CN108763638A - 一种面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法，所述优化方法包括以下步骤：步骤一：建立三维模型；步骤二：进行数值模拟计算；步骤三：内部流场分析与初判；步骤四：结构参数优化与评价；步骤五：产品成型与特性参数获取；本发明在设计过程中注重流场特性对过滤效果的影响，根据流场特征缺陷快速诊断结构上的待优化位置，基于设定的结构参数变化阈值，对待优化点进行优化，最终实现水头损失和分离效率的提升。
Description
技术领域
本发明涉及高效节水灌溉技术领域，特别是涉及面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法。
背景技术
微灌系统主要由首部系统、过滤系统、输水管网和田间灌水器等部分组成，因其精量、节水、控肥、增产的效用，在我国北方灌区，微灌已经成为最主要的灌溉方式之一。但堵塞问题一直以来都是困扰微灌系统推广应用的重要瓶颈，始终未能得到有效解决。而解决堵塞问题最主要途径，就是高精度过滤设备的研发应用。
离心过滤器是一种利用离心力场分离多项流体的分离设施，具有结构简单、效率高、能量损失小等优点，在灌溉领域有着广泛的应用。离心过滤器的工作原理为：含有较多砂石的多项流体以切线方向从进料口进入，在一定的压力和流量条件下经筒体器壁导流产生旋转。在此过程中，多项流体还受到重力作用，密度较大的砂石在离心力与重力两个力场混合作用下，做水平趋向器壁竖直趋向于底流口的离心旋转运动；而密度相对较小的水相在混合力场作用下，做水平趋向于中心竖直趋向于溢流口的向心旋转运动。这种双螺旋运动下，大颗粒砂石从底流口排除沉积在积沙罐中，水相则通过内旋流从溢流口进入灌溉系统。
目前离心过滤器的优化设计方法如：申请号：CN103246763A公开了一种固-液水力旋流器的优化设计方法，该方法使用MATLAB建立数学模型，综合考虑多个结构参数对分离粒径和压力差的影响，从而得出多个结构参数的优化值。申请号：CN105843998A公开了一种固-固分离水力旋流器参数的数值模拟优化方法，该方法通过试验与CFD相结合的方法，探究了指定直径下，不同结构参数和操作参数对分离效果的影响。上述研究，只是将CFD方法作为改变离心过滤器操作参数的工具，并未从流场特性对过滤效果的影响角度出发，对现有离心过滤器的结构做出调整优化，更未提出面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法。
因此希望有一种面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法来解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法，在设计过程中注重流场特性对过滤效果的影响，根据流场特征缺陷快速诊断结构上的待优化位置，基于设定的结构参数变化阈值，对待优化点进行优化，最终实现水头损失和分离效率的提升。
本发明提供一种面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法，所述所述优化方法包括以下步骤：
步骤一：建立三维模型；
步骤二：进行数值模拟计算；
步骤三：内部流场分析与初判；
步骤四：结构参数优化与评价；
步骤五：产品成型与特性参数获取。
优选地，所述步骤一根据选取的需要优化的离心过滤器实物模型，对离心过滤器内部流域建立等比例的所述三维模型，对所述三维模型进行网格划分，网格采用六面体非结构化网格，并对入流口、溢流口、底流口进行网格的局部加密。
优选地，所述步骤二进行数值模拟计算，离心过滤器内部流动简化为不可压缩的水沙两相粘性流体的高速旋转流动，满足公式(1)、公式(2a)、公式(2b)和公式(2c)的CFD计算最基本的连续方程和动量方程，对离心过滤器内部水流运动进行模拟，湍流模型选择雷诺应力模型，多相流模型选择Mi xture模型，初始边界条件设置所述入流口为速度进口，所述溢流口和底流口出口为自由出流，壁面采用无滑移边界条件，计算方法采用定常的非耦合隐式算法，压力相采用二阶迎风格式，压力速度耦合采用S I MPLEC算法，动量离散格式采用QU I CK；计算时先使用RSM模型计算单向流，计算趋于收敛后，即残差小于10-4，引用Mixture模型加入沙相作为第二项，调整边界条件，直至残差小于10-6，计算收敛；其中公式(1)和公式(2a)、公式(2b)、公式(2c)为：
