基于多孔介质模型的折波式液氧过滤器压降仿真分析

纪晶晶，黄玲艳，刘海飞，唐 强

（北京航天发射技术研究所，北京，100006）

0 引 言

液氧过滤器是液氧加注系统的重要组成部分，其功能是去除液氧介质中的固体杂质，满足低温动力系统或加注系统设备对低温介质的洁净度要求。过滤器的可靠性和流通性，直接关系到进箭推进剂的品质。

目前液氧过滤器采用斜插式结构。流体从过滤器进口管流入，依次通过过滤器滤芯、内骨架再从过滤器出口管流出。滤网是决定过滤器流通性和滤过性的关键部件网，可有效阻挡固体杂质。常规使用的滤芯为单层滤网结构。单层滤网滤芯具有结构简单、成本低、生产周期短等优点，但使用过程中也存在相关缺陷：a）单层滤网与骨架的装配工艺复杂、焊接工序繁琐，滤芯焊接处易破损[1]；b）单层滤网的流通面积低，且承压能力弱。当系统多余物较多，滤网出现严重堵塞时，流阻增大，会引起滤网前后压降增加，极易压溃、损坏滤网，导致多余物进入介质，无法保证其品质及相关设备的安全。

针对现有单层滤芯滤网的缺点，本研究提出将液氧过滤器滤芯的单层滤网改进为多层折波式滤网，并在滤网两侧加以外骨架、内骨架支撑，可以有效提高滤网的承压能力。同时，由于滤网形式的改变、骨架的增加，改进后过滤器及滤芯的流阻（压降）特性、内部流动规律也会随之改变[2]。掌握过滤器元件的流动，对加注系统运行的稳定性和可靠性至关重要。为了深入评价过滤器改进后的压降特性的变化情况，以DN100液氧过滤器（过滤精度63 μm）为例，本研究首先通过流阻试验进行了压降测量，并提出了基于多孔介质模型的过滤器高精度流阻仿真计算模型，为后续过滤器滤芯的优化和改进奠定了理论基础，为加注系统的安全性和可靠性提供保障。

1 研究方法

1.1 滤网改进方案

为提高滤芯的承压能力，根据现有过滤器使用情况，将单层滤网改成多层折波式结构[3]。单层滤网的网孔直径为63 μm，孔隙率为37.4%。改进后的多层折波滤网的中间层为过滤层，网孔直径为 63 μm，孔隙率为 37.4%。孔隙率指开孔面积百分比。在过滤层两侧加以保护层，其网孔直径为280 μm，孔隙率为44.4%。滤网的网孔直径、孔隙率等技术参数如表1所示。

表1 单层、多层滤网主要参数Tab.1 Geometry Parameters of Strainers

将多层滤网平铺，折波后卷筒，形成承压能力较强的折波式滤芯，其三维结构及实物如图1所示。为了增加滤芯的强度和刚度，滤网两侧采用骨架支撑，并在内骨架里侧增加了衬环。内、外骨架采用不锈钢板卷焊。装配时，先进行内骨架、滤网组件与压环装配，并用氩弧焊焊接两端端面焊缝，使三者熔为一体，然后再与端部和法兰焊接[4,5]。

图1 改进后过滤器滤芯结构及实物（不含外骨架）Fig.1 Improved Filter with Three Folded Strainers

1.2 流阻试验

通过常温流阻试验，对改进后的DN100液氧过滤器（折波网滤芯）进行进出口压差测量，得到其压降特性[6]。试验系统主要由贮箱、过滤器、泵、阀门、管路、试验工装和测控系统组成，如图2所示。

图2 试验系统Fig.2 Test Rig for the Hydraulic Resistance Measurment

该试验系统主要用于低温加注系统设备如过滤器、阀门等的流阻性能测试，同时可应用于常规加注系统设备流阻性能测试。试验系统采用洁净水作为试验介质，其温度控制在5～40 ℃，水中氯离子含量不超过0.005%。泵为试验系统提供流体的流动动能。为满足系统流量要求，系统设置3台卧式离心水泵并联供液。3台泵的流量分别为150 m3/h、150 m3/h、322 m3/h，扬程分别为44 m、44 m、38 m，试验过程中可通过不同泵的组合实现流量调节。系统流量通过电动调节阀调节，调节阀采用等百分比特性，流量调节阀前设有分流管路及分流球阀以备小流量调节时辅助调节。系统预留备用流量调节支路接口法兰，当最小调节流量不满足需求时，可接入一个小调节阀进行调节。

