阿力甫江·阿不里米提，虎膽·吐馬爾白，木拉提·玉賽音，木克然·阿娃

?

微灌魚雷網(wǎng)式過濾器全流場數(shù)值模擬

阿力甫江·阿不里米提1,2,3，虎膽·吐馬爾白1※，木拉提·玉賽音1,3，木克然·阿娃3

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2. 新疆水利水電學(xué)校，烏魯木齊 830013； 3. 新疆鑫水現(xiàn)代水利工程有限公司，烏魯木齊 830019）

為了充分了解魚雷網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場分布規(guī)律，該文應(yīng)用雷諾時均（Reynolds- Averaged Navier-Stokes，RANS）方程及RNG-湍流模型，對過濾器內(nèi)部全流場進(jìn)行全流場數(shù)值模擬。結(jié)果表明：魚雷部件和出水口邊界條件對該過濾器的速度流場和壓力場分布規(guī)律影響很大，魚雷部件的影響是尤為突出；濾網(wǎng)及其內(nèi)、外側(cè)的水流流速沿軸的變化規(guī)律分流速迅速增加、流速迅速減小和流速緩慢減小3個階段；濾網(wǎng)內(nèi)外壓力分布有很大的的差異，濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)壓力沿軸分布從迅速增加到緩慢減小、最后趨于穩(wěn)定。而濾網(wǎng)外側(cè)壓力分布沿軸的變化很大，特別是在出水口處壓力迅速減少，壓力沿軸的波動幅度較大。濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)壓力比外側(cè)的大，兩者的壓力差沿軸越來越小，最大壓力差為23 kPa左右，最小壓力差為0.5 kPa。研究結(jié)果認(rèn)為整個濾網(wǎng)堵塞不均勻，濾網(wǎng)堵塞呈現(xiàn)從尾部開始向出水口方向發(fā)展的趨勢，對后續(xù)濾網(wǎng)的沖洗排污產(chǎn)生重要影響。該文建議在設(shè)定最佳排污壓差時需要慎重考慮。

流場；流速；壓力；魚雷網(wǎng)式過濾器；數(shù)值模擬；湍流模型

0 引 言

隨著微灌技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各種類型過濾系統(tǒng)的研制開發(fā)得到迅速發(fā)展[1-4]，而且由此而來的科研成果在提高灌溉水的利用效率和灌水器均勻度方面起到了極其重要的作用。國內(nèi)外諸多學(xué)者對過濾器優(yōu)化選型與配置[5-7]、實(shí)際應(yīng)用[8-13]、水力性能等[14-19]方面進(jìn)行了廣泛研究。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的日益成熟，對各種過濾器內(nèi)部流場分析成為可能[20-25]。魚雷網(wǎng)式過濾器作為一種新型網(wǎng)式過濾器，在新疆滴灌系統(tǒng)中正在被推廣應(yīng)用。從實(shí)際應(yīng)用的效果來看，它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、節(jié)能減排、過濾時間長等優(yōu)點(diǎn)。目前關(guān)于該過濾器的研究尚處于起步階段，阿力甫江等[26-27]利用數(shù)值模擬的方法對不同出水口位置的流速變化進(jìn)行分析；但在數(shù)值模擬過程中對過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化處理，得到的結(jié)果與實(shí)際情況有較大的差別。過濾器運(yùn)行時罐體封閉，其內(nèi)部流場特性不能通過物理試驗做深入研究，同時由于魚雷部件的存在，使得過濾器內(nèi)部流場變得復(fù)雜，僅通過物理試驗很難揭示其流場分布特性。因此，本文開展魚雷網(wǎng)式過濾器過濾過程中的清水流場模擬，通過全流場的數(shù)值模擬方法全面認(rèn)識其水流結(jié)構(gòu)及特性。擬為該過濾器后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及水力性能研究工作奠定基礎(chǔ)。