式中，ux、ux、ux分别为x、y、z方向速度分量；t为时间；ρ为密度；
式中，p为流体微元的压强；τxx、τxy、τzx为粘性应力在各方向的分量；fx、fy、fz为各方向的单位质量力。
优选地，所述步骤三的内部流场分析与初判包括以下内容：
①根据步骤二的数值模拟计算结果选择典型截面上的压力、速度云图和流线图，判断所述内部流场的特征缺陷以及其对过滤效果的影响，确定所述离心式过滤器原型结构的待优化点；
②根据所述离心式过滤器轴向截面上的压力云图，判断压力值是否符合由边壁向核心减小的趋势；核心区是否存在负压力区域，该区域即为空气柱区域；根据溢流管底横截面上的压力云图，判断空气柱与所述溢流口直径比是否小于
③根据过滤器内部流体的流线图，分析流体的运动轨迹，是否符合部分从所述溢流口排出，部分沉入所述底流口的基本规律；部分流体是否存在短路流；
④根据过滤器轴向截面上的轴向速度云图，分析轴向速度是否符合靠近壁面处趋向于所述底流口的趋势，核心附近趋向于所述溢流口的趋势；趋向于所述底流口的外旋流和趋向于所述溢流口的内旋流是否存在明显边界面即为零速包络面。
优选地，所述零速包络面将流体分为内、外旋流，内旋流区域基本呈倒锥形，锥底直径为所述溢流管直径的2-3倍。
优选地，所述步骤四结构参数优化与评价是根据流场初判对所述空气柱、短路流、负压区域和零速包络面尺寸的内部流场特性调整对应的结构参数，以实现流场特征缺陷的优化；
对于存在所述空气柱的离心过滤器，所述溢流口直径与所述底流口直径的比值影响内部空气柱体积，在所述溢流口尺寸不变情况下，调整所述底流口尺寸改变所述溢流口直径与所述底流口直径的比值，以获得空气柱与溢流口直径比值小于的内部空气柱体积，调整过滤水沙两相流的微灌用离心过滤器的所述溢流口直径与所述底流口直径的比值范围在1.5-1.8之间；
存在短路流的离心过滤器，内插溢流管外壁的形式和溢流管的厚度对短路流的影响较大，在保证所述溢流管内径不变的情况下，将所述内插溢流管外壁调整为渐开口锥台状，抑制所述短路流沿所述内插溢流管外壁直接进入所述溢流管中，对于所述过滤水沙两相流的微灌用离心过滤器，渐开口锥台的锥角范围在0.01°-0.1°；
在过滤器直径确定的情况下，改变所述溢流管内径，所述零速包络面尺寸也会相应改变，过滤水沙两相流的微灌用离心过滤器调整所述溢流管内径范围在0.2-0.4D，D即为原型筒体直径；
过滤评价指标主要有水头损失ΔH和分离效率E，水头损失ΔH用入流口与溢流口压力差表征，在所述入流口和所述溢流口上均匀的选取有限个特征点，具体计算公式(3)如下：
式中：ki为所述入流口第i个特征点的静压力值；pi为所述溢流口第i个特征点的静压力值；m为所述入流口特征点的个数；n为所述溢流口特征点的个数；
分离效率用1减去溢流口沙粒相的体积分数和入流口沙粒相的体积分数比值表征，其中溢流口沙粒相的体积分数用溢流口各点沙粒相体积分数的积分得到，在所述溢流口面上均匀的选取有限个特征点，计算公式(4)为：
式中：f(x,y)为所述溢流口各点上的沙相体积分数；qi为特征点的沙相体积分数；n为特征点的个数；SD为所述溢流口面积；为入流口沙粒相的体积分数。
优选地，综合第一步骤至第四步骤所得到的微灌用离心过滤器结构构型，使用UG对优化后产品进行三维定型，开发高精度模具。依据用户应用需求，选定过滤器内外涂层材料、涂层壁厚等参数，实现产品产业化。
采用计算流体力学(CFD)的方法确定新产品的特性参数。根据以往设计经验，流量与水头损失基本呈指数关系，并且水源条件对该关系影响不大。使用RSM模型，计算单项流下，测试新产品流量和水头损失的关系，绘制优化后离心过滤器构型的压降曲线。然后，引入Mixture模型，加入固定级配沙相，在最优工作流量下，测试含沙浓度不同对分离效率的影响。根据数值模拟结果，确定分离效率较优时对应的水源含沙浓度范围型。
至此，确定新产品适宜的水源条件、处理量和对应的水头损失、分离效率，这些特性参数能够更精确的指导用户生产选型，最终实现优化产品的产业化。
本发明公开了一种面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法，本发明的有益效果包括：
