蔡柳溪 姚佳偉 侯燕芳 李 云 高秀峰 張 毅 魏清希

（1.西安交通大學(xué)化工機(jī)械研究所；2.西安泵閥總廠有限公司）

聚酯熔體過(guò)濾器是PET原料生產(chǎn)、高速紡絲、塑料薄膜及吹瓶等產(chǎn)品制造工藝過(guò)程中的重要設(shè)備，主要用于除去熔體中的雜質(zhì)和未熔粒子，以實(shí)現(xiàn)熔體的連續(xù)過(guò)濾，保證產(chǎn)品質(zhì)量［1～3］。聚酯熔體過(guò)濾器工作環(huán)境和介質(zhì)特點(diǎn)可集中概括為“四高”，即高溫、高壓、高粘度和高分子聚合物。由于工作環(huán)境惡劣，運(yùn)行過(guò)程中即便采用了一運(yùn)一備、定期清理濾芯等措施，過(guò)濾器局部仍出現(xiàn)熔體滯留變質(zhì)的現(xiàn)象，這對(duì)PET切片和下游產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重威脅［4～6］。

分析認(rèn)為，受制于高溫高壓密閉工作環(huán)境，設(shè)計(jì)人員難以清晰把握含雜質(zhì)高粘度聚酯熔體在過(guò)濾器內(nèi)的過(guò)濾和流動(dòng)狀態(tài)，由此導(dǎo)致聚酯熔體介質(zhì)在過(guò)濾器中存在局部流動(dòng)不暢等問(wèn)題。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前還未有專門(mén)針對(duì)高壓熔體過(guò)濾器流場(chǎng)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究文獻(xiàn)，僅有少量文獻(xiàn)對(duì)聚合物擠出口模熔體的流變行為進(jìn)行了初步探索。綦黎明和張延恒對(duì)管狀口模粘性熔體的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)得的熔融指數(shù)、流變指數(shù)和擠出產(chǎn)量與壓力的關(guān)系，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算公式的合理性［7］。曹丹宇基于格子Boltzmann方法開(kāi)發(fā)了聚合物流體模擬程序，并對(duì)兩種不同聚合物熔體的二維泊肅葉流動(dòng)進(jìn)行了模擬，計(jì)算結(jié)果和理論分析符合良好［8］。柳和生和黃益賓利用罰函數(shù)有限元法和PTT粘彈本構(gòu)模型，對(duì)聚合物熔體在C形和Y形截面異型材擠出口模內(nèi)的三維粘彈流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，異型流道中存在的突出棱角會(huì)使局部流道截面有效流動(dòng)面積減小，產(chǎn)生收斂效應(yīng)，過(guò)渡區(qū)與成型區(qū)流線必須平滑連接以保證熔體穩(wěn)定流動(dòng)［9］。李又兵和申開(kāi)智研究了壓力振動(dòng)場(chǎng)對(duì)聚合物熔體流動(dòng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)表觀黏度隨著壓力振幅、振頻的增加而明顯下降，壓力振動(dòng)場(chǎng)能顯著改善聚合物熔體的流動(dòng)行為［10］。麻向軍等利用Polyflow軟件對(duì)熔體流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)螺旋芯棒式模頭在環(huán)形間隙入口到第一個(gè)螺槽之間存在熔體滯留區(qū)，并且除滯留區(qū)以外的環(huán)形間隙中的熔體同時(shí)存在軸向和環(huán)形流動(dòng)［11］。李慶領(lǐng)利用有限差分法對(duì)聚合物在加工過(guò)程中的傳熱和流動(dòng)特性進(jìn)行了理論和數(shù)值分析，指出橡膠混煉物這類高粘非牛頓流體的換熱以及流動(dòng)特性與低粘牛頓流體有著本質(zhì)的區(qū)別［12］。混煉膠達(dá)到一定溫度后整體呈流體特征，且由于粘度大、流動(dòng)困難，往往呈明顯的層流。此外，劉彭［13，14］、巴鵬等［15］、吳世先等［16］分別針對(duì)液壓油濾芯、空氣濾清器濾芯等應(yīng)用場(chǎng)合，采用多孔介質(zhì)模型模擬了上述應(yīng)用場(chǎng)合下流體工質(zhì)流過(guò)濾芯的阻力損失狀況，獲得了相對(duì)合理的流場(chǎng)分布。