1 試驗方法

1.1 過濾器結(jié)構(gòu)與工作原理

魚雷網(wǎng)式過濾器（由于核心部件的形狀與水中兵器魚雷類似，因此而取名）是在傳統(tǒng)網(wǎng)式過濾器的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種新型網(wǎng)式過濾器[28-30]。全自動魚雷網(wǎng)式?jīng)_洗過濾器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其運(yùn)行狀態(tài)包括過濾和自動沖洗2個過程。過濾過程：具有一定含沙量的灌溉水由進(jìn)水口1進(jìn)入濾網(wǎng)室，魚雷部件是靜態(tài)水力裝置，使水流均勻撥開，水流與魚雷形成一定角度切向流入濾網(wǎng)5內(nèi)腔，水流由里往外通過濾網(wǎng)，過濾水經(jīng)底下出水口13流出；同時水流通過魚雷尾部的污物流入孔7進(jìn)入魚雷內(nèi)部，由魚雷頭部的清水流出孔14流出，部分泥沙留在魚雷內(nèi)部，有利于延長過濾時間。沖洗過程：隨著泥沙積聚在濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)表面，將會使濾網(wǎng)內(nèi)外側(cè)間產(chǎn)生壓差，當(dāng)壓差達(dá)到預(yù)設(shè)壓差值時，控制器4自動開啟排污閥10則水流通向大氣進(jìn)行排污，并依靠過濾器內(nèi)外很大的壓差和魚雷部件擠壓空間引起的較大流速共同作用沖刷濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)并將污物排出。同時魚雷內(nèi)部的水流從魚雷尾部的污物流入孔7流出，從而帶走魚雷內(nèi)部的部分泥沙。排污的同時不間斷地向微灌系統(tǒng)供水，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的排污時間時，排污閥自動關(guān)閉，沖洗結(jié)束，過濾器再次進(jìn)入正常過濾運(yùn)行狀態(tài)。

1.進(jìn)水口 2.進(jìn)水口壓力表 3. 過濾器殼體（筒體） 4. 自動沖洗控制器 5. 濾網(wǎng) 6. 魚雷 7.污物流入孔 8.自動排污閥進(jìn)水口壓力表 9. 自動排污閥出水口壓力表 10. 自動排污閥 11.蓋座 12. 出水口壓力表 13. 出水口 14. 清水流出孔

1.2 試驗材料

物理模型清水試驗裝置由蓄水池、攪拌池、攪拌電機(jī)、進(jìn)水管、回水管、排污管，前過濾器、測試過濾器、沖洗控制器及檢測設(shè)備組成，如圖2所示。

1.蓄水池 2.攪拌池 3.攪拌電機(jī) 4.球閥 5.離心泵 6. 蝶閥7.壓力表 8.流量計 9.測試過濾器 10.自動沖洗控制器 11. 回水管 12.排污管 13.進(jìn)水管 14.排污球閥 15.前過濾器 16.自動排污閥

測試過濾器前端設(shè)置有前過濾器，主要目的是保證向測試過濾器提供清潔水。魚雷網(wǎng)式過濾器由罐體、濾網(wǎng)、魚雷、自動控制器等主要部分組成，其核心部件為魚雷，立體圖見圖1b和1c。該過濾器的關(guān)鍵參數(shù)包括罐體長度1.031 m，直徑0.254 m；濾網(wǎng)長度0.961 m，直徑為0.2 m；進(jìn)、出口直徑均為0.2 m；魚雷長度1.031 m，直徑0.154 m；排污口直徑0.05 m。濾網(wǎng)目數(shù)為0.178 mm（80目），孔隙率0.33，孔直徑0.212 17 mm，絲徑為 0.116 2 mm。

1.3 試驗方法

試驗在清水條件下進(jìn)行，過濾器的額定設(shè)計流量為300 m3/h；從360 m3/h開始以30 m3/h為梯度逐步使進(jìn)水口流量降到240 m3/h。進(jìn)水流量調(diào)節(jié)至穩(wěn)定后，讀取對應(yīng)流量下的過濾器進(jìn)出口壓力數(shù)值，并計算出對應(yīng)流量的水頭損失，根據(jù)所得結(jié)果得出過濾器流量-水頭損失關(guān)系曲線。

2 數(shù)值計算方法

2.1 控制方程

數(shù)值模擬控制方程用雷諾時均方程（Reynolds- Averaged Navier-Stokes，RANS）方程及用RNG湍流模型描述如下：

式中u、u是、方向的流速，m/s；x是坐標(biāo)，為時間，s；是密度，kg/m3；為流體壓力，N/m2；μ為渦黏性系數(shù)，m2/s，μ=C·k2/；為單位質(zhì)量流體的湍流波動能量，m2/s2；為單位質(zhì)量流體的湍流波動率，m3/s3；G湍流動能平均速度梯度產(chǎn)出項；為雷諾應(yīng)力，N/m2；其中：

式中為克羅奈克數(shù)；μ=μ+μ；為流體黏性系數(shù)，m2/s；式（3）～式（6）中各項經(jīng)驗常數(shù)取值為C=0.084 5，C2=1.68；σ=σ=1.393，，其中，，0=4.377，= 0.012。濾網(wǎng)用多孔介質(zhì)階躍模型來模擬，多孔介質(zhì)相關(guān)參數(shù)表達(dá)式如下：

式中為滲透率，m2；1為阻力系數(shù)，m-2；2為慣性損失系數(shù)，m-1；為濾網(wǎng)孔直徑，mm；為孔隙率，%。根據(jù)物理試驗中采用的濾網(wǎng)參數(shù)，即濾網(wǎng)孔直徑= 0.212 7 mm，孔隙率0.33，絲徑0.116 2 mm，根據(jù)給定的參數(shù)值，可計算得到=6.63×10-11m2，1=1.508× 1010m-2，2=137 711 m-1。

