金属丝网结构参数对流体流动与压降影响的数值研究

《Fluids》：Numerical Investigation of Fluid Flow and Pressure Drop Through Metal Screens with Varying Structural Parameters

　　

本文采用基于有限体积法（FVM）和格子玻尔兹曼方法（LBM）的三维数值方法，研究了流体流经金属丝网的流动与压降问题。所采用的数值方法针对平纹方孔（Plain Square）、全斜纹（Full Twill）和平纹荷兰织（Plain Dutch）三种金属丝网成功进行了验证与交叉校核，在宽雷诺数范围内与实验数据的最大偏差为16.0%。研究人员对20种不同编织类型和几何参数的金属丝网在雷诺数范围0.01 ≤ ReAr ≤ 100内开展了参数化模拟。对于平纹方孔和全斜纹丝网，获得了压损以及压力和粘性剪切力对总阻力的相对贡献的广义关系式。无量纲压损系数的关联式相对于数值模拟结果的最大偏差，全斜纹为21.0%，平纹方孔为23.6%。

论文解读文章

研究背景与意义

金属丝网作为过滤器和相分离器，广泛应用于化学工业、医药和航天工程等领域。在配备液体火箭发动机的航天器中，从推进剂流中去除气体对于防止泵内气蚀和确保系统可靠运行至关重要。金属丝网过滤器因其微小孔径可形成毛细屏障，能在超过临界压降（即泡点压力）前阻止气体进入获取装置。影响相分离器压降的主要因素包括水力损失、体积力和结构元件动力学，而在微重力条件下的航天器贮箱中，水力压降尤为重要。

尽管已有如Armour和Cannon提出的经典理论模型以及大量实验研究，但现有理论和经验关联式在预测不同编织类型金属丝网的压降时存在显著误差，偏差可达数十个百分点。数值模拟（CFD）方法虽然能够提供更精确的预测，但此前的研究缺乏对不同编织类型和几何参数的系统性对比与通用关联式的建立。因此，开展系统的数值研究以获得适用于多种金属丝网的通用压降关联式，具有重要的理论价值和工程应用意义。

研究方法概述

本研究采用两种主要的数值方法求解不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程：一是基于非结构化网格的有限体积法（FVM），在LOGOS软件包中实现，采用cut-cell方法生成网格，使用SIMPLE算法进行压力-速度耦合；二是基于GPU加速的格子玻尔兹曼方法（LBM），采用D3Q19速度模型和中心矩碰撞算子（C-MRT）。此外，还使用了基于笛卡尔网格和边界层理论的CADFlo软件包进行辅助验证。计算域为一个矩形平行六面体，其横截面内放置金属丝网的一个周期单元，入口施加均匀速度场，出口为自由流出条件，侧壁为周期性边界，丝网表面为无滑移壁面条件。几何模型在T-FLEX CAD中构建，通过扫描线径创建实体模型，并在丝接触点添加倒角以模拟紧密接触。

研究结果

4.2 平纹方孔金属丝网

针对编号325×2300的平纹方孔丝网（案例1，数据源自Cady的实验），在雷诺数Re_dw范围为2.6至855内进行了模拟。FVM方法在整个Re范围内的平均偏差为7.3%（低Re段）和10.0%（高Re段），最大偏差为16.0%。LBM和基于边界层的FVM在低Re段的平均偏差分别为12.0%和6.0%。网格收敛性研究表明，中等网格的网格收敛指数（GCI）值较小，证明所选离散参数的充分性。

4.3 全斜纹金属丝网

针对TW300全斜纹丝网（案例2，数据源自Yoshida等人），在Re_dw范围为0.42至13.00内进行了计算。FVM和基于边界层的方法与实验数据的平均偏差均为5.0%，最大偏差为7.0%。LBM结果与实验数据的最大偏差为15.0%，与FVM结果的偏差为11.0%，其较大的不确定性与其11.5%的GCI值一致，因此作为定性交叉验证。

4.4 平纹荷兰织金属丝网

针对平纹荷兰织丝网（案例3，数据源自Yoshida等人），在Re_dw范围为1.46至14.6内进行了模拟。FVM结果与实验数据的平均偏差为10.0%，最大偏差为13.0%。值得注意的是，Yoshida等人的模拟结果显著低于其实验数据约37.0%。LBM结果与FVM的最大偏差为18.0%，同样作为定性交叉验证。

5 结果与讨论

研究人员对表2所列的20种工业金属丝网样品进行了参数化模拟，确定了压损系数f_Ar与基于孔径的雷诺数Re_Ar的函数关系。在高雷诺数下，流动伴随强烈的涡旋脱落，需进行时间平均以获得稳定均值。例如，全斜纹丝网0040在Re_Ar=100时，Q准则等值面显示复杂的涡结构，且随时间波动明显。

对于所有20种平纹方孔和全斜纹丝网，研究人员获得了压力和摩擦阻力占总阻力比例的通用关联式：F_press/F_total = 0.63 + 0.074·log(Re_Ar) + 0.073·[log(Re_Ar)]2，该式与模拟数据的最大偏差为7.0%。结果表明，在低Re_Ar下，摩擦力和压力贡献分别约占35%和65%；随着Re_Ar增大，摩擦力贡献降至10%以下。

对于全斜纹丝网，压损系数的关联式为：f_Ar = 10.72/Re_Ar + 0.56，最大偏差21.0%，平均偏差9.4%。对于平纹方孔丝网，关联式为：f_Ar = 12.77/Re_Ar + 0.52，最大偏差23.6%，平均偏差9.2%。这些关联式是针对特定编织类型分别拟合的，其系数与Armour和Cannon的通用关联式存在差异，后者对所有编织类型使用单一系数集。Cady针对平纹方孔的关联式在粘性主导的低Re_Ar区域与本研究公式吻合良好。

结论总结

本研究采用基于有限体积法（FVM）和格子玻尔兹曼方法（LBM）的数值方法，研究了不同编织类型金属丝网在不同入口流速下的流体流动与压降。针对平纹方孔、全斜纹和平纹荷兰织三种基准案例进行了交叉验证和确认，数值结果与实验数据的最大偏差为16.0%。

研究人员对20种不同编织类型和几何参数的金属丝网配置在Re_Ar范围为0.01至100内进行了参数化模拟。对于平纹方孔和全斜纹丝网，建立了描述压力和粘性剪切力对总阻力相对贡献的通用关联式，与数值模拟结果的最大偏差为7.0%。针对相同编织类型，获得了无量纲压损系数f_Ar随Re_Ar变化的编织特异性关联式，其中全斜纹丝网的最大偏差为21.0%，平纹方孔丝网的最大偏差为23.6%。