總結(jié)上述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前還未有針對(duì)高壓熔體過(guò)濾器開(kāi)展聚酯熔體介質(zhì)流動(dòng)和過(guò)濾特性研究的案例。筆者以某型高壓熔體過(guò)濾器為原型，首次利用三維數(shù)值模擬方法耦合多孔介質(zhì)模型對(duì)過(guò)濾器內(nèi)的流動(dòng)特性和過(guò)濾特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，探索了熔體流量、濾芯性能退化及濾芯分布等因素對(duì)過(guò)濾器性能和流動(dòng)特性的影響機(jī)制，在此基礎(chǔ)上對(duì)高壓熔體過(guò)濾器端蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果為改善高壓熔體過(guò)濾器內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，解決熔體滯留變質(zhì)等問(wèn)題提供了技術(shù)依據(jù)。

1 幾何模型及數(shù)值方法

1.1 幾何模型

結(jié)合某型號(hào)高壓熔體過(guò)濾器進(jìn)行幾何建模，設(shè)備總高1 745 mm，筒體部分高1 201 mm，筒體內(nèi)徑1 190 mm，安裝板流道長(zhǎng)90 mm，進(jìn)口管與出口管內(nèi)徑均為115 mm，單根濾芯面積0.94 mm2，濾芯總面積57.34 mm2，流體域幾何模型如圖1所示。熔體過(guò)濾器設(shè)計(jì)輸送壓力20～25 MPa，輸送溫度285～290 ℃，設(shè)計(jì)流量15.2 t/h。過(guò)濾器管道和腔室內(nèi)壁拋光處理，粗糙度不超過(guò)Ra0.8。

圖1 熔體過(guò)濾器流體域模型

1.2 數(shù)值方法

筆者使用CFX軟件對(duì)高壓熔體過(guò)濾器的實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬分析。分析認(rèn)為，開(kāi)展熔體過(guò)濾器流動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬的難點(diǎn)在于如何合理描述聚酯熔體的流動(dòng)和通過(guò)濾芯的過(guò)濾過(guò)程。因此，本節(jié)將先從確定流體介質(zhì)模型和多孔介質(zhì)模型入手進(jìn)行研究。

高分子聚合物在物理聚集態(tài)上可分為結(jié)晶態(tài)、玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，筆者所研究的高粘聚酯熔體介質(zhì)在過(guò)濾器中的流動(dòng)即呈現(xiàn)粘流態(tài)。盡管查閱到的大多數(shù)文獻(xiàn)中均稱聚酯熔體呈現(xiàn)出典型的假塑性流體特征，即當(dāng)剪切速率大于臨界剪切速率時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“切力變稀”現(xiàn)象，但是關(guān)于寬剪切速率范圍內(nèi)PET熔體的剪切粘度隨剪切速率的變化實(shí)驗(yàn)曲線卻沒(méi)有查到，即無(wú)法確定PET介質(zhì)的臨界剪切速度。進(jìn)一步調(diào)查調(diào)研發(fā)現(xiàn)，不同高分子流變性能測(cè)量設(shè)備測(cè)試得到的結(jié)果差異較大。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，且考慮到聚酯熔體在過(guò)濾器內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中幾乎保持恒定溫度，剪切速率很低。因此，假定過(guò)濾過(guò)程中PET介質(zhì)的物性參數(shù)保持恒定，具體如下：

輸送壓力 25 MPa

輸送溫度 285 ℃

摩爾質(zhì)量 192 g/mol

密度 1 180 kg/m3

比熱 2 435 J/（kg·K）

動(dòng)力粘度 300 Pa·s

導(dǎo)熱系數(shù) 0.103 4 W/m

確定了熔體介質(zhì)基本物性參數(shù)后，需要判斷熔體介質(zhì)在過(guò)濾器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。設(shè)計(jì)工況下熔體在進(jìn)口管和出口管的平均流速vm和流動(dòng)雷諾數(shù)Re為：

從計(jì)算結(jié)果可知，熔體在進(jìn)、出口管內(nèi)流速非常低，處于層流狀態(tài)?？紤]到熔體通過(guò)濾芯時(shí)，在更大的過(guò)濾面積和阻力作用下介質(zhì)流速更低，因而可以認(rèn)為，整個(gè)過(guò)濾器內(nèi)均處于層流狀態(tài)，即選用層流模型來(lái)模擬過(guò)濾器內(nèi)熔體的流動(dòng)狀態(tài)。