2.2 網(wǎng)格劃分及計算方法

為減少數(shù)值模擬的計算工作量和保證計算精度，對過濾器的計算網(wǎng)格進(jìn)行了優(yōu)化。將過濾器的網(wǎng)格進(jìn)行分塊劃分，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)見圖3。除了魚雷頭部和末端及出水口段采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格外，其余部分采用了六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為227 354個，網(wǎng)格尺寸3~10 mm。研究的計算區(qū)域和控制方程的離散均采用有限體積法。壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，差分格式采用精度更高的二階迎風(fēng)格式。殘差標(biāo)準(zhǔn)為1×10-3，迭代時間步長為0.000 1s。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

2.3 邊界條件

過濾器罐體內(nèi)壁采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理，過濾器進(jìn)口設(shè)為流速進(jìn)口，該設(shè)備的水流方向與軸正向一致，故可設(shè)置進(jìn)口邊界條件為=u，=0，=0x為魚雷網(wǎng)式過濾器的進(jìn)水口斷面平均流速，在300 m3/h時u=2.654 m/s。出口設(shè)為壓力出口，設(shè)定的壓力值與試驗出口壓力一致，即出口壓力出=179 000 Pa。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

通過試驗得到不同流量下進(jìn)出口壓力降關(guān)系，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 試驗與模擬結(jié)果對比

表1為物理試驗與數(shù)值模擬結(jié)果的水頭損失對比情況，二者相對誤差最大為5.99%，小于10%。根據(jù)所得結(jié)果繪制出過濾器流量-水頭損失關(guān)系曲線（如圖4所示）。試驗結(jié)果和模擬結(jié)果的指數(shù)相差不大（0.02），擬合公式中的系數(shù)相差0.000 01。計算結(jié)果和物理試驗結(jié)果基本吻合，說明所選模型及參數(shù)合理。

圖4 魚雷網(wǎng)式過濾器模擬水頭損失和實(shí)測水頭損失對比

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 過濾過程數(shù)值模擬

圖5為過濾器不同平面平均速度矢量圖。由圖5可以看出，水流從進(jìn)水管處均勻地流向魚雷網(wǎng)式過濾器中，當(dāng)水流流經(jīng)魚雷頭部時，水流速度分布特性發(fā)生了改變，水流從魚雷頭部的下半部分流入下濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)，通過濾網(wǎng)孔進(jìn)行過濾，而魚雷頭部的上半部分水流則進(jìn)入上濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)進(jìn)行過濾。當(dāng)突然遇到出水口邊界時，流速分布發(fā)生了巨大的變化，水流由沿軸正向運(yùn)動快速轉(zhuǎn)變?yōu)檠爻鏊苡覀?cè)斜向下運(yùn)動，從而造成出水管左側(cè)的部分區(qū)域產(chǎn)生旋渦。流速由進(jìn)水口的2～3 m/s增大為4～5 m/s,這主要是因為水流進(jìn)入罐體后過水面積突然縮小而產(chǎn)生流速激增。水流沿著濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)向下游流動過程中流速逐漸減小，并在末端形成低流速區(qū)。另外，水流通過濾網(wǎng)后做反向運(yùn)動，由于水流受到濾網(wǎng)的阻力作用，使得水流通過濾網(wǎng)后流速下降；并在過濾器上部（=0.2～0.4 m）濾網(wǎng)外側(cè)有旋轉(zhuǎn)摻混，最后在出水口匯集。

圖5 流速矢量分布

圖6為過濾器不同平面壓力分布圖。從圖6可知進(jìn)水管的壓力大于出水管的壓力。因罐體中濾網(wǎng)和魚雷的存在，以及出水口邊界條件的影響，當(dāng)水流從進(jìn)水管流動至出水管處時，會發(fā)生局部水頭損失和沿程水頭損失，故當(dāng)位置水頭和流速水頭一定時，進(jìn)水管的壓力大于出水管壓力；另外在=0.2～0.4 m處時，濾網(wǎng)上部的內(nèi)、外壓差較大，水流以很大的速度流動并經(jīng)過濾網(wǎng)孔，從而造成濾網(wǎng)內(nèi)、外壓差較大，但=0.4 m以后上濾網(wǎng)的內(nèi)、外壓差較小，分布較均勻；=0.2～0.6 m處時，濾網(wǎng)下部內(nèi)、外壓差較大，且影響范圍很大。這是因為水流從魚雷頭部的下半部分進(jìn)入濾網(wǎng)，并經(jīng)過濾網(wǎng)孔，且在=0.4～0.6 m處存在出水口邊界，故濾網(wǎng)內(nèi)、外壓差較大，影響范圍大，而到=0.6 m處以后，下濾網(wǎng)的內(nèi)、外壓差較小，分布較均勻。

