中圖分類(lèi)號(hào) TQ315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 0254-6094（2025）03-0409-11

聚酯熔體過(guò)濾器在PET原料生產(chǎn)、塑料擠出、高速紡絲及紡制細(xì)旦絲等工藝中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其主要作用是在高溫、高壓、高黏度操作環(huán)境下對(duì)聚酯熔體中的雜質(zhì)、顆粒物和其他污染物進(jìn)行有效過(guò)濾，以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能[1-5]。由于工作環(huán)境惡劣，過(guò)濾器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，常采用一運(yùn)一備、定期清理濾芯等手段來(lái)提高過(guò)濾器整體性能[6-9]。然而，過(guò)濾器局部仍可能因流動(dòng)不暢而導(dǎo)致熔體滯留并變質(zhì)2，這嚴(yán)重影響了PET產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性。

由于工作環(huán)境復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段精確把握含雜質(zhì)、高黏度聚酯熔體在過(guò)濾器內(nèi)的流動(dòng)特性。因此，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)緩解過(guò)濾器局部流動(dòng)不暢導(dǎo)致的產(chǎn)品變質(zhì)問(wèn)題變得尤為困難。為克服這一難題，數(shù)值模擬被視為一種簡(jiǎn)單高效的解決途徑。數(shù)值模擬利用數(shù)學(xué)建模和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，能夠精確地模擬聚酯熔體在過(guò)濾器內(nèi)的流動(dòng)特性及其與過(guò)濾介質(zhì)之間的相互作用，幫助設(shè)計(jì)人員深入理解熔體在過(guò)濾器內(nèi)的行為特征，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升過(guò)濾器的性能和效率。然而，通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前尚無(wú)專(zhuān)門(mén)針對(duì)聚酯熔體過(guò)濾器流動(dòng)特性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究文獻(xiàn)。而國(guó)內(nèi)外對(duì)其他類(lèi)型過(guò)濾器的研究較為廣泛，且過(guò)濾器流場(chǎng)的數(shù)值模擬大多是基于復(fù)雜的多孔介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，如Darcy模型以及該模型的改進(jìn)形式[10-15]。巴鵬等通過(guò)建立經(jīng)驗(yàn)公式，分析了液壓管路過(guò)濾系統(tǒng)中褶型濾芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)與阻力之間的關(guān)系，并進(jìn)行了數(shù)值模擬以驗(yàn)證理論模型的可靠性[16]。吳世先等采用多孔介質(zhì)模型對(duì)褶狀空氣濾清器濾芯的壓降特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明，濾芯的入口速度、褶數(shù)和褶高對(duì)其壓降有顯著影響[17]。岳守體等通過(guò)Fluent軟件的多孔介質(zhì)模型研究了孔隙率和流體速度對(duì)過(guò)濾器性能的影響，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流量與入口速度呈線性關(guān)系，孔隙率越大，進(jìn)出口壓差越小[18]。袁惠新等通過(guò)多孔介質(zhì)模型對(duì)空氣過(guò)濾器進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)最優(yōu)褶數(shù)可以在增加過(guò)濾面積和減少阻力之間取得平衡[19]。肖民等利用Fluent軟件對(duì)船用9L28/32DF型雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)濾器的流動(dòng)特性和壓降進(jìn)行了模擬分析，得到了較為合理的流場(chǎng)分布結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以降低壓力損失[20]。田偉等建立某型過(guò)濾器的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證得到了多孔介質(zhì)參數(shù)，分析了濾網(wǎng)上游和下游的污染顆粒分布情況，研究結(jié)果為優(yōu)化過(guò)濾器設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)[21]。權(quán)潔等研究了不同工況下纖維過(guò)濾器濾層結(jié)構(gòu)和過(guò)濾速度對(duì)其過(guò)濾性能的影響。結(jié)果表明，隨著過(guò)濾速度和濾層厚度的增加，壓力損失呈現(xiàn)出近似線性的增長(zhǎng)[22]。盧進(jìn)軍等采用兩種多孔介質(zhì)模型對(duì)某車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣濾清器進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了空氣濾清器的阻力特性曲線[23]。劉冬冬等對(duì)翻板網(wǎng)式過(guò)濾器的不同濾網(wǎng)模型及其對(duì)流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示多孔階躍模型計(jì)算效率高，而三維濾網(wǎng)簡(jiǎn)化模型能有效捕捉介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水頭損失的影響[24]。李軍等通過(guò)試驗(yàn)確定了不同精度潔凈濾網(wǎng)的流阻特性，并基于此提出了燃?xì)膺^(guò)濾器壓差評(píng)價(jià)方法，研究結(jié)果表明，隨著過(guò)濾精度的增加，濾網(wǎng)的壓差主要受慣性項(xiàng)影響增大[25]。紀(jì)晶晶等對(duì)液氧過(guò)濾器進(jìn)行了多層折波濾網(wǎng)的改進(jìn)，并利用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和壓降評(píng)估，結(jié)果顯示仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，為提升過(guò)濾器性能提供了理論支持[26]。

