张贤彬 杨德武 鹿 野

(1. 大连欧科力德环境技术有限公司；2. 沈阳化工大学机械工程学院)

符号说明

n——坐标点上激光捕捉的粒子数，个；

r——示踪粒子所在之处的回转半径，其取值范围R1

R1——过滤介质内圆筒外半径，m；

R2——外圆筒内半径，m；

t——时间，s；

μ——液体的动力粘度，Pa·s；

ρ——液体的密度，kg/m3；

τ——切应力，N。

滤清器被广泛地应用在各个工业领域中。近年来，学者们开始研究各类滤清器，如汽车空气滤清器滤芯用过滤材料在使用前后的结构变化和杂质颗粒对其性能的影响[1]；改变滤清器中滤纸的形状和叠放方式来提高滤清器的过滤精度等[2，3]。目前所使用的滤清器都是仅靠过滤介质进行过滤的，因此，易形成滤饼，致使过滤速度衰减，从而降低滤清器的使用寿命。

水力旋流器靠压力或重力由壳体上部沿切线进入，在离心力作用下，粗重颗粒物质被抛向器壁并旋转向下和所形成的浓液同时排出[4]；较小的颗粒物质旋转到一定程度后随二次上旋涡流排出。随着水力旋流器在工程实践中的广泛应用，旋流器的流动状态被重视，流场理论也被逐渐提出[5，6]，有研究证明，湍流作用对水力旋流器颗粒运动行为有一定影响，且影响作用也相当复杂[7]，但是其过滤精度并不高。

笔者针对滤清器和水力旋流器的缺陷，设计了旋流滤清器，利用LDA(Laser Doppler Anemometer)测定旋流滤清器内的湍流特性分布情况。

1 旋流滤清器的结构和工作原理

为解决目前滤清器中存在的各种技术问题和不足，笔者设计制造出具有旋流特性的新型滤清器，其结构如图1所示。

旋流滤清器的工作原理是：带压悬浮液切向进入由外筒体和过滤介质内筒组成的旋流滤清分离室，形成高速旋转流，其中密度大于液体的杂质颗粒(重相杂质)被旋转分离到外筒体内壁处；液体和密度小于等于液体的杂质(轻相杂质)向过滤介质内筒体处移动，而轻相杂质被过滤介质内筒体截留，液体通过过滤介质内筒体，实现澄清过滤分离；被截留在过滤介质内筒体表面的杂质受旋流剪切力的作用脱落，并在轴向流的推动下，运动到排渣口。其中重相杂质脱落外筒体的锥体部位处，在重力作用下流到排渣阀处，达到一定高度的轻、重相杂质自动排出。根据需要改变悬浮液的进料压力等条件可实现各种悬浮液的有效澄清过滤分离。

图1 旋流滤清器的结构简图

2 流场测试及方法

旋流滤清器流场测试装置简图如图2所示。实验介质为水，示踪粒子为丹麦DANTEC公司生产的平均粒径30μm的中空玻璃珠。实验采用旋流滤清器(外圆筒半径为45mm，过滤介质内筒半径为30mm，通过进口的介质在内、外筒之间的环形分离室内旋流)，测量高度40mm，进料流量为0.04kg/s。

图2 旋流滤清器流场测试装置简图

选用孔径为10μm 的刚性过滤介质，在压力为0.10、0.14、0.16MPa 3种工况下对旋流滤清器旋流滤清分离室内的流场进行测试。

为了能较好地反映旋流滤清器中的三维流场，必须对旋流滤清器的一个截面进行测定，如图3所示，设置d点为测量原点，测定瞬时速度沿x、y和z方向的变化，3个阴影面为旋流滤清器的子午面。子午面能最大限度地反映旋流分离室的径向速度、轴向速度和切向速度，把3个子午面结合起来分析，就能近似得到整个旋流滤清分离室的流场。

图3 旋流滤清器流场测试子午截面示意图

3 实验结果及讨论

湍流运动时，空间给定点上的瞬时速度随时间不断变化，瞬时速度由时均速度和脉动速度组成[4]。为了分析旋流滤清器内的湍动规律，对从实验测得瞬时速度u、v、w进行分析计算的公式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

公式(1)～(4)从不同角度反应了流点的湍动情况。使用LDA测出的瞬时速度-时间序列计算公式为：

(5)

(6)

当用时间平均的概念来处理湍流流动时，切应力应该由两部分组成，即牛顿粘滞切应力和湍流附加切应力[5]，即：

(7)

在湍流状态下，当Re很大时，由于流体质点的混掺强烈，动量交换也很强烈，所以式(7)的第二项就急剧增大，从而可以忽略粘滞切应力，即该点的切应力就可以用湍流附加切应力来表示。