圖6 不同斷面壓力分布

3.2.2 魚雷部件內(nèi)部流速分析

魚雷作為魚雷網(wǎng)式過濾器核心部件，其內(nèi)部設(shè)計為空心。在其末端設(shè)有8個直徑為20 mm的圓孔，在其頭部設(shè)有4個直徑為10 mm圓孔。圖7為魚雷內(nèi)部水流平均流速矢量圖。從圖7中可以看出，當(dāng)過濾器開始工作時，水流從魚雷尾部的小孔進(jìn)入魚雷內(nèi)部，從魚雷頭部的小孔流出。水流在魚雷內(nèi)部摻混、流速減小，魚雷內(nèi)部的流速值為-1～1 m/s?？梢钥闯鏊械哪嗌愁w粒隨著水流進(jìn)入魚雷內(nèi)部，并在魚雷內(nèi)部沉淀。這使得濾網(wǎng)內(nèi)部水流中含沙量減少，也就是說魚雷起到過濾泥沙的作用，從而延長過濾時間。

圖7 魚雷內(nèi)部速度矢量分布

Fig.7 Velocity vector distribution of interior torpedo

3.2.3 流速及壓力模擬分析

圖8表示水流流速沿軸的變化曲線。

圖8 水流流速沿X軸的變化曲線

從圖8a中可得出2點(diǎn)：1）濾網(wǎng)上部內(nèi)側(cè)及外側(cè)的水流流速沿軸的變化分3個階段：①流速迅速增加階段。濾網(wǎng)上部內(nèi)側(cè)及外側(cè)的水流流速都是沿軸迅速增加，但增加幅度不一樣，出現(xiàn)流速最大值及其在軸的位置有所差別。如濾網(wǎng)上部內(nèi)側(cè)的增加幅度大于濾網(wǎng)上部外側(cè)，濾網(wǎng)上部內(nèi)側(cè)=0.29 m處水流流速最大，流速最大值為5.53 m/s；濾網(wǎng)上部外側(cè)=0.33 m處水流流速最大，流速最大值卻為3.9 m/s。由于罐體中魚雷的存在，過水?dāng)嗝婷娣e突然由大變小，造成濾網(wǎng)上部內(nèi)、外側(cè)速度迅速上升。②流速迅速減小階段。濾網(wǎng)上部內(nèi)側(cè)在=0.3～0.60 m處流速沿軸迅速減?。粸V網(wǎng)上部外側(cè)在=0.3～0.55 m也沿軸迅速減小，但減小幅度不如濾網(wǎng)上部內(nèi)側(cè)。③流速緩慢減小階段。濾網(wǎng)上部內(nèi)側(cè)和外側(cè)流速分別在=0.60～1.2 m、=0.55～1.2 m處沿軸緩慢減小，減小幅度相差不大。2）當(dāng)=0.2～0.6 m時，濾網(wǎng)上部內(nèi)側(cè)的水流流速比外側(cè)水流流速大，但兩者的流速差卻沿軸越來越小，兩者的最大流速差為4.1 m/s；當(dāng)=0.6～1.2 m時，濾網(wǎng)上部內(nèi)、外側(cè)的水流流速相同，流速差幾乎為0。從圖8b中可得出以下2點(diǎn)：1）濾網(wǎng)下部內(nèi)、外側(cè)的水流流速沿軸的變化和濾網(wǎng)上部一樣也包含3個階段，但因出水口邊界條件（=0.4～0.6 m）的影響，水流流速最大值發(fā)生的位置、最大流速值及流速的波動頻率同濾網(wǎng)上部有所不同，尤其是濾網(wǎng)外側(cè)，如濾網(wǎng)外側(cè)的流速最大值發(fā)生在=0.42 m處，為5.4 m/s；2）=0.41～0.51 m時，濾網(wǎng)下部外側(cè)流速大于內(nèi)側(cè)，因通過濾網(wǎng)孔的所有水流最終要匯集到出水管的出水口處，從而加大了該處的水流流速值，而其他區(qū)域范圍濾網(wǎng)下部內(nèi)側(cè)流速大于外側(cè)；同濾網(wǎng)上部一樣，其內(nèi)、外流速相差很大，最大流速差為2.28 m/s。