熔體過(guò)濾器的濾芯結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，難以直接建模。因此筆者采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬熔體通過(guò)濾芯產(chǎn)生的阻力損失。對(duì)于多孔介質(zhì)，通過(guò)在常規(guī)動(dòng)量方程基礎(chǔ)上增加源項(xiàng)Si，可以模擬計(jì)算域中多孔材料對(duì)流體的流動(dòng)阻力。源項(xiàng)Si主要包括達(dá)西粘性阻力項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)：

式（1）中等號(hào)右邊第1項(xiàng)為達(dá)西粘性阻力項(xiàng)，第2項(xiàng)為慣性損失項(xiàng)；Dij和Cij分別對(duì)應(yīng)粘性阻力和慣性損失系數(shù)矩陣。簡(jiǎn)單的均勻多孔介質(zhì)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

由于多孔介質(zhì)材料的滲透性較大且介質(zhì)的幾何尺度和湍流渦的尺度不發(fā)生相互作用，故而可以認(rèn)為介質(zhì)材料對(duì)湍流的生成沒(méi)有影響。同時(shí)由于多孔介質(zhì)流動(dòng)區(qū)域?yàn)閷恿髁鲃?dòng)，式（1）中的慣性損失項(xiàng)可被忽略，此時(shí)流動(dòng)的壓力降與流速成正比，多孔介質(zhì)模型即被簡(jiǎn)化為達(dá)西定律，即：

而在3個(gè)坐標(biāo)方向上的壓力降則為：

筆者所研究的濾芯并非簡(jiǎn)單均勻結(jié)構(gòu)，而由外護(hù)管、內(nèi)外兩層金屬絲網(wǎng)、多層304SS金屬纖維氈及內(nèi)側(cè)帶孔的圓管支架等結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。其中任何一層都可看做是多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)?？紤]到連續(xù)使用多次多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬濾芯結(jié)構(gòu)阻力會(huì)造成模擬誤差顯著增大，因此，筆者提出將模型簡(jiǎn)化為一層復(fù)合多孔介質(zhì)流體域的思路。多孔介質(zhì)域總厚度為11.4 mm，過(guò)濾層孔隙率在0.74～0.80范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)美國(guó)頗爾公司20 μm濾芯流量與壓力降的數(shù)據(jù)插值擬合，獲得文中使用金屬纖維氈濾芯粘性阻力系數(shù)為2.63×10-11。

圖2 過(guò)濾器濾芯結(jié)構(gòu)圖

1.3 邊界條件

參照該型號(hào)高壓熔體過(guò)濾器設(shè)計(jì)參數(shù)，邊界條件設(shè)置為：入口管道質(zhì)量流量為4.222 kg/s，出口管道壓力為22.2 MPa，所有固體壁面設(shè)置光滑壁面、絕熱且無(wú)滑移流動(dòng)條件。

結(jié)合熔體在過(guò)濾器內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程和所對(duì)應(yīng)的物理模型，將計(jì)算域劃分為6個(gè)區(qū)域，以保證各區(qū)域均有明確的物理意義。對(duì)各個(gè)交界面的設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 交界面位置及類型

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

采用ICEM CFD軟件對(duì)高壓熔體過(guò)濾器進(jìn)行網(wǎng)格離散。為了避免網(wǎng)格密度變化對(duì)高壓熔體過(guò)濾器流場(chǎng)、壓損特性產(chǎn)生影響，筆者采用逐步增加網(wǎng)格密度的方法對(duì)高壓熔體過(guò)濾器流體域進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性考核。采用3套密度不同的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，選取進(jìn)口管入口處壓力和過(guò)濾器壓差作為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，結(jié)果見(jiàn)表2。計(jì)算結(jié)果顯示，因網(wǎng)格數(shù)不同而造成的壓差結(jié)果差距較小，同時(shí)3種不同網(wǎng)格數(shù)模型的壓力差值均與調(diào)研文獻(xiàn)中熔體過(guò)濾器20 μm濾芯的壓差范圍（2.8～3.2 MPa）基本符合，這驗(yàn)證了文中物理模型和數(shù)值方法的可靠性。同時(shí)可以認(rèn)為，上述3套網(wǎng)格數(shù)量下，模擬結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)?？紤]到計(jì)算速度和計(jì)算精度，選用2 550萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)作為最終計(jì)算網(wǎng)格數(shù)。