總結(jié)上述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前還未有專(zhuān)門(mén)針對(duì)聚酯熔體過(guò)濾器流動(dòng)及過(guò)濾特性研究案例。為此，筆者已經(jīng)對(duì)過(guò)濾器內(nèi)的流動(dòng)和過(guò)濾特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究2，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了平面型上端蓋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，以改善熔體在上端蓋外圍區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài)。然而，受限于平面結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，優(yōu)化效果是有限的。因此，為進(jìn)一步提升過(guò)濾器的性能，以某型高壓熔體過(guò)濾器為研究對(duì)象，探究了不同結(jié)構(gòu)上端蓋（平面型和槽道型）對(duì)過(guò)濾器流動(dòng)和結(jié)構(gòu)特性的影響。

1 幾何模型及數(shù)值方法

1.1 幾何模型

以某型號(hào)聚酯熔體過(guò)濾器為研究對(duì)象進(jìn)行幾何建模，其流體域幾何模型如圖1所示。

基本幾何尺寸參數(shù)如下：設(shè)備總高度 （204 1835mm 筒體高度 （204 1 220mm 筒體內(nèi)徑 700mm （204號(hào)熔體過(guò)濾器設(shè)計(jì)參數(shù)為：輸送壓力 20MPa ！輸送溫度 285°C ，設(shè)計(jì)流量 20t/h 。同時(shí)為方便熔體在不同部位都能順利流走，過(guò)濾器的管道和腔室內(nèi)壁均經(jīng)過(guò)拋光處理，粗糙度不超過(guò) Ra0.8 。

1.2 數(shù)值方法

使用CFX軟件對(duì)聚酯熔體過(guò)濾器的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。聚酯熔體表現(xiàn)出典型的假塑性流體特征，其黏度隨剪切速率變化。然而，目前公開(kāi)的文獻(xiàn)中并沒(méi)有關(guān)于寬剪切速率范圍內(nèi)PET熔體剪切黏度隨剪切速率變化的實(shí)驗(yàn)曲線，這使得熔體介質(zhì)的流動(dòng)模型難以通過(guò)數(shù)值方法來(lái)描述。此外，由于熱媒室的保溫作用，聚酯熔體在過(guò)濾器內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程可以看作是一個(gè)等溫流動(dòng)過(guò)程，且熔體的剪切速率很低。因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)PET熔體在過(guò)濾器中的流動(dòng)過(guò)程做出以下假設(shè)[27]：

a.流動(dòng)過(guò)程中PET介質(zhì)的物性參數(shù)保持恒定；b.PET熔體流動(dòng)過(guò)程為等溫層流流動(dòng)；c.由于PET熔體屬于高黏性流體，相比于黏性力，重力對(duì)熔體的作用微乎其微，因此忽略重力對(duì)流動(dòng)的影響。

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。多孔介質(zhì)模型的核心思想是將流動(dòng)區(qū)域上固體結(jié)構(gòu)的作用看作是附加在流體上的分布阻力[28]。其具體的實(shí)現(xiàn)辦法是在動(dòng)量方程上添加一個(gè)動(dòng)量損失源項(xiàng)。多孔介質(zhì)模型的具體表達(dá)式見(jiàn)文獻(xiàn)[27]。