本试验中，为了在60～600 m3/h的流量范围进行精确测量，系统设置DN200和DN80两个流量计对管路流量进行测量。同时在泵的出口设置有温度和压力传感器，在过滤器前后测试工艺管路上设置有压差传感器，以监测管路温度和压力等参数。为了模拟堵塞状态下的滤网，本试验采用塑料薄膜包覆滤网的方法，定量等效被堵塞部分滤网，测量过滤器在不同堵塞面积下的压降特性。

试验系统中所使用的流量、温度、压力、压差传感器均具备现场显示和远传功能，以方便现场读数和后端测控采集。

1.3 数值计算

过滤器内部流动结构复杂，包含弯管、开孔骨架、滤芯等造成压降的部件。对于弯管、开孔骨架等均可采用常规计算流体力学方法，将其流体域进行网格划分、迭代计算。但滤芯部分并非常规流体域，其内部孔隙尺寸极小、数量极多，不能进行通常的流场计算，必须建立模型模化内部流动参数，本研究中基于多孔介质模型进行了过滤器压降特性的计算。

1.3.1 多孔介质计算模型

多孔介质是指内部含有众多空隙的固体材料，其内部是由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构。孔洞的边界或表面由支柱或平板构成，孔道纵横交错，互相贯通。多孔介质通常具有10%～60%的孔隙率，孔径1～100 μm。由无数金属丝纵横交错而成的滤网也是一种典型的多孔介质结构。因此，本研究采用多孔介质模型来模化计算滤芯区域的水力参数、评估其压降特性[7,8]。

本研究在 ANSYS-CFX中开展相关计算。结合N-S方程与达西定律，多孔介质模型构建了以经验假设为主的流动阻力模型，即在动量方程上叠加动量损失源项。源项由两部分组成，包括粘性损失项和惯性损失。

1856年法国水利工程师达西对水通过均匀砂层的缓慢流动做了大量试验，发现如下规律：

式中 Q为体积流量；A为横截面积； h1- h2为测压管的压降；L为水流过的砂层长度；k为渗透系数，是标志着多孔介质渗透能力大小的常数。

在与NS结合计算时，使用流场中的压力梯度代替水力坡度J，故达西定律变为

式中 μ为动力粘度。

多孔介质的孔隙率γ是影响渗透系数K的重要因素，是决定损失和压降的关键。一个点处的体积孔隙率γ是指该点附近的一个无穷小的控制单元内允许流体流动的体积 V '与物理体积V之比，即：

基于多孔介质模型对滤芯部分的模化，本研究进而开展了改进前、后过滤器流体域的模型构建、网格划分和数值求解。

1.3.2 计算流体域及网格划分

首先，按照DN100液氧过滤器的壳体及滤芯结构，在NX UG软件中，对过滤器的进出口、内外骨架、滤芯等部件进行三维建模，并提取、构建氧氮流经过滤器的流体域模型。

改进前过滤器流体域如图 3所示。流体流经过滤器时，由进口管段进入，流经滤芯（单层过滤网）、骨架，最终由出口管段流出。进出口管段均为DN100管径；骨架为开孔结构，滤芯为单层滤网，包覆于骨架之外，起到过滤作用。单层滤网厚度为 0.04 mm，过滤精度为63 μm，孔隙率为37.4%。

图3 改进前的单层滤网过滤器流体域Fig.3 Simulated Fluid Domain with Single Strainer

数值计算时，区别于进、出口管段内的流体域，滤芯部分为多孔介质域。因此，模型构建时，滤芯区域须单独划分，并在进口段与滤网之间、滤网与骨架之间分别设置交界面，进行流场数据交换。

改进后过滤器流体域如图 4所示。流体流经过滤器时，由进口管段进入，流经内骨架、滤芯（多层折波过滤网）、外骨架，最终由出口管段流出。改进后的滤芯两侧由内、外骨架支撑；滤芯为多层折波滤网，置于内、外骨架之间。滤芯总厚度5 mm。

图4 试验测得的改进后过滤器压降特性曲线Fig.4 Measured Pressure Difference Cureve against Flow Rates

由图4可见，改进后过滤器进出口的压差随流量的增大而增大，压差随堵塞面积的增大而增大，相对于滤网无堵塞，滤网堵塞20%、40%、60%流通面积时，过滤器进出口的压差增加的并不明显，但滤网堵塞80%、95%流通面积时，过滤器进出口压差显著增加。当流量为3 m3/min、滤网无堵塞时，过滤器进出口压差为126.2 kPa，而当滤网堵塞60%时，过滤器进出口压差为141.8 kPa；当滤网堵塞95%，而流量在1 m3/min时，过滤器进出口压差即急剧增大至148.6 kPa。