綜上，過濾器過濾過程中，濾網(wǎng)內(nèi)、外側(cè)的水流流速沿軸方向分布都不均勻，如魚雷尾部件附近的濾網(wǎng)，其內(nèi)、外側(cè)流速相差較小，故水的滲透率較小。由于魚雷部件的加入，使得濾網(wǎng)內(nèi)部分成2個高速區(qū)域（=0.2～0.6 m）和低速區(qū)域（=0.8～1.2 m）。當(dāng)灌溉水進(jìn)入過濾器后，在高速區(qū)域沿方向的流速很大，使得水中泥沙污物不能停留在濾網(wǎng)表面，而是把水中泥沙推向過濾器尾部，最后沉淀在低速區(qū)域。使得整個濾網(wǎng)堵塞不均勻，出水口附近的高速區(qū)域（=0.2～0.6 m）不易堵塞，過濾器的堵塞首先從過濾器尾部靠近排污口開始。只要發(fā)展到出水口附近才會出現(xiàn)壓力差變大，由于過濾器清洗是以進(jìn)出口壓力差為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷的，因此選擇最佳清洗壓差需要深入研究。

圖9表示壓力沿軸的變化曲線。

圖9 壓力沿X軸的變化曲線

從圖9a中可得出2點(diǎn)：1）濾網(wǎng)上部內(nèi)側(cè)及外側(cè)的壓力沿軸變化有所不同，尤其是魚雷頭部位置（0.2～0.28 m）。濾網(wǎng)上部外側(cè)的壓力沿軸先緩慢增加，當(dāng)增加至204 kPa（=0.86 m處）趨于穩(wěn)定；濾網(wǎng)上部內(nèi)側(cè)壓 力沿軸在=0.26～0.33 m時迅速增加，而在=0.33～0.55 m時緩慢減小，減小至205 kPa，壓力在=0.55～ 1.2 m處雖有一些波動的，但基本趨于穩(wěn)定。2）濾網(wǎng)上部內(nèi)側(cè)壓力比外側(cè)的大，但兩者的壓力差沿軸越來越小，兩者的最大壓力差為17 kPa左右，最小壓差為0.5 kPa。從圖9b中可得出以下2點(diǎn)：1）濾網(wǎng)下部內(nèi)側(cè)和外側(cè)的壓力沿軸變化規(guī)律及波動程度同濾網(wǎng)上部有所不同，除了受魚雷頭部影響外，出水口邊界條件（= 0.40～0.60 m）對濾網(wǎng)下部的壓力沿軸分布影響較大。如濾網(wǎng)下部外側(cè)，其壓力沿軸的變化可分為4個階段，即①=0.2～0.35 m時，為壓力緩慢增加階段；②= 0.36～0.55 m時，為壓力減小階段；③=0.55～0.62 m時，為壓力迅速增加階段；④=0.62～1.2 m時，為壓力穩(wěn)定階段?？梢?，魚雷和出水口邊界對濾網(wǎng)下部及其內(nèi)、外側(cè)的壓力沿軸的變化影響很大，同時說明壓力沿軸的波動幅度較大。2）濾網(wǎng)下部內(nèi)側(cè)壓力比外側(cè)的大，但兩者的壓力差沿軸越來越小，兩者的最大壓力差為23 kPa左右，最小壓差為0.5 kPa。

綜上，濾網(wǎng)內(nèi)、外側(cè)的壓力沿軸方向分布都不均勻，這會導(dǎo)致濾網(wǎng)內(nèi)、外側(cè)壓力差變大，尤其是在濾網(wǎng)下部出水口附近濾網(wǎng)內(nèi)外側(cè)壓差很大，容易造成濾網(wǎng)變形，以及比濾網(wǎng)孔大粒徑的污物進(jìn)入管路系統(tǒng)，從而堵塞灌水器。因此，很有必要選用優(yōu)質(zhì)鋼絲編制濾網(wǎng)，對過濾器濾網(wǎng)及時沖洗，并且確定最優(yōu)排污壓差。

4 結(jié)論與討論

本文對魚雷網(wǎng)式過濾器內(nèi)的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要得到以下結(jié)論：

1）水流從進(jìn)水管進(jìn)入魚雷網(wǎng)式過濾器并流出出水管的運(yùn)動狀態(tài)，指出魚雷、出水口邊界條件對該過濾器的速度流場和壓力場分布規(guī)律影響很大。尤其是魚雷部件的影響是尤為突出，其不僅改變了過濾器內(nèi)部流場分布，而且還起到吸收泥沙的作用。

2）濾網(wǎng)及其內(nèi)、外側(cè)的水流流速沿軸的變化包含3個階段：①流速迅速增加階段；②流速迅速減小階段；③流速緩慢減小階段。因魚雷的存在，以及出水口邊界條件的影響，濾網(wǎng)上部及其內(nèi)、外側(cè)的水流流速和壓力沿軸的變化規(guī)律與濾網(wǎng)下部及其內(nèi)、外側(cè)不同。

3）濾網(wǎng)內(nèi)外壓場分布有很大的的差異，濾網(wǎng)內(nèi)外壓差在濾網(wǎng)進(jìn)口很大，然后緩慢減小。兩者的最大壓力差為23 kPa左右，最小壓差為0.5 kPa；