1.3 邊界條件

結(jié)合該型號(hào)聚酯熔體過(guò)濾器設(shè)計(jì)參數(shù)，閥門(mén)入口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量入口，入口質(zhì)量流量為 5.5556kg/s ，閥門(mén)出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，出口平均靜壓為 16.211MPa ，同時(shí)所有固體壁面均設(shè)置為光滑、絕熱、無(wú)滑移邊界條件。為了合理描述濾芯多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)，將多層多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一層復(fù)合多孔介質(zhì)流體域。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置多孔介質(zhì)域總厚度為 14mm ，設(shè)置過(guò)濾層孔隙率為0.74。另外，黏性損失項(xiàng)中的黏性阻力系數(shù)也不能依據(jù)簡(jiǎn)單均勻結(jié)構(gòu)確定，而是需要基于流體在多孔介質(zhì)中的表觀速度，使用多孔介質(zhì) Δp 和流速 v 關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定黏性阻力系數(shù)。通過(guò)對(duì)美國(guó)頗爾公司 20μm 濾芯流量與壓力降的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，獲得了適用于文中所研究的過(guò)濾器多孔介質(zhì)中流動(dòng)的黏性阻力系數(shù)。

1.4網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

采用ICEMCFD軟件對(duì)聚酯熔體過(guò)濾器進(jìn)行網(wǎng)格劃分。針對(duì)筒體間隙、上端蓋安裝板、下端蓋及進(jìn)出口閥等流動(dòng)區(qū)域，考慮到其空間形態(tài)的相對(duì)不規(guī)則性，選擇非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格增強(qiáng)其貼體性以準(zhǔn)確描述流體域分布，有利于在提高網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域網(wǎng)格加密。針對(duì)多孔介質(zhì)區(qū)域、濾芯內(nèi)流道、進(jìn)口和出口管流體域這類(lèi)幾何結(jié)構(gòu)較規(guī)則的區(qū)域，則采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，減少網(wǎng)格數(shù)量，以提升計(jì)算效率。同時(shí)盡可能使各交界面處網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目保持一致，以保證計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。為避免網(wǎng)格密度變化對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，采用了3套密度不同的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬，并選取進(jìn)口壓力和過(guò)濾器壓差作為求解動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，不同網(wǎng)格數(shù)量下的計(jì)算監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。計(jì)算結(jié)果顯示，過(guò)濾器進(jìn)出口壓力損失與文獻(xiàn)[7，8]中熔體過(guò)濾器 20μm 濾芯的初始?jí)翰罘秶ǔミM(jìn)出口閥壓損為 3.16MPa 基本吻合，初步驗(yàn)證了文中所用物理模型和數(shù)值方法的可靠性。此外，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到2810萬(wàn)時(shí)，進(jìn)口壓力和壓差的最大變化率分別小于 0.224% 和1.185% ，符合工程實(shí)際要求。出于對(duì)計(jì)算速度和精度的考慮，選用2810萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格作為最終計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量。

1.5 數(shù)值模擬結(jié)果的運(yùn)行驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中采用的數(shù)值模擬方法及濾芯阻力模型對(duì)過(guò)濾器各部件壓損的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，以該型號(hào)過(guò)濾器首次開(kāi)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)作為數(shù)值檢驗(yàn)工況進(jìn)行仿真，數(shù)值仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，采用數(shù)值模擬方法及濾芯阻力模型計(jì)算得到的過(guò)濾器進(jìn)出口壓差為 2.391MPa 實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)過(guò)濾器進(jìn)出口壓差為 2.337MPa， 。

針對(duì)同一工況下過(guò)濾器進(jìn)出口壓差，模擬預(yù)測(cè)值 和實(shí)際運(yùn)行值差異為 2.26% ，滿(mǎn)足工程應(yīng)用需求， 進(jìn)而驗(yàn)證了該數(shù)值方法的可靠性。