表2 不同網(wǎng)格數(shù)目下的計(jì)算結(jié)果

2 高壓熔體過(guò)濾器流動(dòng)特性

2.1 設(shè)計(jì)工況下流動(dòng)特性

熔體介質(zhì)在過(guò)濾器內(nèi)的流速分布如圖3所示。熔體介質(zhì)在進(jìn)口管流段的平均速度保持在0.1 m/s左右。沿流動(dòng)方向，進(jìn)口管中心處介質(zhì)流速較高，管道外側(cè)貼壁流動(dòng)區(qū)流速相對(duì)主流區(qū)較低，出口管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)狀況和進(jìn)口管基本一致。

圖3 熔體介質(zhì)在過(guò)濾器內(nèi)的三維流線圖

熔體介質(zhì)經(jīng)進(jìn)口管進(jìn)入下端蓋區(qū)域后，由于介質(zhì)的匯集作用且保持較高的流動(dòng)慣性，因此筒體中心處介質(zhì)流速較高。隨著介質(zhì)逐漸沿徑向向筒體外圍流動(dòng)，熔體流動(dòng)阻力增加，流動(dòng)速度逐漸減小。

流過(guò)定位板后，筒體流道存在垂直向上的流動(dòng)和進(jìn)入濾芯的徑向流動(dòng)，局部的流動(dòng)摻混作用和濾芯阻力作用使這部分流體速度相對(duì)較低。熔體介質(zhì)在筒體、濾芯內(nèi)平均流速在10-5～10-3m/s范圍。

熔體介質(zhì)進(jìn)入濾芯內(nèi)流道和安裝板流道后僅存在垂直向上的流動(dòng)，流動(dòng)整體較平穩(wěn)。安裝板流道平均流速在10-3～10-1m/s范圍，比濾芯內(nèi)流道流速稍高。

選取過(guò)濾器中上端蓋截面、筒體-濾芯-內(nèi)流道截面和下端蓋截面作為3個(gè)典型位置截面。比較不同截面內(nèi)的流動(dòng)剪切速率發(fā)現(xiàn)，各截面圓周外圍區(qū)域的流動(dòng)剪切速率遠(yuǎn)小于筒體中心位置。筒體-濾芯-內(nèi)流道截面的剪切速率在4×10-3～4 s-1范圍內(nèi)，而上、下端蓋截面位置流動(dòng)剪切速率處于0.1～30 s-1范圍，且上端蓋邊緣存在滯流區(qū)域，如圖4所示。這表明熔體過(guò)濾器上端蓋外圍區(qū)域容易產(chǎn)生熔體滯留。

圖4 典型位置截面處流動(dòng)剪切速率對(duì)比

圖5展示了設(shè)計(jì)工況下，熔體介質(zhì)從筒體內(nèi)部穿過(guò)濾芯多孔介質(zhì)材料而進(jìn)入濾芯內(nèi)流道過(guò)程的流場(chǎng)壓力分布。可以看出筒體和濾芯多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)熔體壓力較高，而濾芯內(nèi)流道和安裝板流道內(nèi)熔體壓力較低，這與熔體流動(dòng)速度場(chǎng)的分布相對(duì)應(yīng)。

圖5 過(guò)濾器各流道壓力分布

圖6展示了過(guò)濾器不同部位截面壓力分布云圖。從圖中可知，進(jìn)口管壓力損失為0.16 MPa，出口管壓力差為0.19 MPa，筒體-濾芯部分由于多孔介質(zhì)的過(guò)濾滲透作用，壓力損失達(dá)到2.16 MPa，占據(jù)了過(guò)濾器系統(tǒng)總壓損的82%。安裝板-上端蓋區(qū)域壓力損失僅為0.11 MPa。

圖6 各部分壓力云圖

2.2 流量的影響

由于實(shí)際生產(chǎn)需求，過(guò)濾器輸送流量會(huì)偏離設(shè)計(jì)流量下運(yùn)行。查閱過(guò)濾器說(shuō)明書(shū)發(fā)現(xiàn)，過(guò)濾器的額定流量為15.20 t/h（4.222 0 kg/s），最大流量為18.75 t/h （5.208 3 kg/s），最小推薦流量為12.96 t/h（3.600 0 kg/s）。為了研究輸送流量對(duì)于過(guò)濾器性能和流動(dòng)特性的影響，分別對(duì)設(shè)計(jì)流量、最大流量和最小流量3種不同流量工況進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 流量變化對(duì)過(guò)濾器系統(tǒng)壓力損失的影響