(1)针对已有微灌离心过滤产品由于结构设计不合理，导致内部流场复杂紊乱，旋流过滤作用并未得到充分发挥的现象，提出了一种面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法，达到稳定内部流场，提升已有结构分离过滤性能降低能耗的目的。
(2)提出了一种离心过滤器内部流动分析诊断方法，借助计算流体力学(CFD)工具，分析典型截面上的流场特征缺陷，快速诊断出离心过滤器结构上待优化位置。并且根据提出的主要结构参数临界控制阈值，对待优化位置进行定点精确优化，充分发挥流场的旋流过滤作用。
(3)提出了一种结构优化设计评价方法，选择水头损失ΔH和分离效率E两个评价指标来表征离心过滤器的分离性能。并且提出了评价指标在CFD中的量化方法，定量对比优化前后过滤器的分离过滤性能，实现分离过滤性能的提升。
附图说明
图1是离心过滤器原型示意图。
图2是对离心过滤器内部流域建立等比例三维模型示意图。
图3是对三维模型进行网格划分后的模型示意图。
图4是离心过滤器轴向(x＝0)的压力云图。
图5是离心过滤器内部的流线图。
图6是入流口特征点静压力值分布图。
图7是溢流口特征点静压力值分布图。
图8是溢流口特征点沙粒相体积分数图。
图9是入流口和溢流口均匀选取的9个特征点位置示意图。
图10是优化后离心过滤器结构示意图。
图11是优化后轴向压力云图。
图12是优化后结构流线图。
图13是优化后入流口特征点静压力值。
图14是优化后溢流口特征点静压力值。
图15是优化后溢流口特征点沙粒相体积分数。
图16是优化后入流口和溢流口均匀选取的9个特征点位置示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
过滤器内部存在部分流体沿顶盖下表面向内，又沿溢流管外壁向下，从溢流口排出现象，这部分流体即为短路流。短路流表现显著时，未经过滤直接进入溢流的短路流量较大，易导致离心过滤器分离效率降低。
应用该面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法进行离心过滤器优化设计。设计背景为：选择如图1所示的某微灌用离心过滤器，筒体直径D＝200mm,高度H＝200mm；入流口直径di＝84mm；溢流管直径d0＝84mm，内插溢流管深度h＝120mm,壁厚a＝1mm；底流口直径ds＝60mm；锥体角度θ＝20°，灌溉水源为井水，设计流量15-40m3/h，设计压力0.15-0.35MPa。具体优化设计过程如下：
(1)三维模型建立与数值计算
根据选取的如图1所示的离心过滤器实物原型，使用UG软件对离心过滤器内部流域建立等比例三维模型，如图2所示。使用前处理软件I CEM对三维模型进行网格划分，并对入流口、溢流口、底流口进行网格的局部加密，整个模型共计划分为578966个网格。网格划分后的模型如图3所示。
应用FLUENT软件对离心过滤器内水沙两相流运动进行模拟，湍流模型选择雷诺应力模型(RSM)，初始边界条件设置入流口为流量进口(2.5m/s)，溢流口和底流口出口为自由出流(溢流口流率为1，底流口为0)，计算方法采用定常的非耦合隐式算法，压力相采用二阶迎风格式，压力速度耦合采用S I MPLEC算法。待RSM模型计算趋于收敛后(残差小于10-4)，引入Mixture多相流模型，加入第二相沙相，密度为2800kg/m3，粒径1mm，调整边界条件中入口沙相体积分数为5％，入口速度为2.5m/s，继续迭代计算，直至残差小于10-6计算收敛，至此完成离心过滤器内部流场的数值计算过程。
(2)内部流场分析与初判
图4为离心过滤器轴向(x＝0)的压力云图，从图中可以看出，在过滤器的核心区域存在明显的空气柱，空气柱的形状为倒锥形，体积大约占离心过滤器溢流管投射体积的3/4，这对于离心过滤器的处理量影响巨大。
图5为离心过滤器内部的流线图，从图中可以看出，在溢流口底端存在明显的短路流，这部分流体沿顶盖下表面向内，又沿溢流管外壁向下，最终同内旋流汇合一起从溢流口排出。这部分流体未经离心过滤直接进入微灌系统，对离心过滤器的分离效率影响很大。
(3)结构参数优化与评价