2 聚酯熔體過(guò)濾器流動(dòng)及壓損特性

2.1 平面型上端蓋熔體過(guò)濾器設(shè)計(jì)工況下流動(dòng)特性

圖3展示了熔體介質(zhì)在過(guò)濾器內(nèi)的流速分布情況。熔體介質(zhì)通過(guò)進(jìn)口閥進(jìn)入過(guò)濾器，相比進(jìn)口管，進(jìn)口閥的流動(dòng)空間更大，因此其平均流速低于進(jìn)口管。而相對(duì)于筒體間隙-濾芯流道來(lái)說(shuō)，進(jìn)口管的內(nèi)徑較大且無(wú)多孔介質(zhì)的阻力作用，使得熔體在進(jìn)口管內(nèi)的平均流速較高，維持在約 0.3m/s 。沿流動(dòng)方向，靠近管壁的熔體介質(zhì)受到壁面的影響，使得管道壁面附近形成的邊界層區(qū)域流速較低，而管道中心區(qū)域則維持較高的流速。管內(nèi)流速基本呈現(xiàn)出自中心向徑向?qū)ΨQ(chēng)分布的特征（圖4）。出口管內(nèi)的介質(zhì)流動(dòng)情況與進(jìn)□管基本相似。

為進(jìn)一步明確熔體介質(zhì)在上端蓋流道的流動(dòng)狀態(tài)，圖5展示了上端蓋截面處熔體介質(zhì)速度分布。由圖可知，筒體中心區(qū)域的介質(zhì)流速相對(duì)最高；隨著熔體沿徑向逐漸流向筒體外圍，濾芯內(nèi)流道的介質(zhì)流速逐漸減小。相比之下，濾芯外部筒體流道內(nèi)的介質(zhì)流速普遍較低，并且在上端蓋的圓周外圍存在明顯的低速流動(dòng)區(qū)域。因此，理論上圓周外圍區(qū)域內(nèi)的介質(zhì)停留時(shí)間可能較長(zhǎng)。

根據(jù)上述對(duì)固定截面內(nèi)介質(zhì)的速度場(chǎng)分析可知，兩者沿半徑方向呈現(xiàn)逐漸變化趨勢(shì)。為進(jìn)一步分析并直觀感受該變化趨勢(shì)，選取過(guò)濾器筒體由內(nèi)至外不同層濾芯的中心圓柱截面，觀察壓力變化，如圖6所示?？梢钥闯觯瑸V芯外熔體壓力整體大于濾芯內(nèi)流道區(qū)域。熔體通過(guò)濾芯多孔介質(zhì)材料時(shí)不僅會(huì)受到滲透和過(guò)濾作用，同時(shí)也會(huì)在其流動(dòng)方向上有不同程度的沿程阻力損失，這種損失大小主要體現(xiàn)為濾芯內(nèi)外熔體介質(zhì)壓差的大小。觀察圖6中不同半徑位置濾芯內(nèi)外壓差發(fā)現(xiàn)，半徑 R=46mm.R=112mm.R=178mm.R= 244mm 和 R=310mm 處濾芯內(nèi)外最高壓差分別為 2.92，2.90，2.88，2.87，2.85MPa 。即，沿徑向從內(nèi)至外，外部濾芯流體阻力損失更小一點(diǎn)。

2.2 槽道型上端蓋熔體過(guò)濾器設(shè)計(jì)工況下流動(dòng)特性

通過(guò)對(duì)平面型上端蓋熔體過(guò)濾器的流動(dòng)分析可知，上端蓋外圍區(qū)域剪切速率很低，這是容易產(chǎn)生介質(zhì)滯留的部位，因此對(duì)一種新型的槽道型上端蓋的流動(dòng)特性進(jìn)行了分析，進(jìn)而探索槽道型上端蓋結(jié)構(gòu)是否能夠改善這一問(wèn)題。槽道型上端蓋、安裝板結(jié)構(gòu)的流體域模型如圖7所示。

圖8展示了熔體介質(zhì)在槽道型安裝板及上端蓋內(nèi)的流速分布?？梢钥闯?，槽道型上端蓋的出口流速相較于平面型上端蓋更高。此外，由于槽道型上端蓋的流動(dòng)空間相對(duì)較小，整體平均流速得到了提升，增加了 0.008m/s 。圖9進(jìn)一步展示了上端蓋截面處熔體介質(zhì)速度分布。由圖可知，在熔體介質(zhì)從安裝板流道進(jìn)入槽道型上端蓋的過(guò)程中，中心區(qū)域的介質(zhì)流速相對(duì)較高。沿徑向逐漸靠近外圍時(shí)，熔體流速逐漸減小，且上端蓋入口處及槽道壁面存在低速流動(dòng)區(qū)域

