流道滤网微观阻力机理试验研究及应用
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DOI：10.3969/j.issn1000-4874.2010.06.005孙东坡，等：流道滤网微观阻力机理试验研究及应用 7511 引言随着国民经济快速发展和科学技术进步，我国新建电厂的装机容量越来越大，对冷却水循环系统提出了更为严格的要求。
为了满足对大流量冷却水质的要求，需要在进水流道中设置滤网来拦截水中各种污物。
水流在通过滤网时受阻碍产生局部水头损失，如果导致滤网前后水位差超过设计允许值[1]，就会严重影响循环水泵正常工作。
因此，对滤网水头损失的研究一直受到设计者的重视。
一般来说，影响滤网水头损失的因素有：网孔几何形状、滤网目数、过网水流水质以及网前断面的流速分布等。
当滤网孔眼尺度小到一定程度时，产生的滤网水头损失就会大大增加，不再满足一般的力学相似准则。
在流道水力模拟中，受几何比尺影响，往往按几何比尺换算的滤网都非常细，不能直接用来模拟实际滤网阻力。
因此如何选择模型滤网来正确模拟滤网阻力是一个经常遇到的理论难题。
不少学者从分子物理化学角度探索滤网的阻力特性。
近年来对分子微滤膜和添加滤料过滤的研究有很大的进展，如董炳直等对UF膜过滤天然原水阻力特性的研究[2]，张健峰对均质滤料过滤阻力的研究及对阻力机理的分析[3]等，但对于滤网阻力的物理特性试验研究不多。
在滤网锈蚀改变筛孔结构使局部水头损失变化方面，任玉珊的研究认为[4]：局部阻力系数会随滤网锈蚀后有效断面比的减小而增加。
对滤网物理特性的分析表明，当过网流速一定时，随着筛孔尺度的减小或堵塞率的增加，局部阻力系数会增大；当筛孔尺度或堵塞率一定时，阻力系数随通过滤网流速的增加而增大；当滤网目数或堵塞率增加到一定程度时，滤网水流阻力会急剧增长，但目前对增加的规律与机理分析较少。
孙涛则通过数值模拟研究了丝网直径对阻力性能的影响，同时利用专用风洞试验给出了二维丝网模型的阻力特性曲线[5]。
有关滤网阻力与网格密度的关系及比尺模拟问题，文献还鲜有涉及。
笔者试图在不考虑滤网自身锈蚀导致结构变化的条件下，对影响滤网阻力的网格物理特性、水的薄膜特性进行机理分析，并通过试验研究，分析流道流速、Re数和网孔尺度对滤网局部阻力的影响，探讨滤网局部阻力损失的规律，进而提出满足局部阻力损失相似的滤网模拟方法。
2滤网阻力特性分析2.1滤网阻力特性液流在通过滤网时，边界的突然改变产生了局部阻碍，绕过筛孔丝边界时会引起液流内部质点间强烈的混掺、相对运动。
因粘滞作用液流产生很大的流速梯度和对边界的剪切力，而壁面剪切力做功消耗了过网液流的部分能量，并最终以热量形式向周围发散，这就是滤网水头损失产生的本质。
边界的粗糙程度决定液流微观的分离状况和边界附近旋涡的几何尺度与运动强度，从而决定液流能量消散和阻力系数的大小[5]。
这种发生在局部范围之内的水头损失称作局部水头损失，也是一般滤网的宏观局部阻力。
大空隙率滤网阻力损失主要是滤网本身网孔结构和水流阻力特性所造成的。
而对于小空隙率滤网，由于网孔尺寸较小，在粘滞力作用下容易在网孔处形成薄膜水。
另外水中胶体物质形成的絮凝也会使小空隙率滤网的阻力大大增加[6-8]。
2.2滤网微观阻力的机理分析小空隙率滤网在运行中，受粘结力和薄膜水特性的影响会使滤网阻力发生较大的变化，称之为滤网微观阻力。
本文着重研究滤网网孔密度（筛孔目数）与局部水头损失变化的关系，以及运行中滤网上形成的薄膜水对滤网微观阻力的影响。
从实际产生滤网微观阻力的机理看，可以把滤网阻力分为薄膜阻力和阻塞杂质层阻力两部分。