根据流场初判的结果，该原型过滤器内部空气柱体积过大，达到了溢流管投射体积的3/4，导致了过滤的处理量小，压力损失大。而溢流口直径与底流口直径的比值对空气柱体积影响较大，该原型过小，影响过滤出流产量。如图9所示在入流口和溢流口均匀的选取9个特征点，图6、7分别为入流口和溢流口特征点静压力值分布图，点与点之间距离L＝21mm,利用式3可以计算出即该原型离心过滤器的水头损失为8647.3Pa。因此，在保证溢流口尺寸不变情况下，对底流口尺寸进行调整，从而改变溢流口直径与底流口直径的比值，以期获得较小的空气柱体积。
根据流场初判的结果，未经过滤直接进入溢流的短路流量较大，导致了该离心过滤器分离效率较小，图8为溢流口特征点的沙粒相体积分数点图，利用式4可以计算出原型离心过滤器的分离效率为而溢流管外壁的形式和溢流管的厚度对短路流的影响较大，该原型溢流管为传统的光滑无涂层圆柱形，厚度1mm，因此极易产生大量短路流。因此，在保证溢流管内径不变的情况下，将溢流管外壁调整为渐开口锥台状，从而抑制短路流沿溢流管外壁直接进入溢流管中。
按照以上思路，如图10所示，优化后离心过滤器结构尺寸筒体直径D′＝200mm,高度H′＝200mm；入流口直径d′i＝84mm；溢流管直径d′0＝84mm，内插溢流管采用渐开口锥台形，深度h′＝120mm,锥角α＝0.2°，上壁面厚a＝1mm下壁面厚b＝3mm；底流口直径d′s＝50mm；锥体角度θ′＝20°，然后对新结构进行三维建模、网格划分，利用CFD计算工具模拟其过滤工程，对新结构与原型离心过滤器流场进行对比、分析和评价。经过反复调整、计算和分析，最终得到了将底流口的直径缩小到50mm，此时溢流管插入部分为底壁厚3mm,顶壁厚1mm空心锥台，渐开口锥台的锥角0.2°时，流场最稳定，旋流作用最为充分过滤效果相对最优。此时空气柱体积最小，轴向压力云图如图11。如图16所示在入流口、溢流口均匀选取9个特征点，点与点之间距离L＝21mm,特征点的压力值如图13、14，按照式3计算出优化后水头损失为5955.8Pa，相比于原结构节约能耗31.13％。内部流线场场如图12，短路流明显减少。溢流口特征点沙粒相体积分数如图15，此时离心过滤器的相对分离效率最高，经计算达到87.2％，相较于原结构提升了23.5％。
(4)产品成型与特性参数获取
根据(1)-(3)步，确定优化后新产品结构形式。经过反复数值模拟验证，对于水源中固体物主要为小于1mm沙相，浓度低于5％的井水，渐开口溢流管外壁能够有效的抑制短路流，此时的水头损失在5800-7000Pa，分离效率在75-90％之间，此结构参数条件下离心过滤器的过滤性能相对较优。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法，其特征在于，所述优化方法包括以下步骤：
步骤一：建立三维模型；
步骤二：进行数值模拟计算；
步骤三：内部流场分析与初判；
步骤四：结构参数优化与评价；
步骤五：产品成型与特性参数的获取。
2.根据权利要求1所述的面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法，其特征在于：所述步骤一根据选取的需要优化的离心过滤器实物模型，对离心过滤器内部流域建立等比例的所述三维模型，对所述三维模型进行网格划分，网格采用六面体非结构化网格，并对入流口、溢流口、底流口进行网格的局部加密。
3.根据权利要求2所述的面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法，其特征在于：所述步骤二进行数值模拟计算，离心过滤器内部流动简化为不可压缩的水沙两相粘性流体的高速旋转流动，满足公式(1)、公式(2a)、公式(2b)和公式(2c)的CFD计算最基本的连续方程和动量方程，对离心过滤器内部水流运动进行模拟，湍流模型选择雷诺应力模型，多相流模型选择Mixture模型，初始边界条件设置所述入流口为速度进口，所述溢流口和底流口出口为自由出流，壁面采用无滑移边界条件，计算方法采用定常的非耦合隐式算法，压力相采用二阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMPLEC算法，动量离散格式采用QUICK；计算时先使用RSM模型计算单向流，计算趋于收敛后，即残差小于10-4，引用Mixture模型加入沙相作为第二项，调整边界条件，直至残差小于10-6，计算收敛；其中公式(1)和公式(2a)、公式(2b)、公式(2c)为：
