行優(yōu)化。保持其他參數不變，以偏心距離l=21 mm，上法蘭高度h=138 mm為參數組合對濾器的內部流場進行分析，濾器內部流道速度流線圖如圖4所示，節(jié)點采用等間隔方式采樣，節(jié)點數為300。

圖4 流道速度流線圖

由圖4可知，流體經入口流道進入濾筒內部時，由于截面突然擴大使流速降低，流體不發(fā)生節(jié)流；流體流經濾筒小孔后流體節(jié)流，靠近流道中心線處流體流速增加；流體進入出口流道時因截面縮小流速恢復到與入口流道相同的流速。流體最大流速出現(xiàn)在流道入口處，這是由于流道截面突然縮小流體在出口處產生沖刷。

3.2 距離l對流阻系數的影響

改變?yōu)V筒相對殼體出口端的距離，利用三維建模軟件建立不同距離下濾器的三維模型。采用ANSYS/CFX軟件對其進行分析，得到不同偏心距下流體的質量流量，將流量系數代入式(1)中求解得到不同距離下流阻系數，具體數據見表3。

根據表3中數據，基于最小二乘法采用四階曲線擬合，得到流阻系數隨偏心距離l的變化趨勢，如圖5所示。

由圖5可知，濾筒相對殼體出口端的距離減小時流阻系數增大。這是由于流體經過濾筒節(jié)流孔進入殼體內部時產生節(jié)流，節(jié)流模型可等效為小孔淹沒出流。當濾筒向殼體出口端偏心時(l<21 mm)，殼體內流體節(jié)流后不能充分發(fā)展，流阻系數增加，且偏心距離越大流阻系數越大。當濾筒向殼體入口端偏心時(l>21 mm)流阻系數減小，且偏心距離越大流阻越小。當濾筒相對殼體出口端的距離(l=30 mm)時，殼體內經濾筒節(jié)流后的流體充分發(fā)展，流阻系數趨于穩(wěn)定。即濾筒設計時，濾筒相對殼體出口端的距離應不小于濾器公稱直徑的0.3倍。

表3 不同距離下模擬計算結果

圖5 流阻系數隨距離l的變化趨勢

3.3 殼體上法蘭高度h對流阻系數的影響

由圖2可看出，上法蘭高度既影響殼體重量和外形尺寸，又影響濾器的流通能力。若減小上法蘭高度，會使殼體的重量減輕和外形尺寸減小，但濾器流通能力也會隨之減小。改變?yōu)V器殼體上法蘭距中心線的高度h，建立不同高度下濾器的三維模型，采用有限元軟件對其進行分析，得到不同高度下流體的質量流量，將流量系數代入式(1)中求解得到不同高度下流阻系數，具體數據見表4。

根據表4中數據，基于最小二乘法采用四階曲線擬合，并對部分擬合奇異點數據進行修正，得到流阻系數隨上法蘭高度h的變化趨勢，如圖6所示。

由圖6可知，隨著上法蘭高度h增加，濾器的流阻系數迅速降低；當上法蘭高度h增加到約125 mm，濾器的流阻系數趨于穩(wěn)定。這是由于當濾器上法蘭高度h<125 mm時，濾筒內容腔體積較小，經入口流道進入濾筒內的流體不能充分發(fā)展，流阻系數較大；當上法蘭高度h>125 mm后，濾筒內流體得到充分發(fā)展，由于出口截面保持不變，流體經濾筒進入出口流道的流阻系數基本不變。考慮材料的成本，可將上法蘭高度h設定為125 mm，上法蘭高度為濾器公稱直徑的1.25倍。

表4 不同高度下模擬計算結果

圖6 流阻系數隨上法蘭高度h的變化趨勢

4 結語

(1)隨著濾筒相對殼體出口端的距離增大，濾器的流阻系數減小；當濾筒相對殼體出口端的距離約為濾器公稱直徑的0.3倍時，流阻系數基本保持不變。因此，濾筒設計時應保證濾筒相對殼體出口端的距離不小于濾器公稱直徑的0.3倍。

(2)隨著上法蘭高度增加，吸入粗水式濾器的流阻系數呈先降低后穩(wěn)定的趨勢，但增加了殼體及濾筒材料成本。在不影響流阻系數的基礎上同時考慮成本節(jié)約，濾器上法蘭的高度應保持為1.25倍濾器公稱直徑。