2.2.1 滤网薄膜阻力分析在滤网网丝周围紧密地排列着水分子，形成吸附水膜，它包含吸着水与薄膜水。
吸着水处于近似固体的状态，在网丝表面以很高的压力(10000～20000个大气压)被吸持，其密度是自由水密度的1.5～1.8倍，它具有极大的粘滞性、弹性和抗剪强度，不能各向传压，仅能单向传压。
薄膜水的偶极体定向程度和固着程度远小于吸着水，保持薄膜水的压力为1～10个大气压，薄膜水处于粘滞-液体形态，基本上也仅能单向传压。
实际水体中往往或多或少地带有一些电解质，滤网表面束缚水会形成双电层或反离子层，甚至还会发展成多层次的复杂结构。
当网丝间薄膜水接触时，同时也产生了粘结力，水 动 力 学 研 究 与 进 展 A 辑2010年第6期752使网丝之间的相互吸引作用增强，从而使水流通过网孔相对困难。
网孔越小、网丝越细时，其比表面积愈大，表面活性愈强；当网孔小（网丝细）到一定程度时，网孔的物理化学作用可使网丝之间产生较强的相互作用，从而改变滤网的水力学特性，使滤网局部阻力相似受到很大影响。
这种薄膜阻力实质上就是所谓Vandar Walls 力，即分子粘结力。
杰列金、窦国仁都曾利用交叉石英丝试验[9]证实了粘滞力的这一问题，并给出了粘结力的关系式π2N d ϕξ= （1）式中，ϕ为动力摩擦与静力摩擦的折减系数；d 为网丝直径；ξ 是粘结力参数，它与网丝的表面性质、液体性质及网丝之间的间距有关，其量纲为[M/T 2]。
2.2.2 滤网阻塞杂质阻力变化分析随着过滤的进行，杂质阻塞是一个不断积累的过程，它进一步干扰了过网水流，增大了滤网阻力。
首先滤网网丝与水流之间通过分子间引力（即Vandar Walls 力）产生吸附，减小筛孔的过流能力，但这种不改变物质原有性质的吸附能很小；而当流道水中胶体情况达到絮凝条件时[10]，在物理吸附的同时就会在滤网上形成凝胶层，进一步减小滤网的空隙率，使滤网局部阻力出现较大增加。
基于滤网前碎片阻力计算理论，假设所有胶质都迁移至吸水池滤网区域甚至粘附在滤网表面形成一定厚度的滤饼，当水流以u e 的速度通过滤网时，阻塞杂质所产生的阻力ΔP 可以采用NUREG ／CR-2982 研究报告[11]给出的公式计算：0m n e P C t u Δ= （2）式中，P Δ为滤网滤饼阻力损失水头(ft)；fb e t V A =（ft ）为滤饼当量厚度；fb V 是阻塞杂质层的总体积；A e 是滤网有效流通面积；u e 是通过滤网的流速(ft ／s )；系数C 0 = 1080；指数m = 1.3，n = 2.0。
滤网微观阻力的形成与滤网附近水流中絮凝物质的物理化学反应有关，而物理化学反应进行到一定程度就会使阻塞杂质成为引起滤网局部阻力变化的主要因素[12,13]。
3滤网阻力试验与成果分析3.1滤网局部水头损失的计算原理不管滤网阻力的性质如何，其大小总是与水流能量损失直接相关，同时也受流态、介质特性、网孔形状及密度的影响。
对滤网的阻力规律进行试验研究，可以采用的基本物理关系式为伯努里方程22112212()22w p v p v h Z Z g gγγ=++−++ （3）式中h w 为总水头损失，Z 为位置水头，p 为压强，v 为断面平均流速，其中h w = h f + h j ，在边界条件急剧变化的局部范围内，可以忽略沿程水头损失h f ，则h w 就是局部水头损失h j 。
依据上式便有22p Z 22j v v h g gζγ==Δ±Δ（＋） （4）式中ζ为局部水头损失系数，它与滤网几何、物理特性、水流强度等因素有关。
3.2试验方案与测试内容试验在长20 m 、宽0.45 m 、高0.65 m 的矩形断面玻璃水槽（底坡i =0.001）中进行，试验滤网设置在水槽中部的均匀流段，滤网前后设置水位测针与测速断面。
