不同滤网网孔模型的数值研究

侯宗宗 张可可 王宾宾 王要伟

（中船重工第七二五研究所（洛阳船舶材料研究所） 洛阳471023）

引 言

过滤器是船舶压载水处理系统中最为关键的设备之一，而滤网是其过滤器内部的最重要部件。滤网网孔具有多种形状、多种组合、多种类型，能够直接影响到过滤器的过滤效果、清洗效率、使用寿命及其他性能的高低［1-2］，因此，研究分析各个滤网模型的流动特性对于过滤器的性能研究具有非常重要的现实意义，并且在相同条件下，研究不同滤网模型的流速-压降情况，可为优化改善过滤器的结构提供参考。

张春阳等人［3］对不同形状纤维在纤维过滤器进行了分析研究，并基于二维模型的基础上进行仿真计算。为研究海水过滤器滤网情况，本文研究的过滤器滤网为不锈钢材质的金属滤网，选用三维数值模拟方法，CFD仿真技术具有灵活的适应性和可重复性操作等优点，逐渐成为设计研发的主要工具［4］，按照工业用网 GB/T10612-2003［5］规定，进行合理设计布置，基于多孔介质模型研究直排方孔模型、直排圆孔模型、叉排方孔模型和叉排圆孔模型共4种模型的流动特性，对比分析了滤网压力场与速度场的情况，能够较全面获得滤网内部流场分布、压损等性能情况，将有助于滤网的选型与设计。

1 数学方程及建模

1.1 数学方程

本文多孔介质模型均在稳定的工况下进行仿真计算，选三维定常计算状态，不可压缩的湍流流动，则流场的连续性方程及动量方程（N-S方程）［6-7］：

选择标准的k-ε湍流模型：

涡粘性系数用μt表示：

式中：t表示时间，s；ρ表示流体密度，kg/m3；ε表示耗散率；μ表示动力粘性系数，Pa·s；ui和uj表示瞬时速度，m/s；p表示静压，pa；xi和xj分别为i和j方向上的位置坐标；gi表示单位质量的重力；表示雷诺应力张量；Gk表示平均速度梯度引起的湍动能生成项。

方程中，附加的经验常数可设置为：式中：雷诺应力张量作为未知量，可采用k-ε湍流模型使方程组闭环，并因此把应力项中的脉动值和方程组中的时均值相联系起来。

1.2 多孔介质模型

多孔介质是由固体物质所组成的骨架以及由于骨架分隔形成大量、密集的微小空间所构成的［8］，也被大量应用于涉及过滤问题的工程中［9］。采用三维建模软件，分别建立其三维多孔介质模型：直排方孔模型、直排圆孔模型、叉排方孔模型和叉排圆孔模型（分别简称为直方孔、直圆孔、叉方孔和叉圆孔，见图1），并保证其有相同的孔隙率。适当延长流体区域，以确保进出口流场不受计算过程中回流扰动的影响。

图1 滤网模型

1.3 边界条件

流域的入口属性设置为速度入口，初始设为V=1 m/s；出口属性设置为压力出口，其值为一个大气压；流体介质为清水，流体密度为1 000 kg·m-3，动力粘度为 1 mPa·s；孔隙率为35%，流域长为45 mm，宽为12.6 mm，滤网厚度均为2.5 mm，环四周壁面设置为周期性无滑移条件［6-7］。选择SIMPLE迭代求解算法，压力和速度耦合计算，定常状态，压力选取PRESTO，动量为二阶迎风格式，其余选择默认迎风格式，其他设置则选用默认值。可适当增加迭代步数，保证结果收敛性较好。

2 仿真结果与分析

2.1 压力场分布

由图2可看出，4种模型的压力场分布情况基本一致，即流体压力沿着流动方向先减小后增加，后趋于平缓，滤网前后有明显的压力差。滤网处由于流体的激流作用，导致静压力最小（进口压差如表1所示）。可以得出叉排方孔模型的压降最大，直排圆孔模型次之，叉排圆孔最小；还可得出叉排方孔模型滤网会有较大的流阻，而叉排圆孔最小流阻较小。相同条件下，因直排圆孔模型相对于直排方孔模型的面积稍大，造成压损相对较大。

