一种反冲洗过滤器剥离滤饼层的仿真方法与流程

本发明属于过滤器仿真方法技术领域，具体涉及一种反冲洗过滤器剥离滤饼层的仿真方法。

背景技术：

反冲洗过滤器是液压支架系统中的重要元件之一，但长时间使用后会在反冲洗过滤器内的滤芯上形成滤饼，从而影响过滤效果和使用寿命，因此需要对滤芯进行反冲洗去除滤饼。然而，如何在不损伤滤芯的情况下，快速有效去除滤饼是反冲洗过滤器开发研究的重点方向。在进行开发研究时，需要制作相应的过滤器结构进行试验模拟，从而得到最佳的设计参数。

但由于反冲洗过滤器内滤芯滤饼的工作状态无法观测，且用于试验所需反冲洗过滤器结构的制作工艺复杂、费用较高、修改困难。同时，滤饼是由具有不同几何外形，不同尺寸的固体颗粒沉积聚合而形成的，而且还受过滤条件的影响，故滤饼具有极其复杂的内部结构，难以用传统的几何学进行描述。

综合上述原因，导致在反冲洗过滤器开发时成本较高、设计周期长。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供了一种反冲洗过滤器剥离滤饼层的仿真方法，该方法通过给定实际参数进行仿真，根据结果实时调整冲击参数，得出剥离滤饼层合理的冲击角度和冲击速度，降低反冲洗过滤器开发成本，缩短设计周期。

为了解决上述技术问题，本发明采用的方案为：

一种反冲洗过滤器剥离滤饼层的仿真方法，包括反冲洗流场仿真和反冲洗表面形貌仿真，通过反冲洗流场仿真得出剥落滤饼的设计参数；根据反冲洗流场仿真得出的设计参数，进行反冲洗表面形貌仿真，依据仿真后的表面破坏程度和断键率，判断反冲洗流场仿真得出的设计参数是否合理。

所述反冲洗流场仿真：通过fluent进行不同角度的反冲洗流场仿真，得出最大打击压力以及与其对应的冲击速度和冲击角度。

所述反冲洗流场仿真中：通过建立反冲洗流场计算模型、划分网格、设定参数进行不同角度仿真。

利用solidworks建立反冲洗流场计算模型，输出文件至icemcfd中进行网格划分；利用icemcfd对计算域进行混合网格划分，并输出文件进行fluent求解计算。

所述反冲洗表面形貌仿真：根据fluent得出的设计参数，通过edem进行反冲洗表面形貌仿真。

所述反冲洗表面形貌仿真中：通过构建滤芯以及滤饼模型，给定参数进行反冲洗动态冲蚀，分析滤饼剥落率与粘结键断裂数。

反冲洗动态冲蚀中：过滤器内充满水，当高压水从射流孔喷出时，经水介质冲到滤饼是脉冲的，可以将射流水离散为附有水属性的球形颗粒，创建水球颗粒工厂，模拟高速水滴进行动态冲击，滤饼层受到充分的射流冲击。

构建滤芯模型：创建圆柱体做简易滤芯；构建滤饼模型：对滤饼中颗粒的凝聚机理进行简化，将构成滤饼的物料外形形态简化为球形颗粒，为物料添加hertz-mindlinwithbonding模型，在经过一定压力的压缩与充分静置之后，形成了物料颗粒之间具有粘结键的柔性面。

构成滤饼的物料颗粒包括煤和细砂岩两种球形颗粒；物料填充时，选择使用正太分布的形式形成柔性面。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

该方法模拟滤芯滤饼在实际给定参数的反冲洗动态冲蚀过程和反冲洗流场仿真，并且根据仿真结果实时调整冲击参数，得出剥离滤饼层的最佳冲击速度和角度，加快滤芯表面上的滤饼杂质脱离滤芯表面的速度，降低反冲洗过滤器开发成本，缩短设计周期。

附图说明

图1是本发明edem仿真工作流程图；

图2是本发明fluent仿真工作流程图；

图3是本发明edem仿真模型示意图；

图4是本发明edem仿真冲击表面形貌示意图；

图5是本发明不同角度对应的fluent流场仿真计算模型示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

一种反冲洗过滤器剥离滤饼层的仿真方法，包括反冲洗流场仿真和反冲洗表面形貌仿真，通过反冲洗流场仿真得出剥落滤饼的设计参数；根据反冲洗流场仿真得出的设计参数，进行反冲洗表面形貌仿真，依据仿真后的表面破坏程度和断键率，判断反冲洗流场仿真得出的设计参数是否合理。

反冲洗流场仿真：通过fluent进行不同角度的反冲洗流场仿真，得出最大打击压力以及与其对应的冲击速度和冲击角度。

水射流冲击滤芯表面黏附的滤饼杂质时，射流速度和方向均发生改变，射流束动量也随之发生改变，能量将以力的形式传递到污泥表面。滤芯表面的杂质在压力的不断作用下沉积以应力形式黏附在滤芯表面，若要去除滤芯表面的滤饼，就要克服滤饼的粘附应力。

高速射流在滤芯单位面积上所产生的剪切应力应大于滤饼的粘附应力，在此将滤饼清除的打击应力用表示，打击应力是射流作用在滤芯表面时单位面积上的作用力，也叫作轴向动压或射流打击压力，表征射流对于靶物材料的破坏能力。当打击压力大于滤饼的压力强度时，滤饼会被破坏；但是压力过高可能会对滤芯产生损伤，所以应选用适宜的射流压力，以达到最佳的清洗效果。

