过滤分离器流场的CFD模拟分析

液压与气动 2011 年第 11 期 櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘 于常见的工业应用。但是，气动肌肉的出力大、柔顺性 好及能够实现关节的刚度控制等特点在许多特殊场合 却比气缸及其他驱动器具有很大的优势。 参考文献: ［1］ 陶国良，谢建蔚，周洪．气动人工肌肉的发展趋势与研究 现状［J］．机械工程学报，2009，45( 10) : 75 － 83． ［2］ 王雄耀．介绍一种气动新产品—仿生气动肌肉腱［J］．液 压气动与密封，2002，( 1) : 31 － 35． ［3］ Tondu B，Lopez P． Modeling and control of McKibben artifi- cial muscles robot actuators［J］． IEEE Control Systems Mag- azine，2000，( 4) : 15 － 28． 过滤分离器流场的 CFD模拟 谭 旭，李方俊 The flow field CFD simulation of filter / separator TAN Xu，LI Fang-jun ( 北京化工大学，北京 100029) 摘 要:该文运用 fluent软件对过滤分离器筒体内部的流场进行了 CFD模拟分析，得到了过滤分离器筒 体内部流体的流速分布规律。与 API / IP 1582 给出的简化模型相比，该能全面地反映筒体内部流场的 分布规律，为更加合理的过滤分离器结构提供支持和帮助。 关键词:过滤分离器; CFD; 流场 中图分类号: TH137 文献标识码: B 文章编号: 1000-4858( 2011) 11-0102-03 1 引言 除固体颗粒外，水是油液中又一重要的污染物。 目前，以过滤分离器为代的聚结脱水装置在油液除 水中获得了较为广泛的应用。过滤分离器主要由筒体 及其内部的聚结滤芯和分离滤芯组成，滤芯在筒体内 的分布直接影响到过滤分离器的脱水效果。人们以前 进行滤芯布置多凭经验或简单的计算，近些年来，随着 计算机技术、数值计算方法和数学计算模型理论的迅 速发展，从流体运动的基本方程出发，利用数值模拟和 CFD仿真的方法对过滤分离器内部流场进行分析，从 而更加合理地设计过滤分离器内部的滤芯分布已成为 可能。 2 过滤分离器脱水原理及模型简化 过滤分离器简图如图 1 所示。油水混合物从过滤 分离器的入口进入聚结滤芯( 一般为多只) 的内部，在 由内向外的流动过程中，分散在混合物中的微小水滴 聚结长大为尺寸较大的水滴; 长大后的水滴从聚结滤 芯的表面脱落，在重力作用下沉降到过滤分离器的底 部，沉积在过滤分离器底部的水通过排水阀排放;过滤 分离器中的分离滤芯( 一般为多只) 具有憎水亲油的 功能，其将聚结长大的水滴阻挡在分离滤芯的外面，使 流入分离滤芯的流体为油液; 除水后的油液经过出口 流处过滤分离器。 图 1 过滤分离器简图 在过滤分离器筒体内部，高于或低于聚结滤芯高 度的空间基本上没有流体的流动，为此，将过滤分离器 简化为内部含有聚结滤芯和分离滤芯圆柱状筒体，如 图 2 所示。 下面以某一过滤分离器为研究对象，该过滤分离 器的参数如下: ① 流量: 90 m3 /h; ② 筒体直径: 600 mm; ③ 聚结 收稿日期: 2011-04-29 作者简介:谭旭( 1985—) ，男，江苏盐城人，硕士研究生，主要 从事分离技术方面的研究工作。 201  2011 年第 11 期 液压与气动 图 2 过滤分离器简化模型 滤芯数量: 5 只; ④ 聚结滤芯外径: 152． 4 mm; ⑤ 聚 结滤芯内径: 91． 4 mm; ⑥ 聚结滤芯高度: 710 mm; ⑦ 分离滤芯数量: 2 只; ⑧ 分离滤芯外径: 152． 4 mm; ⑨ 分离滤芯内径: 91． 4 mm; ⑩ 分离滤芯高度: 560 mm; 瑏瑡 油液黏度: 1. 06 × 10 －3 Pa·s; 瑏瑢 油液密 度: 830 kg /m3。 滤芯在筒体内部的布置如图 3 和表 1 所示，其中 C1 ～ C5 为 5 只聚结滤芯，S1 ～ S2 为 2 只分离滤芯。 图 3 滤芯在筒体内的布置 表 1 滤芯中心在筒体内的坐标 滤芯 S1 S2 C1 C2 C3 C4 C5 X － 105 105 203． 8 0 203． 8 － 105 105 Y 174． 5 174． 5 0 0 0 － 174． 5 － 174． 5 3 基本控制方程 假设流体在过滤分离器内部流动是定常的、不可 压缩的，从而选择基本控制方程为连续性方程和动量 方程［1］。 1) 连续性方程 不可压缩流体的连续性方程为: ux x + uy y + uz z = 0 ( 1) 式中: ux，uy，uz 分别为 x、y、z方向上的速度分量。 2) 动量守恒方程 动量守恒定律的内容为: 流体微元的动量对时间 的变化率等于外界作用在该微元上的各种力之和，该 定律实际上是牛顿第二定律。按照这一定律可以导出 x、y、z三个方向的动量守恒方程: x 方向: ρ u t + u u x + v u y + w u ( )z = ρfx － p x + μ  2u x2 +  2u y2 +  2u z( )2 ( 2) y 方向: ρ v t + u v x + v v y + w v ( )z = ρfy － p y + μ  2v x2 +  2v y2 +  2v z( )2 ( 3) z 方向: ρ w t + u w x + v w y + w w ( )z = ρfz － p z + μ  2w x2 +  2w y2 +  2w z( )2 ( 4) 式中: p为流体微元上的压力，MPa; u、v、w为速度矢量 的 3 个坐标分量，m/s; f 为作用在单位质量流体微团 上的体积力，N; ρ为液体的密度，kg /m3。 