4）由于魚雷部件的使用，使得過濾器內(nèi)進(jìn)水口附近的水流始終處于高速狀態(tài)，但在尾部排污口附近形成低速區(qū)。得出整個濾網(wǎng)堵塞不均勻，過濾器的堵塞首先從濾網(wǎng)末端開始并向出水口方向發(fā)展，對后續(xù)濾網(wǎng)的沖洗排污產(chǎn)生重要影響，建議設(shè)置最佳排污壓差值時需要慎重考慮；另外在出水口附近濾網(wǎng)內(nèi)外側(cè)壓差很大，從而容易造成濾網(wǎng)變形、破壞；故降低魚雷網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)內(nèi)、外側(cè)的壓力差需要進(jìn)一步的深入研究。

[1] 楊萬龍，宋世良. 疊片式自動反沖洗過濾器的研制[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2005(1)：115－117.

[2] 王棟，薛瑞清. 滴灌用水動活塞疊片式自動過濾裝置的研制[J]. 節(jié)水灌溉，2010(3)：15－18.Wang Dong, Xue Ruiqing. Study on terrace automatic filter equipment with piston driven by water for drip irrigation[J]. Water Saving Irrigation, 2010(3): 15－18. (in Chinese with English abstract)

[3] 王燕燕. 自清洗疊片過濾器的設(shè)計與研究[D]. 北京：北京化工大學(xué)，2010. Wang Yanyan. Design and Research of Self-cleaning Discs-type Filter[D]. Beijing: Beijing University of Chemical Technology, 2010. (in Chinese with English abstract)

[4] 劉煥芳. 自動清洗網(wǎng)式過濾器：中國，ZL200920164576. 6[P]. 2010-09-01.

[5] 王新坤，許穎，涂琴. 微灌系統(tǒng)過濾裝置優(yōu)化選型與配置[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(10)：160－163. Wang Xinkun, Xu Ying, Tu Qin. Optimal selection and collocation of filter unit in micro-irrigation system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(10): 160－163. (in Chinese with English abstract)

[6] 楊曉軍，劉飛，吳玉秀，等. 新疆農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)首部過濾設(shè)備選型探討[J].中國農(nóng)村水利水電，2014(5)：76－80. Yang Xiaojun, Liufei, Wu Yuxiu, et al. A discuss on the first part filtration equipment selection in Xinjiang Agricultural water-saving irrigation system[J]. China Rural Water and Hydropower, 2014(5): 76－80. (in Chinese with English abstract)

[7] 劉飛，劉煥芳，宗全利，等. 新型自清洗網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2010，(10)：18-21. Liu Fei, Liu Huanfang, Zong Quanli, et al.Research on the new type self-cleaning screen filter’s structural optimization[J]. China Rural Water and Hydropower, 2010, (10): 18－21. (in Chinese with English abstract)

[8] 鄭鐵剛，劉煥芳，宗全利. 微灌用過濾器過濾性能分析及應(yīng)用選型研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報，2008(3)：36－45. Zheng Tiegang, Liu Huanfang, Zong Quanli. Analysis and research for the filtering quality and type-selecting of emitter in micro-irrigation[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering. 2008(3): 36－45. (in Chinese with English abstract)

[9] 于旭永，劉煥芳，宗全利，等.自吸式全自動網(wǎng)式過濾器運(yùn)行中存在問題及解決措施[J].節(jié)水灌溉，2013(8)：51－53.

Yu Xuyong , Liu Huanfang, Zong Quanli, et al. Problems of solutions of the operation of self-cleaning screen filter[J]. Water Saving Irrigation,2013(8): 51－53. (in Chinese with English abstract)

[10] 張力，張凱，張杰武. 新型滴灌系統(tǒng)及附屬設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2013(4)：61－63.

[11] 宗全利，劉飛，劉煥芳，等. 大田滴灌自清洗網(wǎng)式過濾器的水頭損失試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(16)：86－92.

Zong Quanli, Liu Fei, Liu Huanfang, et al. Experiments on water head losses of self-cleaning screen filter for drip irrigation in field [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(16): 86－92. (in Chinese with English abstract)

[12] 張娟娟，徐建新，黃修橋，等.國內(nèi)微灌用疊片過濾器研究現(xiàn)狀綜述[J].節(jié)水灌溉, 2015(3)：59－6.

Zhang Juanjuan, Xu Jianxin, Huang Xiuqiao, et al. Research status and development trend of disc filter in micro-irrigation[J].Water Saving Irrigation, 2015(3):59－65. (in Chinese with English abstract)

[13] 宗全利，劉煥芳，鄭鐵剛，等.微灌用網(wǎng)式新型自清洗過濾器的設(shè)計與試驗研究[J]. 灌溉排水學(xué)報，2010，29(1)： 78－82.

