侯宗宗，李謹(jǐn)，張輝

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽 471039）

隨著環(huán)境保護(hù)的要求越來越嚴(yán)厲，過濾器成為污水處理系統(tǒng)的必備安裝設(shè)備之一，利用內(nèi)部的濾網(wǎng)來攔截污水中攜帶的較大污物顆粒，從而達(dá)到對(duì)污水進(jìn)行凈化的功能。通常采用處理水量、壓力損失、攔截量、過濾效率及穩(wěn)定性等方面來對(duì)過濾器的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中主要的因素有兩個(gè)[1]：攔截量與壓力損失。而攔截量與過濾器工作時(shí)間有直接的關(guān)系，過濾器的壓力損失受到過濾器結(jié)構(gòu)與污物的攔截量的影響，而過濾器工作時(shí)間的長短由壓力損失和過濾介質(zhì)含污量等參數(shù)決定。所以，可以預(yù)估出過濾器的壓力損失與攔截量對(duì)于提高過濾器性能而言，起到十分重要的作用。

隨著計(jì)算流體力學(xué)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的廣泛應(yīng)用，采用多孔介質(zhì)模型來模擬濾網(wǎng)，并結(jié)合體積等效的方法來計(jì)算不同攔截量下濾網(wǎng)的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，可以有效地解決過濾器濾網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與流動(dòng)情況復(fù)雜無法計(jì)算、過濾器過濾性能無法預(yù)測(cè)等問題。李浩[2]等基于多孔介質(zhì)模型研究了CFD計(jì)算時(shí)湍流模型的選擇。權(quán)潔[3]等基于Fluent研究了纖維過濾器內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算及分析。陶洪飛[4-5]等基于多孔介質(zhì)方法，探討了濾網(wǎng)孔徑對(duì)過濾器流場(chǎng)的影響。以上文獻(xiàn)研究了多孔介質(zhì)的計(jì)算方法，以及對(duì)過濾器流場(chǎng)的計(jì)算分析，但對(duì)于過濾器的堵塞以及反沖洗過程研究較少，因此，本文采用CFD技術(shù)對(duì)過濾器在過濾過程與反洗過程中在不同處理水量、不同攔截量下過濾器內(nèi)部流場(chǎng)的情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了處理水量-濾網(wǎng)攔截量-壓差值之間的關(guān)系，以助于研究過濾器內(nèi)部流場(chǎng)與提升過濾器過濾性能。在此基礎(chǔ)上掌握了一種研究過濾器流場(chǎng)的新方法，為新型過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的開發(fā)，提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 多孔介質(zhì)模型與建模

1.1 多孔介質(zhì)模型

依據(jù)過濾相關(guān)的理論，多孔介質(zhì)模型是通過經(jīng)驗(yàn)公式來設(shè)定的流動(dòng)阻力。過濾器的濾網(wǎng)屬于均勻的多孔介質(zhì)模型類型[6]，由半經(jīng)驗(yàn)的Ergun方程可知[7]計(jì)算方程為：

式中：α—多孔介質(zhì)的滲透率；

C2—慣性阻力系數(shù)；

μ為—流體的黏性系數(shù)，m2·s-1；

ρ—流體的密度，kg·m-3；

vi—流場(chǎng)某點(diǎn)沿某方向的速度，m·s-1。

同時(shí)，采用體積等效法對(duì)不同工況下濾網(wǎng)的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可計(jì)算得出過濾后的相對(duì)直徑D和孔隙率ε，即可獲得相應(yīng)工況下的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)C2。

1.2 過濾器模型

過濾器結(jié)構(gòu)見圖1。進(jìn)出口直徑為DN250，反沖洗口直徑為DN80，過濾器濾網(wǎng)孔徑為φ100 um，濾網(wǎng)厚度3 mm，初始孔隙率40%，污物密度1 900 kg·m-3，單個(gè)污物顆粒質(zhì)量為3.36×10-6g。過濾器網(wǎng)格模型見圖2。網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格數(shù)量為3 056 450。

圖1 過濾器結(jié)構(gòu)

圖2 過濾器網(wǎng)格模型

過濾過程的處理水量分別為200、300、400、500 m3·h-1，濾網(wǎng)攔截量分別為0、100、200、300、400、500 g，過濾過程時(shí)反沖洗口設(shè)置為壁面。反沖洗過程時(shí)，在過濾過程相同工況條件下，反沖洗口設(shè)置為出水口，即部分污水經(jīng)反沖洗口流出。

1.3 邊界條件

依據(jù)過濾器過濾工況，將過濾器的殼體、進(jìn)出水口接管及反沖洗腔設(shè)置為無滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面固定壁面[8]。過濾器進(jìn)、出口邊界與反沖洗出水口（在反沖洗過程時(shí)設(shè)置）的水流方向均垂直于進(jìn)、出口面，進(jìn)水口設(shè)置為速度進(jìn)口；過濾過程，出水口設(shè)置為壓力出口，其值為100 kPa，其湍流強(qiáng)度為3%，排污口設(shè)置為固定壁面；反沖洗過程，排污口設(shè)置為壓力出口，其值為20 kPa。

濾網(wǎng)設(shè)置為多孔介質(zhì)模型，根據(jù)不同的攔截量，分別計(jì)算得出相應(yīng)工況下多孔介質(zhì)模型的主要參數(shù)：孔隙率、黏性阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)。在迭代求解方面，選用壓力與速度耦合的SIMPLE算法，穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，選用Realizablek-系湍流模型，其他選用默認(rèn)格式[9-10]，選擇適當(dāng)?shù)牡介L，過濾介質(zhì)為清水。