4 过滤分离器流场的模拟计算 目前，过滤分离器内部流场的模拟计算主要利用 API / IP 1582 给出的简化计算模型［2］，本文拟对上文所 提的过滤分离器实例采用 fluent软件进行流场模拟计 算，并和利用简化模型的计算结果进行比较。 ( 1) 简化模型计算结果 在 API / IP 1582 中，线 段表示两滤芯之间或滤芯与筒体内壁之间的间距，分 别用两滤芯的字母表示或用字母 W 和其所连接的滤 芯的字母表示，如 C1C2、S1S2、WS1、WS2、WC1 等。线 段的速度表示两滤芯之间流体的流动速度，速度的方 向垂直于线段。该模型在计算时进行了如下的假设: ① 过滤分离器内的流体为单相流体; ② 各聚结 滤芯的流量相同; ③ 各分离滤芯的流量相同; ④ 径 向方向上流出聚结滤芯的流量相同; ⑤ 径向方向上 流入各分离滤芯的流量相同。⑥ 线段 WC1、C1C2、 C2C3 和 WC3 上的流速相等，线段 WS1、S1S2 和 WS2 上的流速相等( 对于本实例而言) 。 图 3 给出的研究对象中各线段上的速度计算结果 见表 2。 表 2 线段速度计算结果 线段 线段速度( m/s) 线段 线段速度( m/s) C1C2 0． 135 S1C2 0． 102 C1C4 0． 033 S1S2 0． 122 C1S1 0． 056 S2C2 0． 102 C2C3 0． 135 WC1 0． 135 C3C5 0． 003 WC3 0． 135 C3S2 0． 056 WC5 0． 045 C2C5 0． 044 WC4 0． 045 301  液压与气动 2011 年第 11 期 ( 续表) 线段 线段速度( m/s) 线段 线段速度( m/s) C4C5 0． 045 WS1 0． 122 C2C4 0． 044 WS2 0． 122 C1S1 0． 056 ( 2) CFD 模拟计算结果 运用 fluent 软件进行 CFD模拟时的假设如下: ① 过滤分离器内的流体为 常温、常压单相流体; ② 各聚结滤芯的流量相同; ③ 各分离滤芯的流量相同; ④ 过滤分离器内的流体 流动方式为层流。 针对过滤分离器内部的结构，采用四面体和六面 体单元混合划分网格。在分离滤芯高度上任一横截面 的筒体内部网格划分如图 4 所示。在模拟的过程中， 把聚结滤芯和分离滤芯部分当作多孔介质，多孔介质 的渗透率参考相关文献并根据经验参数经过计算给 出［3 ～ 4］，聚结滤芯的渗透率为 1． 74 × 10 －9 m2，分离滤 芯的渗透率为 6． 06 × 10 －5 m2，流场数值计算方法采用 非耦合求解方法。 图 4 筒体截面网格划分示意图 通过上述方法，如果网格划分足够细密，可以得到 过滤分离器筒体内部任一点的流体速度，图 5 为过滤 分离器筒体横截面( z = 400 mm) 上的流体速度云图， 速度的单位为 m/s。 图 5 筒体横截面速度云图 对比简化模型计算结果和 CFD 模拟计算结果可 以发现，两种计算方法的速度分布情况基本相似。在 图 5 中，线段 C1C2、C2C3、WS1 和 WS2 上的颜色比较 深，速度比较大，与表 2 的计算结果吻合。 图 6 和图 7 分别为 z = 400 mm 的横截面上线段 C2C3 和 WC3 上的速度分布曲线，由图可以看出，线段 C2C3 上的流速是不均匀的，线段 WC3 上的流速也是 不均匀的，且两线段上的速度分布规律也不一样，这与 简化模型的假设存在较大的差别。 从图 5 可以看出，由于聚结滤芯 C2 的阻挡作用， 使得线段 S1S2 上的流速明显低于线段 WS1 和 WS2 上 的流速( 见表 2) ，这三条线段上的速度分布也与简化 模型的假设存在较大的差别。 图 6 线段 C2C3 的速度分布 图 7 线段 WC3 的速度分布 5 结论 ( 1) 实例模拟结果表明，滤芯之间或滤芯与筒体 之间的流速分布不均匀，线段 WC1、C1C2、C2C3 和 WC3 上的流速不相等，线段 WS1、S1S2 和 WS2 上的流 速也不相等，( 见表 2) 。这说明 API / IP 1582 的简化模 型假设与实际情况存在着较大的差别; ( 2) 利用 fluent软件对过滤分离器筒体内部的流 场进行 CFD模拟分析是可行的，利用该方法，可以更 加全面地了解过滤分离器筒体内部的流场状况，为设 计更加合理的过滤分离器结构提供支持。 参考文献: ［1］ 王福军，计算流体动力学分析-CFD 软件原理与应用 ［M］．北京:清华大学出版社，2004． 9． ［2］ API / IP 1582 － 2002，specification for similarity for API / IP 1581 aviation jet fuel filter / separators． ［3］ 胡晓斌，马玉录，王正东，吴东棣．玻璃纤维的渗透率及其 对 RTM注模时间的影响［J］． 玻璃钢 /复合材料，1996， ( 3) ． ［4］ 李方俊，陈宇朕．分离滤芯 TEFLON喷涂金属网阻水性能 的研究［J］．液压与气动，2006，( 1) ． 401 