圖10展示了兩種不同上端蓋結(jié)構(gòu)在相同高度截面的流動(dòng)剪切速率。可以看出，與平面型上端蓋相比，槽道型上端蓋的外圍（最小）剪切速率增到了6倍以上。同時(shí)，槽道型上端蓋剪切速率低的位置主要位于槽道出口處，不易產(chǎn)生熔體滯留。這表明槽道型上端蓋可有效控制熔體在上端蓋的流道空間，減少流動(dòng)死區(qū)，顯著改善上端蓋外圍熔體滯留問(wèn)題。通過(guò)比較兩種上端蓋結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)濾器系統(tǒng)的壓損發(fā)現(xiàn)，在相同工況下，槽道型上端蓋過(guò)濾器的壓損僅比平面型上端蓋過(guò)濾器增加了 0.05MPa 。

通過(guò)對(duì)槽道型上端蓋過(guò)濾器流動(dòng)和壓損特性的綜合分析可知，盡管采用槽道型上端蓋會(huì)引起較小的壓損增加，但能顯著改善上端蓋外圍的剪切速率，進(jìn)而改善外圍熔體滯留問(wèn)題，對(duì)過(guò)濾器性能的提升以及產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展具有更好的優(yōu)越性。

3 過(guò)濾器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

在進(jìn)行平面型和槽道型過(guò)濾器流動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，為了保證這兩種結(jié)構(gòu)下，整個(gè)過(guò)濾器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求，本節(jié)將采用ANSYSWorkbench軟件對(duì)兩款過(guò)濾器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

3.1有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

通過(guò)保留主要結(jié)構(gòu)部件，對(duì)過(guò)濾器系統(tǒng)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化位置和內(nèi)容主要包括：a.省略了過(guò)濾器實(shí)際模型中濾芯、定位板等部件；b.忽略了部分外輪廓面上的倒角和螺柱、螺母、螺栓孔處的螺紋;c.對(duì)上、下游接口法蘭面進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略了該位置處的臺(tái)階。

由此得到的有限元計(jì)算模型如圖11所示。在確定有限元計(jì)算模型的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選取過(guò)濾器整體平均應(yīng)力和平均變形量作為分析指標(biāo)，分別對(duì)38萬(wàn)、44萬(wàn)、53萬(wàn)、64萬(wàn)、77萬(wàn)、129萬(wàn)、170萬(wàn)和220萬(wàn)8套網(wǎng)格進(jìn)行有限元計(jì)算和分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)170萬(wàn)后，筒體平均應(yīng)力值和平均變形量逐漸趨于穩(wěn)定，且相對(duì)變化量分別小于 0.41% 和 0.58% ，計(jì)算精度滿(mǎn)足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的要求?？紤]到局部特殊位置的求解分辨率和計(jì)算準(zhǔn)確性，最終選定有限元計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)目為220萬(wàn)。此時(shí)網(wǎng)格平均質(zhì)量和平均扭曲度分別為0.83和0.24，滿(mǎn)足計(jì)算對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的要求。

3.2計(jì)算設(shè)置

根據(jù)過(guò)濾器各部件的材料信息，采用ANSYSWorkbench中自建材料數(shù)據(jù)庫(kù)的方式對(duì)各部件材料屬性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，具體材料參數(shù)見(jiàn)表3。

整體過(guò)濾器的上下法蘭采用19個(gè) M64 的螺柱連接，因此在進(jìn)行強(qiáng)度分析前需要確定每個(gè)螺柱的預(yù)緊力，根據(jù)GB150—2011《壓力容器》，確定 W_a 為預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷，即預(yù)緊狀態(tài)下墊片最小壓緊力，計(jì)算式為 W_a=πbD_cy= 1274415.9N，因此最終選取螺栓預(yù)緊力 F₀=1275kN_o

