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低温液体过滤器结构特性数值仿真
李亚鹏，何常青，于丽君
（北京航天试验技术研究所，北京100074）
摘要:直通式金属丝网过滤器的不同锥体结构对过滤器的流阻有重要影响，利用流体有限元软件Fluent对液氢流经过滤器时的流动特性进行仿真，给出不同结构锥体的速率、压力云图，在对比分析仿真数据基础上提出合理锥体结构的设计方法。
0·引言
低温液体以其高纯度的优点，在航天、微电子、生物工程等领域得到广泛应用，航天工业建立之初就大量使用液氧、液氮等低温液体。伴随着工业技术进步，氢氧火箭发动机以其高比冲性、高环保性得到大规模发展应用，液氢同时成为航天领域又一重要低温液体。液氢在制造、运输、使用过程中都需要净化装置保证其纯度，金属丝网过滤器用于低温液体的纯化过程有独特的优越性。金属丝网过滤器是采用金属织网为过滤材质，通过多层层叠的合理搭配和电子束烧结等工艺制备而成的多孔功能材料。具有理想均匀的孔径分布及优异的流体渗透性能，机械强度高、可进行机械加工、焊接、清洗再生，尤其适用于高洁净度、高安全性的净化系统[1]。
金属丝网过滤器结构多为直通式，该结构具有制造方便、节省安装空间的优点[2]，非常适合空间受限的火箭发动机使用。锥体是直通式过滤器的主要结构，其结构的合理性对减小过滤器流阻、保证流体平稳性有重要意义。
发动机试验过程中，对燃料压力、流量、流速的稳定性有极高要求，但是目前锥体结构的设计仍停留在经验设计阶段，对锥体的锥度、锥头球面半径等关键尺寸的选用缺少理论依据，无法可靠保证燃料供应满足试验要求。本文利用流体有限元软件Fluent对液氢管路用金属丝网过滤器中不同结构尺寸的锥体进行数值仿真，分析不同结构下过滤器内的压力、流速等性能变化得出锥壳结构的合理设计方法，充分保证流经过滤器的低温燃料满足试验需求。
1·数值模型
1.1连续性方程
1.2动量守恒方程
1.3能量守恒方程
2·数值仿真
创建模型:金属丝网过滤器的详细结构如图1所示，低温液体从左端进入过滤器，经过锥头流入内外筒体间夹层，最后经金属丝网过滤后从左端流出。现取锥壳部分进行建模仿真，锥壳入口直径为26mm，外壳体直筒段的内径为50mm，小径段内直径为26mm，内筒体直筒段的外径为30mm。根据《液氢热物理属性》查得，氢在20K时的密度为72.8612Kg/m3,等压比热为651.2j/Kg-k，导热系数为0.10239w/m-k，动力黏度为1.4824e-7kg/m-s。
（1）锥度模型。首先在Gambit中分别建立锥度为30，45，60，锥头球面半径为10mm的椎体几何模型，采用Quad/Tri的映射网格划分方式，如图2所示。设置右端DN＝26mm端面为压力入口，入口压力为1.6MPa，右端内外筒间夹套为压力出口，出口压力为1.498MPa，外筒壁面为流场边界，采用程序默认设置。计算模型为双参数标准湍流能量方程。
（2）锥头球面半径模型。根据锥度仿真数据，选取最优锥度，并在Gambit中分别建立该锥度不同锥头球面半径的有限元模型，球面半径分别为内筒内径的5、10、20、30，此理例中球面半径分别为2.5mm、5mm、10mm、15mm，网格划分依然采用Tri的自由网格，如图3所示。其他设置同（1）一致。
3·仿真数据分析
3.1锥度仿真
（1）速度场分析。液氢流经不同锥度锥头时的速度云图如图4所示，从图中可知，30°锥头的出口速率为58.8m/s，略高于45°锥头的出口速率58.4m/s，明显高于60°锥头的出口速率54.6m/s，且30°锥头速度梯度较其他锥头小，驻点区域较其他锥头小，匀速区间较其他锥头大。由此可知小角度锥头流动稳定，速度冲击小，流量大，雷诺数高，仅考虑液流稳定性情况下，小锥度锥头性能优于大锥度锥头。
（2）压力场分析。锥头静压分布云图如图5所示，从图中可知，30°锥头压降小于其他锥头，虽然压力梯度高于其他锥头，但主要集中于锥头顶端，主要流动区域压力平稳，稳压区域大于其它锥头。由此可知小锥度锥头流阻小，但应力集度较高，仅考虑流体能量损失的情况下，小锥度锥头性能优于大角度锥头。
3.2球面半径分析
（1）速度场分析。液氢流经不同球面半径锥头时的速度云图如图6及图4（a）所示，从图中可知，2.5~15mm半径的椎体出口速率分别为60.5m/s、59.4m/s、58.8m/s和58.1m/s，可见球面半径越小出流速率越大，且速度梯度越小，驻点区域越小。但并非球面半径越小流动越稳定，当球面半径为2.5mm时，流道突变时低流速区域大于其他模型，说明2.5mm模型稳定流动区域小于其他模型，而球面半径过大，例如r=15mm时，由于速度梯度大，同一截面速率变化频繁，也难以形成稳定流道区域。故仅考虑液流稳定性情况下，选择球面半径为外筒内径10较合理。
（2）压力场分析。锥头静压分布云图如图7及图5（a）所示，从图中可知，球面半径越小压力梯度越小，压力稳定区域越大，但球面半径小，压力集度高，流道突变时，低压区域大于大半径锥头，局部流阻较大。故锥体流阻为锥头结构与流道综合作用的结果，只有锥头半径处于特定范围时，椎体流阻才可以达到最小值，考虑流体能量损失情况下，椎头球面半径取外筒内径10较合理。
4·结论
（1）当流体为液氢时，直通式过滤器椎体的锥角越小，过滤器流阻越小，流体稳定性越好，且流量越大。考虑到加工特性，建议取30°锥角较佳。
（2）当流体为液氢时，直通式过滤器椎体球面半径必须处于一个合理区间才能降低流阻，增大流体稳定流动区域，建议取外筒体内径的10为锥体球面半径。
[1]李娟，石玉美，汪荣顺，等.液氮过滤器的过滤和再生特性研究[J].低温工程，2007,3.
[3]王巧红，张洛明，李博.小型垂直轴风力发电机风轮流场的三维数值模拟[J].机械设计与制造，2010，4.