Zong Quanli, Liu Huanfang, Zheng Tiegang, et al. The design and experimental study on new net self cleaning filter for micro-Irrigation[J].Journal of Irrigation and Drainage, 2010, 29(1): 78－82. (in Chinese with English abstract)

[14] 劉煥芳，劉飛，谷趁趁，等. 自清洗網(wǎng)式過濾器水力性能試驗[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報，2012，30(2)：203－208. Liu Huanfang, Liu Fei, Gu Chenchen, et al. Experiment on hydraulic performance of self-cleaning screen filter [J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2012, 30(2): 203－208. (in Chinese with English abstract)

[15] Yurdem H, Demir V, Degirmencioglu A. Development of a mathematical model to predict head losses from disc filters in drip irrigation systems using dimensional analysis[J]. Biosystems Engineering, 2008, 100(1): 14－23.

[16] Mailaphlli D R, Marques P A A, Thomas K J. Performance evaluation of hydrocyclone fiter of micro irrigation [J]. Engineering Agricultural, Jaboticabal, 2007, 27(2): 373－382.

[17] Duran-Ros M, Arbat G, Barragan J, et al. Assessment of head loss equations developed with dimensional analysis for microirrigation filters using effluents[J]. Biosystems Engineering, 2010(106): 521－526.

[18] Capra A, Scicolone B. Assessing dripper clogging and filtering performance using municipal wastewater[J]. Irrigation and Drainage, 2005(54): S71－S79.

[19] Duran-Ros M, Puig-Brgues J, Arbat G, et al. Performance and backwashing efficiency of disc and screen filters in micro irrigation systems[J]. Biosystem Engineering, 2009(103): 35－42.

[20] 王新坤，高世凱，夏立平，等. 微灌用網(wǎng)式過濾器數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 灌排機(jī)械工程學(xué)報，2013，31(8)： 719－723. Wang Xinkun, Gao Shikai, Xia Liping, et al. Numerical simulation and structural optimizationof screen filter in micro-irrigation[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering, 2013, 31(8): 719－723. (in Chinese with English abstract)

[21] 王棟蕾，宗全利，劉建軍. 微灌用自清洗網(wǎng)式過濾器自清洗結(jié)構(gòu)流場分析與優(yōu)化研究[J]. 節(jié)水灌溉，2011(12)：5－8. Wang Donglei, Zong Quanli, Liu Jianjun. Flow analysis and structure optimization of self-cleaning nets filter for micro-irrigation[J]. Water Saving Irrigation, 2011(12): 5－8. (in Chinese with English abstract)

[22] 宗全利，鄭鐵剛，劉煥芳，等. 滴灌自清洗網(wǎng)式過濾器全流場數(shù)值模擬與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013, 29(16): 57－63. Zong Quanli, Zheng Tiegang, Liu Huanfang, et al. Numerical simulation and analysis on whole flow field for drip self-cleaning screen filter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(16): 57－65. (in Chinese with English abstract)

[23] 王志斌，陳文梅，褚良銀，等. 旋流分離器中固體顆粒隨機(jī)軌道的數(shù)值模擬及分離特性分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報，2006，42(6)：34－39. Wang Zhibin, Chen Wenmei, Chu Liangyin, et al. Numerical simulation of particale motion trajectory in a hydrocyclone using a stochastic trajectory model[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(6): 34－39. (in Chinese with English abstract)

[24] Dai GQ, Li JM, Chen WD. Numerical prediction of the liquid flow within a hydrocyclone[J]. Chemical Engineering Journal, 1999, 74: 217－227.

[25] 劉新陽. 微灌用水力旋流器內(nèi)水沙兩相湍流數(shù)值模擬[D]. 武漢大學(xué)，2009. Liu Xinyang. Numerical Simulation of Water and Sediment Two-phase Flow in Hydrocyclone for Micro-irrigation[D]. Wuhan: Wuhan University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[26] 阿力甫江·阿不里米提，虎膽·吐馬爾白，馬合木江·艾合買提，等. 直沖洗魚雷網(wǎng)式過濾器內(nèi)流場的數(shù)值模擬[J]. 節(jié)水灌溉，2014(10)：6－10. Alipujiang A, Hudan T, Mahemujiang A, et al. Numerical simulation of flow field in torpedo filer[J]. Water Saving Irrigation, 2014(10): 6－10. (in Chinese with English abstract)

[27] 阿力甫江·阿不里米提，陶鴻飛，馬英杰，等. 不同出水口位置下全自動魚雷網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬[J]. 灌溉排水學(xué)報，2015，34(12)：47－51. Alipujiang A, Tao hongfei, Ma yingjie, et al. Numerical simulation of internal flow field in automatic screen filter with torpedo under different outlet positions[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2015, 34(12): 47－51. (in Chinese with English abstract)

[28] 阿力甫江. 阿不里米提. 8寸魚雷除砂網(wǎng)式全自動沖洗過濾器：中國，CN201310567875.5[P]. 2015-05-27.