由表3可知，介質(zhì)由設(shè)計(jì)流量至最大允許流量，流量提升量為3.55 t/h，過(guò)濾器系統(tǒng)壓力損失增加了0.641 MPa，增幅為23.4%。而當(dāng)介質(zhì)流量下降到最小流量時(shí)，流量下降量為2.24 t/h，過(guò)濾器系統(tǒng)壓力損失降低了0.403 MPa，減幅為14.7%。

計(jì)算結(jié)果還顯示，隨著過(guò)濾器輸送流量增加，過(guò)濾器各部分流動(dòng)壓力損失均出現(xiàn)不同程度增加，其中筒體-濾芯段增幅最為顯著，達(dá)到0.55 MPa，占總體增幅的85.8%，具體結(jié)果如圖7所示。實(shí)際運(yùn)行中要注意輸送流量增大對(duì)過(guò)濾器功耗增加的影響。

圖7 流量對(duì)過(guò)濾器各流段壓力損失的影響

2.3 濾芯分布的影響

為了探究濾芯間距對(duì)于過(guò)濾器內(nèi)部流動(dòng)狀況的影響，筆者在保證濾芯過(guò)濾面積不變的情況下，對(duì)濾芯分布間距進(jìn)行了調(diào)整。原過(guò)濾器濾芯排布與調(diào)整后過(guò)濾器濾芯排布見(jiàn)表4。從表中可以看出，同層濾芯，新排布方式距離筒體中心半徑要比原排布方式小，即濾芯新排布方式要比原排布方式更緊湊。

表4 兩種排布方式對(duì)比

圖8展示了濾芯新排布方式下上端蓋截面剪切速率云圖。與圖4a比較發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于原排布方式，新排布方式下各層濾芯位置均向筒體中心收縮，上端蓋截面邊緣區(qū)域的剪切速率會(huì)進(jìn)一步下降，由0.437 s-1下降為0.070 s-1，這會(huì)導(dǎo)致邊緣區(qū)域發(fā)生滯流的可能性進(jìn)一步上升。與此同時(shí)，上端蓋中心區(qū)域的剪切速率有所上升，說(shuō)明這種改動(dòng)有利于中心流動(dòng)但不利于邊緣區(qū)域流動(dòng)。

圖8 新排布方式下上端蓋剪切速率

兩種濾芯排布方式下過(guò)濾器各部分壓力損失見(jiàn)表5。從表中可以看出，緊湊化濾芯排布導(dǎo)致過(guò)濾器總體壓力損失上升13.74%。其中筒體-濾芯部分壓力損失上升最為顯著。

表5 兩種濾芯排布方式下壓力損失 MPa

2.4 濾芯性能衰退的影響

隨著熔體過(guò)濾器服役時(shí)間的增加，濾芯容易受雜質(zhì)顆粒污染而使濾芯性能衰退。為了模擬濾芯性能降低的過(guò)程，在輸送熔體流量一定（4.222 kg/s）的情況下，通過(guò)改變多孔介質(zhì)模型中粘性阻力系數(shù)的大小來(lái)模擬新濾芯、使用一段時(shí)間后濾芯（使用后）和切換時(shí)濾芯（切換時(shí)）的3種服役狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 濾芯阻力系數(shù)對(duì)過(guò)濾器整體壓力損失的影響

由表6計(jì)算結(jié)果可知，在過(guò)濾器輸送質(zhì)量流量和進(jìn)口壓力一定的情況下，隨著阻力系數(shù)增加，濾芯出口壓力明顯下降，造成的壓力損失迅速增大。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著濾芯受污染后阻力系數(shù)的增大，進(jìn)、出口管，安裝板-上端蓋流域的壓力損失基本無(wú)變化，但筒體-濾芯流段的壓力損失則顯著增大。當(dāng)濾芯從新服役狀態(tài)運(yùn)行至需切換狀態(tài)時(shí)，過(guò)濾器系統(tǒng)總壓損從2.742 MPa上升至7.068 MPa。其中筒體-濾芯流段的壓損從2.16 MPa顯著增加至6.50 MPa。