2 結(jié)果與分析

2.1 流速-壓差曲線

在清水過流的試驗(yàn)工況下，獲得過濾器的流量與壓差性能曲線，壓差值即為進(jìn)出水口的壓力之差，并與數(shù)值計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果見圖3。

由圖3可知，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)壓差值最大相對(duì)誤差為10.14%，驗(yàn)證了網(wǎng)格模型的正確性，數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性。

圖3 流量-壓差性能曲線

2.2 過濾過程

圖4、圖5分別表示在處理水量為300 m3·h-1、攔截量為200 g時(shí)過濾器在過濾過程的壓力與速度分布云圖。由圖4、圖5可得，過濾器的內(nèi)部壓力分布相對(duì)均勻，濾網(wǎng)內(nèi)外產(chǎn)生階躍，濾網(wǎng)的阻擋作用明顯進(jìn)口附近壓力大，出口附近壓力小，符合實(shí)際情況。排污口處于關(guān)閉狀態(tài)，排污管與反沖洗腔內(nèi)部的流動(dòng)幾乎為零，壓力與濾網(wǎng)內(nèi)部流體壓力保持一致。由于出水口接管垂直于過濾器筒體，受出水口邊界條件的影響，水流沿著接管壁面方向的分速度會(huì)逐漸減小，而沿接管軸線方向的分速度則會(huì)逐漸增大，所以在出水口接管流場(chǎng)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生一段“Y”形的紊流區(qū)域，符合實(shí)際的流動(dòng)情況。

圖4 過濾過程中過濾器壓力分布

圖5 過濾過程中過濾器速度分布

圖6表示在過濾過程中不同的處理水量下，過濾器的濾網(wǎng)攔截量與壓差值之間的關(guān)系。由圖6可得，在一定處理水量下，過濾器的壓差值會(huì)伴隨著濾網(wǎng)攔截量的增多而呈近似線性的變大。

圖6 濾網(wǎng)攔截量與壓差值之間的關(guān)系

圖7表示在過濾過程中不同的濾網(wǎng)攔截量下，過濾器處理水量與壓差值之間的關(guān)系。由圖7可以得出，在一定濾網(wǎng)攔截量的情況下，過濾過程中過濾器的壓差值隨著處理水量的增加而增加，呈近似指數(shù)的增加趨勢(shì)。

圖7 處理水量與壓差值之間的關(guān)系

2.3 反沖洗過程

圖8、圖9分別表示在處理水量為300 m3·h-1、攔截量為200 g時(shí)過濾器在反沖洗過程的壓力與速度分布云圖。由圖8、圖9可得，過濾器內(nèi)部壓力分布相對(duì)均勻，濾網(wǎng)的阻擋作用而產(chǎn)生明顯的壓降。排污口設(shè)置為壓力出口，即排污口處于開啟狀態(tài)，水流經(jīng)排污管與反沖洗腔，通過排污口排出，由于排污口與大氣相通，這部分區(qū)域的壓力較均勻且最低，以達(dá)到反沖洗的目的。

圖8 反沖洗過程中過濾器壓力分布

圖9 反沖洗過程中過濾器速度分布

圖10表示在反沖洗過程中不同的處理水量下，過濾器濾網(wǎng)攔截量與壓差值之間的關(guān)系。由圖10可以得出，在一定處理水量的情況下，反洗過程中過濾器的壓差值隨著濾網(wǎng)攔截量的減少而呈近似線性的下降，這是由于過濾器不斷地進(jìn)行反沖洗清污，從而壓降逐漸減低，符合實(shí)際情況。

圖10 濾網(wǎng)攔截量與壓差值之間的關(guān)系

圖11表示在反沖洗過程中不同的濾網(wǎng)攔截量下，過濾器處理水量與壓差值之間的關(guān)系。由圖11可以得出，在一定濾網(wǎng)攔截量的情況下，反洗過程中過濾器的壓差值隨著處理水量的增加而呈現(xiàn)出近似指數(shù)的增加。

圖11 處理水量與壓差值之間的關(guān)系

3 結(jié) 論

基于多孔介質(zhì)模型對(duì)過濾器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并結(jié)合體積等效法獲得不同濾網(wǎng)攔截量下濾網(wǎng)的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)性能參數(shù)，獲得了過濾過程和反沖洗過程中處理水量-濾網(wǎng)攔截量-壓力損失等因素之間的關(guān)系，研究結(jié)論如下：

1）基于多孔介質(zhì)模型計(jì)算獲得的模擬結(jié)果值和試驗(yàn)壓差值相差不大，流速-壓差曲線的趨勢(shì)基本一致，證明了數(shù)值模擬計(jì)算方法的可靠性，為有效地開展過濾器過濾過程與反沖洗過程中的性能研究奠定了可靠的基礎(chǔ)。

2）過濾過程中，過濾器壓力損失隨著濾網(wǎng)攔截量的增多而增大，隨著處理水量的增大而增大。反洗過程中，過濾器壓力損失隨著濾網(wǎng)攔截量的減少而的減小，隨著處理水量的增大而增大。

3）基于多孔介質(zhì)模型的模擬計(jì)算可以預(yù)測(cè)過濾器的濾網(wǎng)攔截量，也能夠根據(jù)不同的過濾器結(jié)構(gòu)與過濾壓差值而設(shè)定適當(dāng)?shù)奶幚硭颗c濾網(wǎng)攔截量，進(jìn)一步地增強(qiáng)過濾器性能。此外，模擬計(jì)算可為過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能預(yù)測(cè)提供一定的數(shù)據(jù)支撐。