1.4 数值计算结果

为验证数值模拟的计算精度，将压降的数值模拟结果与试验测量结果进行比较，如图5所示，过滤器2代表改进后的过滤器。

图5 数值计算的压降特性曲线Fig.5 Simulated Pressure Difference Cureve against Flow Rates

改进后的过滤器含有多层孔隙率属性不同的滤网，且以折波的形式组成环形置于内外骨架内部，因此其滤芯的整体孔隙率无法确定。计算时，首先采用中间过滤层滤网的孔隙率 37.4%进行计算。与试验结果相比，较为吻合，但数值模拟计算的压降值比试验结果略低。考虑到折波滤芯中3层滤网的实际孔隙率分别为 44.4%、37.4%、44.4%，由于滤网开孔存在重叠相错，不可能保持完全重合，导致了3层折波滤网的通过性有所降低。在数值计算中将孔隙率调整为21%，数值模拟计算的压降值与试验结果极为吻合，这说明该计算中采用的数值计算方法、多孔介质模型、孔隙率参数等，可以准确地预报过滤器的压降特性。

2 改进前后压降特性变化

在验证了多孔介质计算模型的有效性之后，按照试验流量，对改进前过滤器1和改进后过滤器2分别进行正向、反向的多流量工况计算，以得到过滤器随流量变化的压降特性曲线，见图6、图7。

图6为正向压降特性曲线。图6a为流体通过过滤器产生的整体压降特性曲线。随着流量的增加，过滤器1和过滤器2的整体压降均不断增加，且过滤器2产生的压降大于过滤器 1。改进后的过滤器 2压降增加，主要来源于骨架及滤芯。进一步分析滤芯部分的局部压降，如图6b所示。过滤器1为单层过滤网，过滤器2为多层折波滤网，滤芯的抗压强度提高，但其水力阻力及压降也明显增加。

图6 改进前后过滤器、滤芯的压降特性曲线Fig.6 Simulated Pressure Difference Cureve against Flow Rates

图7 为反向压降特性曲线。图7a为过滤器的整体压降特性曲线，图7b为滤芯的局部压降特性曲线。反向压降特性曲线与正向特性曲线的变化规律相同；过滤器2、滤芯2产生的压降均高于过滤器1、滤芯1。

图7 改进前后过滤器、滤芯的压降特性曲线Fig.7 Simulated Pressure Difference Cureve against Flow Rates

为更好地定量比较改进后过滤器压降特性变化，计算得到的改进前后过滤器整体压降、滤芯局部压降如表2所示，计算滤芯部分局部压降在整体压降中的占比如表3所示。

表2 改进前后过滤器、滤芯压降统计Tab.2 Simulation Settings and Boundary Conditions

表3 改进前后滤芯压降占比Tab.3 Simulation Settings and Boundary Conditions

正向流动时，最大流量180 m3/h工况下，过滤器1整体压降为62.51 kPa，其中，滤芯部分压降为5.03 kPa，占比8.05%；过滤器2整体压降为120.48 kPa，其中，滤芯部分压降为37.54 kPa，占比31.16%，高于改进前，该变化趋势与试验结果吻合。

反向流动时，最大流量60 m3/h工况下，过滤器1整体压降为6.32 kPa，其中，滤芯部分压降为0.48 kPa，占比7.59%；过滤器2整体压降为13.72 kPa，其中，滤芯部分压降为3.96 kPa，占比28.89%。

3 结 论

本研究采用多孔介质模型、高精度多块网格划分技术对改进前后液氧过滤器及滤芯的压降特性进行了数值计算，研究结果表明：

a）正向流动时，流量180 m3/h工况下，改进后过滤器进出口压降为 120.48 kPa，试验测得的压降值为118.2 kPa，数值计算结果与试验结果吻合很好，数值计算可以准确地预报过滤器压降特性；

b）改进后过滤器2压降高于改进前过滤器1，且二者压降均随流量增加而增大；

c）正向流动时，改进前过滤器1中滤芯部分平均压降为2.16 kPa，占整体压降的比值均值为8.34%；改进过滤器2滤芯部分压降为15.72 kPa，占整体压降的比值为30.83%，明显高于改进前；

d）改进后的骨架开孔均匀、细密，提高了导流能力，但也提高了局部阻力损失，使得压降增加。