图2 压力场分布

表1 进出口压差值

选某一孔中心轴线，并绘制其轴线上的压力变化曲线，见下页图3。

可以看出4种模型的压力变化曲线走势较为相似，即随着流动的进行，在滤网处压力迅速减低，经过滤网后，由于流域的扩展，流速得到缓解，静压将会有一小段压力回升，随后压力值趋于平缓。叉方孔有较大压力降，叉圆孔的最低，更增加压力场分析的正确性，与此同时，可以看出虽然孔隙率和水流等条件完全一致，但由于网孔布置方式不同，得出了不一样的结果，从而说明网孔的形状结构与布置情况会对滤网的流动特性造成影响。

图3 沿轴线压力分布曲线

2.2 速度场分布

图4为某一截面4种不同模型的速度场。

图4 速度场分布

可以看到，选用不同形状滤网速度场整体分布相似，滤网处均出现激流现象，滤网前后速度分布较为均匀；另外，从图中还可得出流场结构基本上呈现出周期性的变化。滤网截面处的速度场见下页图5。方孔与圆孔的速度场明显不同，方孔由于孔型结构造成流体不充分，相对而言，圆孔的孔型结构更均匀。

滤网的性能系数主要由惯性阻力性能系数与粘性阻力性能系数组成，其性能系数与滤网所处的流速、孔径、孔隙率等均有关。选取某一孔中心轴线，并绘制其轴线上的速度变化曲线，如下页图6。

可以看出：4种模型的速度变化曲线走势较为相似，水流经过滤网时，流速均出现急速增加的趋势，然后迅速下降，并趋于稳定。直圆孔中心速度最大，叉圆孔中心速度次之，直方孔中心速度最小。网孔形状对流场的影响很大，在孔隙率相同的情况下随着滤网网孔形状的改变，进而改变了过滤器的渗透性能系数，由Darcy定律可知，渗透性能系数的改变必将导致滤网的阻力性能与速度场发生变化。

2.3 流量-压差曲线

在保持其他条件不变的情况，只改变进口流

图5 滤网截面处速度场

速值，通过一系列计算，获得各个模型在不同的进口流速条件下的压差值，并以结果值绘出其流量-压差性能曲线，见图7。

图6 沿轴线速度分布曲线

可以看出：4种曲线的吻合度较高，走势基本一致；同一条件下，叉方孔压降最大，直方孔低于叉圆孔压差，叉圆孔最小；随流速的增大，网孔处湍流更为激烈，不同网孔的影响更大，造成其压差值相差更大。

图7 流量-压差曲线

3 结 论

本文利用CFD数值仿真计算技术，在相同的条件下，对4种不同网孔形状的滤网流动特性进行了研究分析，包括速度场、压力场等分布情况，以及轴线上压力与速度的分布，基于N-S方程和标准的k-ε湍流模型，得出结论如下：

（1）在孔隙率相同时，叉排方孔模型的流动阻力最大，直排方孔模型低于直排圆孔模型，叉排圆孔模型最小；单位面积下，方孔的流动相对不充分，造成压力损失比圆孔的大。

（2）通过模拟4种滤网的流场特性发现，网孔形状不同、排列方式不同，所产生的滤网压差不同，压力场与速度场也有所不同；网孔与排列方式对滤网特性影响较大，因此改变滤网的渗透性能系数。

（3）沿某一中心轴线，压力与速度的分布走势相似，以及流量-压差曲线，各个模型的走势基本一致。另外，本文仅考虑流动情况，需进一步考虑滤网的承压性，通过4种滤网的流动特性分析并进行比较，为压载水过滤器的研究提供初步流场数值模拟理论基础，为更好提高过滤器的性能优化提供参考。