圖9展示了濾芯不同服役狀態(tài)下筒體-濾芯流段介質(zhì)速度矢量圖。從圖中可以看出，不同使用階段下筒體-濾芯流段中介質(zhì)速度分布狀況基本一致，但由于濾芯污染程度和流動(dòng)阻力的增加，介質(zhì)流速整體呈下降趨勢(shì)。介質(zhì)通過(guò)濾芯的速度減小，介質(zhì)通過(guò)過(guò)濾器的時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。

圖9 不同服役狀態(tài)下筒體-濾芯流段介質(zhì)速度矢量圖

3 過(guò)濾器上端蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 不同端蓋結(jié)構(gòu)下的流動(dòng)特性

從上節(jié)研究結(jié)果可知，過(guò)濾器上端蓋外圍狹小的結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致熔體介質(zhì)在該處流動(dòng)不暢，從而產(chǎn)生熔體滯留變質(zhì)現(xiàn)象。為了改善該處的流動(dòng)狀況，通過(guò)改變上端蓋圓角半徑的方式來(lái)優(yōu)化上端蓋結(jié)構(gòu)。在8～20 mm圓角半徑范圍內(nèi)選取8、10、12、15、20 mm共5組圓角結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)濾器流場(chǎng)計(jì)算。

不同端蓋圓角半徑下過(guò)濾器系統(tǒng)壓力損失如圖10所示。計(jì)算結(jié)果表明，圓角半徑自8 mm增加至15 mm，過(guò)濾器系統(tǒng)壓力損失逐漸減小，有效減小量為0.02 MPa。當(dāng)圓角半徑大于15 mm后，整個(gè)系統(tǒng)壓力損失則基本保持恒定。

圖10 不同圓角半徑下過(guò)濾器系統(tǒng)壓損特性比較

除了壓力損失特性外，流動(dòng)剪切速率值更能反映熔體的流動(dòng)效率。上端蓋流域y-z截面流動(dòng)剪切速率分布云圖如圖11所示。觀察發(fā)現(xiàn)，上端蓋和出口管連接部位熔體流動(dòng)剪切速率較高，達(dá)到25.0 s-1左右；端蓋圓角區(qū)域流動(dòng)剪切速率值則普遍小于1；圓角半徑8、15 mm兩種上端蓋結(jié)構(gòu)中剪切速率的最小值和最大值水平較高，其中最大值可達(dá)31.4 s-1，這意味著熔體出流性能更好。

圖11 不同圓角半徑下上端蓋區(qū)域y-z截面熔體流動(dòng)剪切速率分布云圖

圖12展示了筒體-上端蓋連接位置，即圓角結(jié)構(gòu)起始截面熔體流動(dòng)剪切速率云圖?？梢钥闯?，隨著圓角半徑增加，次外層濾芯流域流動(dòng)剪切速率逐漸減小。圓角半徑為8、15 mm最外圍圓角流域流動(dòng)剪切速率最小值均有不同程度提升，增加了該區(qū)域熔體的流動(dòng)效率。在過(guò)濾器設(shè)計(jì)過(guò)程中可考慮采用上述兩種圓角結(jié)構(gòu)來(lái)降低熔體滯留的可能性。

圖12 不同圓角半徑下上端蓋圓角起始截面熔體流動(dòng)剪切速率云圖

3.2 過(guò)濾器殼體強(qiáng)度校核

為了對(duì)優(yōu)化后過(guò)濾器的殼體強(qiáng)度進(jìn)行校核，對(duì)過(guò)濾器系統(tǒng)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。省略濾芯、定位板、吊耳等結(jié)構(gòu)；忽略上、下游接口法蘭面位置處的臺(tái)階；忽略部分外輪廓面上的倒角和相應(yīng)部件的螺紋。由此得到的有限元計(jì)算模型如圖13所示。

圖13 過(guò)濾器有限元計(jì)算模型

根據(jù)過(guò)濾器關(guān)鍵部件的材料信息，本項(xiàng)目采用ANSYS Workbench材料數(shù)據(jù)庫(kù)提供的材料屬性參數(shù)進(jìn)行各部件材料設(shè)置，具體參數(shù)類型和取值見(jiàn)表7。

表7 過(guò)濾器各部件材料屬性

對(duì)過(guò)濾器內(nèi)所有流道表面和多孔板孔內(nèi)表面施加25 MPa的壓力載荷；對(duì)過(guò)濾器施加285 ℃的溫度載荷；單個(gè)螺栓預(yù)緊力為660 kN。螺母與螺柱、螺柱與下法蘭螺栓孔采用bonded接觸；安裝板與上、下法蘭面之間采用面-面接觸。對(duì)過(guò)濾底面施加固定約束，同時(shí)釋放與管道連接的兩個(gè)面上的軸向自由度。