3.1 瞬时速度的时间序列

图4 瞬时速度时间序列

3.2 脉动速度的分布

从图5a可以看出，x向的脉动速度沿着半径的增大先增大再减小，然后在较长的一段距离保持稳定，最后再增大，在不同的截面，其变化趋势大体相似，靠近过滤介质的一侧，在滤清器的上、下方位置，脉动速度最小；在其中间位置，x向的脉动速度达到最大，则在滤清器内靠近过滤介质的中间位置速度脉动最强烈。图5b为y向脉动速度在半径上的变化分布，可以看出，y向脉动随半径的增大而增大，近似呈抛物线分布，随着高度的增加，y向脉动速度反而减小。图5c为z向脉动速度在半径上的分布图，可以看出，z向脉动速度随着半径的增大先增大后减小然后再增大，并随高度的增加而减小。

图5 三向脉动速度沿半径方向的分布

对比图5a、b、c可以看出，三向脉动速度的变化趋势不尽相同。在x向上，脉动速度不单调外，其余两个方向近似单调递增，则可以证实在x向上脉动速度变化复杂。而又从式(7)可以看出，x向脉动速度的存在是在过滤介质表面产生切应力的一个重要因素之一，这将对保持过滤速度的恒定具有重要的意义。在y向上，靠近过滤介质的附近也存在脉动速度，这对过滤将是有益的。

3.3 湍动度的分布

图6a为x向(即切向)湍动度在半径上的分布，它反映了x方向上的流点的湍流变化，在靠近过滤介质时，湍动度最大，而湍动度越大，则在该位置越不容易形成滤饼，减小对过滤介质孔隙的堵塞，从而保证了过滤速度不衰减；图6b为y向湍动度沿半径的变化规律，由图6b可以看出，y向湍动度在靠近过滤介质时湍动度较x向湍动度小，这是由于过滤介质的渗透作用，在过滤介质两侧压差的作用下，液体向过滤介质内部运动所致，而本旋流滤清器采用的是烧结金属的过滤介质，过滤介质中有的孔隙是盲孔，导致液体在此孔隙不能通过，液体在盲孔的阻挡作用下，与盲孔发生碰撞向后运动，而后面的液体又向前运动，此时两个方向运动的液体发生动量交换，产生较大的湍动度，有的孔隙是通孔，液体与孔壁发生碰撞引起液体的动量发生变化，进而引起过滤介质表面液体的动量发生变化，但是它的变化量小，大部分液体还是透过通孔，达到过滤的目的，因此在靠近过滤介质时，不同截面的y向湍动度不同；图6c为z向湍动度沿半径的分布，从图6c可以看出，在靠近过滤介质时，z向的湍动度比其他两向小，其主要原因是液体在z向动量交换较少，而在靠近旋流滤清器的外圆筒的内壁的湍动能达到最大，这主要是因为液体进入旋流室后进行自旋转，示踪粒子受到液体自旋转产生的离心力的作用下，向器壁运动，并以螺旋流的形式向下运动，故在靠近器壁的湍动度最大。

图6 三向湍动度沿半径方向的分布

3.4 Re对脉动速度和湍动度的影响

图7 脉动速度和湍动度随Re的分布

3.5 切应力的分布

图8为切应力沿半径的分布图，由图8可以看出，切应力随半径的增大先减小后增大。在靠近过滤介质时，切应力逐渐增大，因此在过滤介质有切应力的存在，滤饼在过滤介质的表面就不容易形成，从而保证了悬浮液的过滤速度不衰减。

图8 切应力沿半径方向的分布

4 结束语

介绍了一种悬浮液能自旋转的新型滤清器。在旋流室中，靠近过滤介质存在脉动速度，这种脉动速度能产生切应力，降低了滤饼在过滤介质表面存在的机会，可以使过滤速度不衰减，延长了旋流滤清器的使用寿命。整个流场内，靠近过滤介质侧的湍动度高，在这些区域，流体质点之间动量不断地发生相互交换，可以有效地减少滤饼的形成，对过滤速度的恒定起到了强化作用。改变液体的雷诺数可以有效地改变旋流滤清器的湍动状态。在过滤介质一侧，具有较大的切应力，它是对减少滤饼存在，保证过滤速度恒定的首要条件。

[1] 冯建永，张建春，张华，等.汽车空气滤清器过滤用材料的结构与性能及其新产品研发[J].纺织学报，2013，34(6)：58～66.

[2] 于洪亮，宋玉超，彭紫阳，等.新滑油滤清器的设计与试验[J].大连海事大学学报，2006，32(1)：30～33.

[3] Sumimoto M，Kimura I，Azuma T.Engine Maintenance System to Ensure Starting of Emergency Diesel Engines by Semipermanent Use of Lubricating Oil and without Waste Oil[J].Journal of the JIME，2005，40(3)：103～108．

[4] Rietema K.Performance and Design of Hydrocyclone IV: Design of Hydrocyclone[J].Chemical Engineering Science，1961，15(3/4)：320～325.

[5] Dyakowski T，Hornung G，Williams R A.Simulation of Non-newtonian Flow in a Hydrocylone[J].Chemical Engineering Research and Design，1994，72(A4)：513～520.

[6] Dyakowski T，Williams R A. Measurement of Particle Velocity Distribution in a Vertical Channel[J].Power Technology，1993，77(2)：135～142.

[7] 陈佳祁，李世厚.湍流对水力旋流器内颗粒运动行为影响的数值模拟研究[J].矿冶，2013，2(2)：94～97.