接觸及約束設(shè)置如下：螺柱與上法蘭處螺母、螺柱與下法蘭螺栓孔處均采用bonded接觸；安裝板與上、下法蘭面之間均采用摩擦接觸；結(jié)合過(guò)濾器的實(shí)際工作過(guò)程，對(duì)過(guò)濾器底面施加固定約束；此外考慮到上下游管道在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)受到介質(zhì)溫度變化的影響而發(fā)生熱膨脹或收縮，因此釋放與管道連接的兩個(gè)面上的軸向自由度。

在上述設(shè)置基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，由于過(guò)濾器處于高壓、高溫環(huán)境中，因此首先使用ANSYSWorkbench中的穩(wěn)態(tài)傳熱模塊進(jìn)行溫度場(chǎng)求解，設(shè)置總體溫度為 330^°C 。在溫度場(chǎng)求解的基礎(chǔ)上，使用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模塊，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行順序熱固耦合計(jì)算，進(jìn)而得到過(guò)濾器整體結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力分布結(jié)果。具體設(shè)置如下：對(duì)所有流道表面和多孔板孔內(nèi)表面施加 25MPa 的壓力載荷；設(shè)置環(huán)境溫度為 330^qC ；外壁面施加熱媒壓力載荷 1.6MPa ;并設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地球重力

9.8066m/s² □

3.3兩種結(jié)構(gòu)過(guò)濾器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

圖12分別展示了兩種結(jié)構(gòu)過(guò)濾器整體應(yīng)力分布云圖。計(jì)算結(jié)果顯示，兩種結(jié)構(gòu)過(guò)濾器整體應(yīng)力最大值點(diǎn)均位于螺柱施加預(yù)緊力位置（光桿區(qū)），濾室和上、下端蓋其他位置應(yīng)力均較小。此外，兩種結(jié)構(gòu)過(guò)濾器整體變形情況如圖13所示。計(jì)算結(jié)果顯示，形變量最大位置均發(fā)生在螺栓施加預(yù)緊力位置，最大變形量分別為 0.94，1.21mm 。螺栓和上、下法蘭部件變形相對(duì)較大。

表4、5展示了兩種結(jié)構(gòu)過(guò)濾器各部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。結(jié)果顯示，除螺柱在預(yù)緊力作用下的應(yīng)力較大之外，上、下法蘭盤(pán)、筒體、濾室下體及安裝板的平均應(yīng)力值都較小。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，槽道型上端蓋過(guò)濾器各部件的應(yīng)力明顯大于平面型上端蓋過(guò)濾器的。這是因?yàn)椴鄣佬蜕隙松w由于槽道的存在導(dǎo)致幾何形狀更復(fù)雜。這些槽道結(jié)構(gòu)在受力時(shí)，局部應(yīng)力分布不均勻，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。特別是槽道邊緣或轉(zhuǎn)角處，應(yīng)力顯著高于其他部位，如圖14所示。此外，應(yīng)力集中問(wèn)題在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)進(jìn)一步加劇。這是因?yàn)椴鄣佬徒Y(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在其制造和裝配過(guò)程中，更容易產(chǎn)生微小的誤差或缺陷，而這些誤差或缺陷在結(jié)構(gòu)受力時(shí)會(huì)進(jìn)一步加劇應(yīng)力集中問(wèn)題。因此，在設(shè)計(jì)和使用槽道型結(jié)構(gòu)時(shí)，需要特別關(guān)注這些因素。進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化幾何形狀、合理分配材料的厚度以及嚴(yán)格控制制造加工過(guò)程等方式，減小應(yīng)力集中和應(yīng)力水平，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性。

圖15進(jìn)一步展示了兩種結(jié)構(gòu)上端蓋的變形分布云圖。可以看到，兩種結(jié)構(gòu)的上端蓋變形均從中心向邊緣逐漸增大。遠(yuǎn)離出口區(qū)域的圓周邊緣處變形較大，而靠近出口區(qū)域的位置由于缺乏螺栓緊固，變形較小。這種顯著的不均勻變形可能會(huì)帶來(lái)泄漏風(fēng)險(xiǎn)。另外整體上來(lái)看，槽道型上端蓋的變形比平面型上端蓋更為嚴(yán)重，因此其泄漏風(fēng)險(xiǎn)也更高。