式中，ux、ux、ux分别为x、y、z方向速度分量；t为时间；ρ为密度；
式中，p为流体微元的压强；τxx、τxy、τzx为粘性应力在各方向的分量；fx、fy、fz为各方向的单位质量力。
4.根据权利要求3所述的面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法，其特征在于：所述步骤三的内部流场分析与初判包括以下内容：
①根据步骤二的数值模拟计算结果选择典型截面上的压力、速度云图和流线图，判断所述内部流场的特征缺陷以及其对过滤效果的影响，确定所述离心式过滤器原型结构的待优化点；
②根据所述离心式过滤器轴向截面上的压力云图，判断压力值是否符合由边壁向核心减小的趋势；核心区是否存在负压力区域，该区域即为空气柱区域；根据溢流管底横截面上的压力云图，判断空气柱与所述溢流口直径比是否小于
③根据过滤器内部流体的流线图，分析流体的运动轨迹，是否符合部分从所述溢流口排出，部分沉入所述底流口的基本规律；部分流体是否存在短路流；
④根据过滤器轴向截面上的轴向速度云图，分析轴向速度是否符合靠近壁面处趋向于所述底流口的趋势，核心附近趋向于所述溢流口的趋势；趋向于所述底流口的外旋流和趋向于所述溢流口的内旋流是否存在明显边界面即为零速包络面。
5.根据权利要求4所述的面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法，其特征在于：所述零速包络面将流体分为内、外旋流，内旋流区域基本呈倒锥形，锥底直径为所述溢流管直径的2-3倍。
6.根据权利要求5所述的面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法，其特征在于：所述步骤四结构参数优化与评价是根据流场初判对所述空气柱、短路流、负压区域和零速包络面尺寸的内部流场特性调整对应的结构参数，以实现流场特征缺陷的优化；
对于存在所述空气柱的离心过滤器，所述溢流口直径与所述底流口直径的比值影响内部空气柱体积，在所述溢流口尺寸不变情况下，调整所述底流口尺寸改变所述溢流口直径与所述底流口直径的比值，以获得空气柱与溢流口直径比值小于的内部空气柱体积，调整过滤水沙两相流的微灌用离心过滤器的所述溢流口直径与所述底流口直径的比值范围在1.5-1.8之间；
存在短路流的离心过滤器，内插溢流管外壁的形式和溢流管的厚度对短路流的影响较大，在保证所述溢流管内径不变的情况下，将所述内插溢流管外壁调整为渐开口锥台状，抑制所述短路流沿所述内插溢流管外壁直接进入所述溢流管中，对于所述过滤水沙两相流的微灌用离心过滤器，渐开口锥台的锥角α范围在0.01°-0.1°；
在过滤器直径确定的情况下，改变所述溢流管内径，所述零速包络面尺寸也会相应改变，过滤水沙两相流的微灌用离心过滤器调整所述溢流管内径范围在0.2-0.4D，D即为原型筒体直径；
过滤评价指标主要有水头损失ΔH和分离效率E，水头损失ΔH用入流口与溢流口压力差表征，在所述入流口和所述溢流口上均匀的选取有限个特征点，具体计算公式(3)如下：
式中：ki为所述入流口第i个特征点的静压力值；pi为所述溢流口第i个特征点的静压力值；m为所述入流口特征点的个数；n为所述溢流口特征点的个数；
分离效率用1减去溢流口沙粒相的体积分数和入流口沙粒相的体积分数比值表征，其中溢流口沙粒相的体积分数用溢流口各点沙粒相体积分数的积分得到，在所述溢流口面上均匀的选取有限个特征点，计算公式(4)为：
式中：f(x,y)为所述溢流口各点上的沙相体积分数；qi为特征点的沙相体积分数；n为特征点的个数；SD为所述溢流口面积；为入流口沙粒相的体积分数。
7.根据权利要求6所述的面向调控内部流动的离心式过滤器结构优化方法，其特征在于：所述步骤五采用计算流体力学获取特性参数，使用RSM模型，计算单项流下，测试离心式过滤器的流量和水头损失的关系，绘制优化后离心过滤器构型的压降曲线，然后，引入Mixture模型，加入固定级配沙相，在最优工作流量下，测试含沙浓度不同对分离效率的影响，根据数值模拟结果，确定分离效率较优时对应的水源含沙浓度范围型。
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