[29] 阿力甫江. 阿不里米提. 6寸魚雷除砂網(wǎng)式全自動沖洗過濾器：中國，CN201310567509.X[P]. 2015-05-27.

[30] 阿力甫江. 阿不里米提. 5寸魚雷除砂網(wǎng)式全自動沖洗過濾器：中國，CN201410755532.6[P]. 2015-04-22.

Numerical simulation on flow field of screen filter with torpedo in micro-irrigation

Alifujiang·Abulimiti1,2,3, Hudan·Tumaerbai1※, Mulati·Yusaiyin1,3, Mukeran·Awa3

(1830052; 2.8300133.830019)

In order to deeply understand the flow distribution of the torpedo screen filter, the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equation and Re-Normalization Group (RNG)turbulence closure model were used to simulate the flow field of this filter system. To ensure the reliability of the numerical simulation, the physical experiment results were compared to the numerical simulation results, and the result showed that the maximum relative error between the head loss in the physical experiment and the numerical simulation was 5.99% when the filtering system was operated at a maximum flow rate of 360 m3/h, indicating reliability of the simulation method. The simulation results showed that the torpedo components and the boundary conditions of the outlet notably affected the distribution rules of both the velocity and the pressure fields for the filter, especially for the torpedo components. The distributions of the flow velocities of inside and outside of the screen along the-axis were not uniform during the filtering process. And the flow velocity distributions inside and outside of the filter screen along the-axis were divided into 3 stages: 1) a rapid increase; 2) a rapid decrease; and 3) a gradual decrease. The maximum velocities inside and outside of the screen and their spatial locations along the-axis were different. For the upper part of the screen, the inside flow velocity increased in a larger amplitude than did the outside flow velocity, and the flow velocity achieved its maximum (5.53 m/s) at thevalue of 0.29 m. The outside water flow velocity of the upper part of the screen achieved its maximum value (3.9 m/s) at thevalue of 0.33 m. When thevalue ranged from 0.2 to 0.6 m, the inside flow velocity of the upper part of the screen was larger than that of the outside; however, the difference in the flow velocity along the-axis continually decreased from the maximum difference of 4.1 m/s. For the lower part of the screen, the maximum flow velocity and its position of lower part of the screen was 5.4 m/s and 0.42 m, respectively. When thevalue was 0.41-0.51 m, the flow velocity of the water in the outside area of the lower part of the screen was larger than that of water in the inside area. Nonetheless, the flow velocities of water in the other inside of lower screen were higher than those of water in the outside, and the maximum difference in the flow velocity was 2.28 m/s. There was a notable difference in the pressure distributions along the inside and outside of the screen. The pressure of the inside along the-axis first rapidly increased, then gradually decreased, and finally stabilized. In contrast, the pressure of the outside along the-axis exhibited a greater variation; for example, the pressure rapidly decreases at the outlet, and the fluctuations along theaxis are relatively large. The pressure of the inside of the screen was larger than that of the outside; however, the pressure differences along the-axis continually decreased, and the maximum and minimum pressure differences between the two were approximately 23 and 0.5 kPa, respectively. This indicated that the screen clogging was not evenly distributed, and the screen clogging began at the downstream end of the screen and developed progressively upstream towards the outlet. This phenomenon significantly affected the cleaning process of the filter. Therefore, it is strongly suggested that in a practical application the optimum drainage differential pressure must be circumspectly considered.

flow fields; flow velocity; pressure; torpedo screen filter; numerical simulation; turbulence model

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.014

S277.9+5

A

1002-6819(2017)-03-0107-06

2016-07-14

2016-10-10

國家自然科學(xué)基金資助項目“大規(guī)模滴灌條件下棉田土壤鹽分積累過程與排鹽模式研究”（51469033）（2015-2018）

阿力甫江·阿不里米提，男（維吾爾族），博士生，主要從事高效節(jié)水與水鹽運(yùn)移理論研究。烏魯木齊 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，830052。Email：2414655347@qq.com。

虎膽·吐馬爾白，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事高效節(jié)水與水鹽運(yùn)移理論研究。烏魯木齊 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院。830052。Email：hudant@hotmail.com。

阿力甫江·阿不里米提，虎膽·吐馬爾白，木拉提·玉賽音，木克然·阿娃. 微灌魚雷網(wǎng)式過濾器全流場數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(3)：107－112. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.014 http://www.tcsae.org

Alifujiang·Abulimiti, Hudan·Tumaerbai, Mulati·Yusaiyin, Mukeran·Awa.Numerical simulation on flow field of screen filter with torpedo in micro-irrigation [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 107－112. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.014 http://www.tcsae.org