另外，觀察表4、5可知，兩種結(jié)構(gòu)下的過(guò)濾器各部件的最大應(yīng)力均超過(guò)了材料的許用應(yīng)力（上、下法蘭材料的許用應(yīng)力為 83.2MPa ，筒體、安裝板和濾室下體的材料許用應(yīng)力為 112.2MPa ），這些地方的強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求需要通過(guò)應(yīng)力線性化進(jìn)行評(píng)定。分別在兩種結(jié)構(gòu)不同部件最大應(yīng)力位置沿徑向進(jìn)行線性化應(yīng)力處理，計(jì)算結(jié)果列于表6、7。

由表6、7的計(jì)算結(jié)果可知，兩種上端蓋結(jié)構(gòu)的過(guò)濾器各部件均通過(guò)了強(qiáng)度校核，在實(shí)際工作中能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4結(jié)論

4.1當(dāng)熔體流經(jīng)平面型上端蓋時(shí)，由于邊緣部分空間狹小，流速較低，熔體容易在此處滯留。而槽道型上端蓋可有效控制熔體在上端蓋的流道空間，減少流動(dòng)死區(qū)，顯著改善上端蓋外圍熔體滯留問(wèn)題。

4.2對(duì)兩種結(jié)構(gòu)下的過(guò)濾器進(jìn)行了強(qiáng)度校核，結(jié)果表明二者均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。遠(yuǎn)離出口區(qū)域的邊緣處變形較大，而靠近出口區(qū)域的位置由于缺乏螺栓緊固，變形較小。這種顯著的不均勻變形可能會(huì)帶來(lái)泄漏風(fēng)險(xiǎn)。另外整體上來(lái)看，槽道型上端蓋的變形比平面型上端蓋更為嚴(yán)重，因此其泄漏風(fēng)險(xiǎn)也更高。

4.3對(duì)于槽道型上端蓋過(guò)濾器，由于其復(fù)雜的幾何形狀易產(chǎn)生應(yīng)力集中，各部件的應(yīng)力大小明顯高于平面型上端蓋過(guò)濾器，特別是槽道邊緣或轉(zhuǎn)角處，應(yīng)力顯著高于其他部位。因此，在設(shè)計(jì)和使用槽道型上端蓋結(jié)構(gòu)時(shí)，需要特別關(guān)注槽道邊緣及轉(zhuǎn)角等位置。

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（收稿日期：2024-07-07，修回日期：2025-05-15）

Study on the Effect of Upper Cover Structure on the Flow and Structural Characteristics of Polyester Melt Filters

YAO Jia-weil，CAI Liu-xi’，HE Jia-ming1， ZHAN Hong- ?kun¹ ，LI Yun¹ ZHAO Long-long2， TIAN Lin-jun2

（1.ChemicalMachinery Institute，Xi’anJiaotong University；2.Xi’anPumpandValvePlant Co.，Ltd.）

AbstractConsidering the poor local flow of polyester melt filter in the high-temperature and high-pressure working conditions and itresults in product deterioration，the three-dimensional numerical simulation method coupled with porous media model were used to investigate the influence of diffrent upper cover structure （plane type and channel type）on the flow characteristicsof the filter.The results show that，the channel-type upper cover structure can effctively improve melt retention in the edge portion，but its complex geometry may increase the risk of stress concentration and melt leakage.

Key Wordsfilter，polyester melt，upper cover structure，strength check

（Continued from Page 400）

the materials were continuouslyexcited for 6O，90，12O，150 s，the data show that，the three defect profiles can be clearly displayed whenthe excitation is continued for 15Os.Due tothe diffrent responses of material defects to the thermal excitation，the defects of PVC foam layer appeared first after thermal excitation，followed by the defects of adhesive strips and white paper.Forthe same kind of defected material，with the increase of defectdepth，the infrared thermal image tends to be fuzzyand thedetectabilityof the defectbecomes smaler；in this way，the internal defect of the chemical composite material can be detectedand located. Key wordschemical composite materials，infrared detection，defect identification，detectability