试验中流量控制使用E-mag 智能电磁流量计，采用ADV 多普勒三维流速仪(NORTECK)结合八线红外线旋浆流速仪，实测滤网前流速及网后流速，并采用水位测针测量滤网前后水头差。
利用试验采集数据，结合公式（3）和（4），便可以确定滤网局部水头损失与局部水头损失系数。
基于几何相似与阻力相似要求，根据实际滤网尺寸，预选了10～120目的铜网、尼龙网、不锈钢网模拟滤网，见表1。
为了能较好的模拟原型流态，满足实验需要，对应不同空隙率、不同流速情况进行试验，拟主要分析：滤网空隙率与水头损失之间的关系；网前流速对水头损失的影响；绕流流态与水流Re 变化对滤网水头损失的影响，确定滤网阻力与各参数之间的关系；分析滤网阻力模拟的相似性，寻求不满足相似比尺关系的阈值；探讨当量阻力模拟的方法。
3.3水槽试验成果分析选取比较有代表性的10~120目筛网，进行了阻力试验，测得了流速、流量、水位、水温等水力参数。
试验主要在湍流区进行，水流雷诺数在16000~310000区间。
根据实测数据进行了局部水头损失的计算，滤网局部水头损失系数在3.13~7.0之间。
针对试验结果做了初步分析，选择有关主要结果列入表2。
孙东坡，等：流道滤网微观阻力机理试验研究及应用 753表2 不同规格滤网局部阻力损失（模型几何比尺18） 滤网目号 20 40 50 80120模型局部损失水头/cm 0.3 0.5 0.7 0.8～1.0 1.7 原型局部损失水头/cm 5.4 9.0 12.6 14.4～18.030.6 3.3.1 滤网空隙率与水头损失之间的关系滤网相对水头损失Δh/h 0，（Δh 为滤网局部水头损失，h 0为网前行进水深，下同）与孔隙率ε的对应关系见图1。
显然，滤网局部水头损失与空隙率间表现为单调减函数，但又存在明显不同的两阶段关系。
当空隙率大于0.56时，水头损失与空隙率之间的单调减函数变化梯度非常平缓，两者间呈现幂函数变化关系 7.57800.0008h h ε−Δ= （5）当空隙率小于0.55以后，水头损失与空隙率之间的单调减函数变化的梯度增大，两者间呈现二次函数变化关系219.05 4.09520.85h h εεΔ=−− （6）这反映了滤网孔隙率小于某阈值时，由于过细的网丝、过小的网格就会使滤网薄膜阻力迅速起作用，导致滤网水头损失急剧增大。
图1 不同尺寸的滤网空隙率与局部水头损失关系3.3.2 流速与滤网水头损失之间的关系 滤网水头损失与行进流速呈单调增函数关系，见图2。
这里只选择了3类空隙率的滤网。
同时由图可以看出，滤网水头损失随流速增而的增加的梯图2 不同尺寸的滤网局部水头损失与网前流速关系度与空隙率呈反变关系：即空隙率越小，水头损失随流速增大而增加的梯度越大。
例如空隙率ε=0.49时，水头损失随流速增大而增加的梯度最大。
滤网水头损失与流速水头的关系可以用幂函数表示，20.9472.398()j h v g =⋅ （7）空隙率ε=0.57时，水头损失的增加梯度明显较小，滤网水头损失与行进流速的关系可用二次函数表示，2()j h v g αβ=+ （8）式中α、β分别为孔隙率有关的系数。
而ε=0.51时h j 的变化梯度介乎两者之间，也近似可用二次函数表示。
α、β值都与孔隙率呈反变关系，见表3。
表3 不同孔隙率时的“Δh ~v ”关系参数 孔隙率εα β 0.51 3.093 0.0005 0.57 1.1627 0.0003 3.3.3 雷诺数与滤网水头损失之间的关系 滤网水头损失与雷诺数的关系有着和流速类似的特点：如图3所示水头损失随着雷诺数的增加而增加，同样也体现了滤网水头损失增加梯度与空隙率间的反变关系。