圓角半徑8 mm 上端蓋結(jié)構(gòu)和圓角半徑15 mm上端蓋結(jié)構(gòu)下熔體過(guò)濾器各部件靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)構(gòu)匯總于表8、9。由表中結(jié)果可知，除了螺栓在預(yù)緊力作用下應(yīng)力較大以外，上、下法蘭盤(pán)、筒體、濾室下體和安裝板的平均應(yīng)力值均較小。對(duì)比表8、9中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩種結(jié)構(gòu)下過(guò)濾器各部件應(yīng)力值總體上差異不大，平均應(yīng)力值接近。由于上、下法蘭盤(pán)最大應(yīng)力位于和螺栓接觸的局部區(qū)域，而法蘭盤(pán)其他區(qū)域應(yīng)力較小。同時(shí)，筒體、濾室下體、安裝板最大應(yīng)力出現(xiàn)在相鄰兩部件接觸的局部應(yīng)力集中的位置。因此，對(duì)除了螺栓外的其他過(guò)濾器組成部件，應(yīng)采用平均應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核。

表8 熔體過(guò)濾器圓角半徑8 mm上端蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表9 熔體過(guò)濾器圓角半徑15 mm上端蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)GB 150—2011《壓力容器》規(guī)定，在承受內(nèi)壓的薄壁金屬壓力容器中，殼體元件的最大總體薄膜應(yīng)力σT不得超過(guò)服役溫度下材料屈服點(diǎn)的90%與焊接接頭系數(shù)的乘積，即：

其中，σs為材料的屈服極限，文中濾室和組焊件材料為AISI 304，其屈服強(qiáng)度極限σs=207 MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，在0.8～1.0范圍內(nèi)取值。文中選取最小值0.8進(jìn)行計(jì)算。由此可得：

從表8、9的計(jì)算結(jié)果可知，兩種上端蓋結(jié)構(gòu)下各部件平均應(yīng)力均小于149.04 MPa，即過(guò)濾器筒體和濾室各部件強(qiáng)度滿足GB 150—2011《壓力容器》設(shè)計(jì)要求。

另外，GB 150—2011《壓力容器》設(shè)計(jì)要求部件抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)nm≥2.7，室溫、設(shè)計(jì)溫度下部件屈服強(qiáng)度的安全系數(shù)ns≥1.6。

從表10的計(jì)算結(jié)果可知，兩種結(jié)構(gòu)下，過(guò)濾器筒體及濾室各部件許用應(yīng)力安全系數(shù)均滿足GB 150—2011《壓力容器》設(shè)計(jì)要求。

表10 熔體過(guò)濾器部件安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

4.1 對(duì)于高壓熔體過(guò)濾器，由于多孔介質(zhì)間的過(guò)濾流動(dòng)以及多孔介質(zhì)和筒體內(nèi)部的滲透流動(dòng)，濾芯-筒體截面壓力損失占到系統(tǒng)總壓損的82%以上；上端蓋邊緣部分由于空間狹小，熔體在該處流速較低，容易發(fā)生熔體介質(zhì)滯留。

4.2 過(guò)濾器輸送流量變化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力損失隨之改變。在實(shí)際生產(chǎn)中，在滿足生產(chǎn)任務(wù)的前提下可以適當(dāng)降低流量以保證較低的系統(tǒng)功耗。濾芯性能的退化對(duì)于熔體流動(dòng)有著極其不利的影響，新濾芯運(yùn)行至需切換狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)總壓損從2.74 MPa增大至7.07 MPa。

4.3 濾芯排布方式改變會(huì)影響過(guò)濾器內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，將濾芯緊湊化排布不能有效解決上端蓋流體滯流問(wèn)題。在過(guò)濾面積一定的情況下，均勻分布的濾芯比緊湊分布濾芯產(chǎn)生的壓力損失更小。

4.4 對(duì)過(guò)濾器上端蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)上端蓋R8和R15圓角結(jié)構(gòu)較為合理，可改善上端蓋外圍區(qū)域熔體流動(dòng)狀態(tài)。兩種上端蓋結(jié)構(gòu)下過(guò)濾器殼體的強(qiáng)度都符合GB 150—2011 《壓力容器》設(shè)計(jì)要求。