单位面积上的射流作用力，即射流打击力为：

式中：为乳化液的密度，kg/m3；为射流流量；为滤芯表面乳化液射流的法向速度；为乳化液射流接触面积；l为喷嘴出口到滤芯表面的垂直距离；为喷嘴的散射角；为滤芯外径；为滤芯对应的乳化液射流圆心角,弧度。

由上式可得出射流作用在滤芯上的打击压力。根据fluent仿真得出的打击压力进行edem仿真验证。打击压力是edem仿真中研究表面形貌的直接影响因素，打击压力越大，滤饼越容易剥落。

进一步，如图2所示，fluent仿真具体为：通过建立反冲洗流场计算模型、划分网格、设定参数进行不同角度仿真，从而得到滤芯表面打击压力。

具体的：利用solidworks建立反冲洗流场计算模型，输出x_t文件到网格划分软件icemcfd中对计算域进行混合网格划分，输出.msh文件进行下一步fluent求解计算。fluent仿真计算，具体包括：选择合适的湍流模型；设置边界条件；设置压力速度耦合算法及松弛因子；设定时间步长和仿真步数进行求解。

进一步的，fluent仿真中，高压射流冲洗滤芯时，滤饼杂质在多孔射流打击压力下脱离。经后处理分析，得到滤芯壁面动压力等直线图；利用origin画出滤芯表面打击压力曲线图。

根据fluent得出的设计参数（冲击角度和冲击速度），通过edem进行反冲洗表面形貌仿真。

进一步，如图1所示，edem仿真具体是指：通过构建滤芯以及滤饼模型，给定参数进行指定角度（fluent得出的冲击角度）的反冲洗动态冲蚀，分析滤饼剥落率与粘结键断裂数。

反冲洗动态冲蚀中：过滤器内充满水，当高压水从射流孔喷出时，经水介质冲到滤饼是脉冲的，可以将射流水离散为附有水属性的球形颗粒，创建水球颗粒工厂，冲击速度是在模型创建下的水球颗粒工厂里设置；模拟高速水滴进行动态冲击，滤饼层受到充分的射流冲击。

进一步的，edem仿真中滤芯-滤饼简化模型的构建，如图3所示；具体包括滤芯模型的构建和滤饼模型的构建。滤芯模型的构建，创建圆柱体做简易滤芯，本仿真方法不涉及过滤模型，所以不考虑滤芯上的滤网。

滤饼模型的构建，对滤饼中颗粒的凝聚机理进行简化，将构成滤饼的物料外形形态简化为球形颗粒，为物料添加hertz-mindlinwithbonding模型，在经过一定压力的压缩与充分静置之后，形成了物料颗粒之间具有粘结键的一种柔性面。

构成滤饼的物料颗粒包括煤和细砂岩两种球形颗粒。物料填充时，为了更接近真实的物料颗粒力学性能，选择使用正太分布的形式去形成柔性面，即形成柔性面的两种颗粒大小不一，颗粒间的bond键有三种，具体包括：煤-煤，煤-细砂岩，细砂岩-细砂岩。

离散单元法中的hertz-mindlinwithbonding接触模型是颗粒之间一种力学数值计算方法。该模型建立在两个颗粒之间存在一种将两个颗粒黏结在一起的“bond键”型黏结力的假设之上，构造与物料颗粒黏结相似的内聚球体模型。

hertz-mindlin粘接模型适合用于模拟岩石结构或者混凝土结构，其主要的功能是设置粘接时间t后，程序在运行的时候会在t时刻，把其周围的颗粒粘接起来，只有当外力大于其粘接力时，颗粒才会分开，成为单独的刚体颗粒球。模型随着时间步长的变化而变化的公式如下：

式中，a是接触区域面积，；；

是粘结半径；和是颗粒的法向刚度和切向刚度；为时步，和是颗粒的法向速度和切向速度；和分别为法向角速度和切向角速度。

当颗粒受到的外力大于上述最大正应力和切应力时，颗粒之间的粘接被破坏。

edem仿真中反冲洗动态冲蚀，高压水从射流孔喷出，在射流管固定的情况下，滤饼层受到充分的射流冲击。利用连续介质离散化，将射流水离散为附有水属性的球形颗粒，这里称为“水球”，创建水球颗粒工厂进行动态冲击。

射流打击压力是造成滤饼杂质破坏的主要因素，射流打击压力为动压与作用面的比值，滤芯面积不变，故可用滤芯表面的动压来表征滤芯的清洗效果，动压越大，清洗效果越好。

如图5所示，通过fluent对射流角度为a、b、c的模型进行仿真分析，计算2.5s后得到滤芯表面的动压等值线图，下列三幅动压等值线图采用相同的显示范围，从下列三幅图中可以看出，在射流压力为20mpa时，射流角为b时滤芯表面动压最大，清洗效果最好，故b为得出的最佳冲击角度。

如图4所示，c冲击角度与b射流角一致；c冲击角度时呈现较多凹坑、长程犁沟和唇片，断键也较明显，由此可以判定fluent得出的结果较为合理。同时，打击压力是影响表面形貌的直接因素，打击压力越大，滤饼越容易剥落。

可以根据需要进行其它角度的edem仿真，可以进一步判断。如：a、b、d为其它角度下得出的结果，因此可以看出c冲击角度较为合理。

上述射流角度为a、b、c；冲击角度a、b、c、d的具体冲击角度，可以根据试验获得，故不在此进行具体说明。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。