楊培嶺 周 洋 任樹梅 馬子萱

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

滴灌具有節(jié)水效果好，灌水質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[1]，是目前常用的灌溉技術(shù)。灌水器作為滴灌系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其尺寸微小，易被水中雜質(zhì)堵塞[2-3]。過濾器過濾水源，是減少灌水器堵塞的關(guān)鍵設(shè)備。砂石過濾器濾層具有三維立體孔隙，因此對(duì)絲狀、棒狀雜質(zhì)具有良好的攔截作用[4]。CAPRA等[5]和張文正等[6]研究發(fā)現(xiàn)砂石過濾器的過濾和防堵塞效果較好，常作為一級(jí)過濾設(shè)備。篩網(wǎng)過濾器過濾效果好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于拆卸和清洗[7]，但由于利用簡(jiǎn)單的機(jī)械篩分原理僅能對(duì)粒徑大于網(wǎng)孔的雜質(zhì)進(jìn)行過濾，常作為二級(jí)過濾設(shè)備。

在實(shí)際應(yīng)用中，常將砂石過濾器和篩網(wǎng)過濾器聯(lián)合布置在灌溉首部。但二者需要管道連接，勢(shì)必增大占地面積、增大水頭損失，而水頭損失等水力性能是國(guó)內(nèi)外學(xué)者在過濾器研究方面關(guān)注的重點(diǎn)[8-9]。由此，一些學(xué)者開始研究不同類型過濾器的組合形式[10-11]，但這些研究都因缺乏對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析而缺少理論支撐。

過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部流場(chǎng)可視化困難，但隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)近年來的迅速發(fā)展，服務(wù)于流體工程領(lǐng)域已成為可能[12]。CFD因其節(jié)省資源和運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于過濾系統(tǒng)的數(shù)值模擬[13-17]。本文擬利用數(shù)值模擬的方法分析砂石-篩網(wǎng)組合過濾器內(nèi)部流場(chǎng)，優(yōu)化布置結(jié)構(gòu)，為兩級(jí)組合一體式過濾器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 砂石過濾器與篩網(wǎng)過濾器結(jié)構(gòu)及原理

本文主要研究對(duì)象是節(jié)水灌溉系統(tǒng)首部的兩級(jí)過濾系統(tǒng)，因此涉及到一級(jí)過濾裝置——砂石過濾器和二級(jí)過濾裝置——篩網(wǎng)過濾器，兩者的具體工作原理如下[18-19]：

砂石過濾器是一種介質(zhì)過濾器，主要過濾對(duì)象是質(zhì)地較軟的雜質(zhì)。其過濾元件是由石英砂或花崗巖等堆疊而成的介質(zhì)組，沙礫的堆疊令其中形成了三維的過濾通道，具有較強(qiáng)的過濾能力。

篩網(wǎng)過濾器是利用機(jī)械篩分的原理進(jìn)行雜質(zhì)過濾，其主要的過濾元件為過濾器殼體內(nèi)的濾網(wǎng)，該濾網(wǎng)主要是由不銹鋼絲或者尼龍絲線編織而成，用于過濾尺寸大于所用濾網(wǎng)網(wǎng)孔的雜質(zhì)。這種過濾器在過濾雜質(zhì)時(shí)對(duì)絲線狀質(zhì)地柔軟的雜質(zhì)過濾效果較差，對(duì)質(zhì)地較硬的球狀雜質(zhì)具有較好的過濾效果。

2 傳統(tǒng)分體組合過濾系統(tǒng)試驗(yàn)及參數(shù)采集

2.1 試驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證模擬的合理性以及采集模擬所需參數(shù)，同時(shí)也為了與結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的新型過濾器進(jìn)行水力性能對(duì)比，故設(shè)置物理試驗(yàn)。試驗(yàn)在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)通州試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)裝置主要由蓄水池、攪拌器、潛水泵、砂石過濾器、篩網(wǎng)過濾器、壓力表、電磁流量計(jì)以及閥門和連接管道組成，如圖1所示。試驗(yàn)中所用的砂石過濾器和篩網(wǎng)過濾器分別選自北京某公司和西班牙某公司的篩網(wǎng)過濾器，其參數(shù)如表1所示。

圖1 試驗(yàn)布置圖Fig.1 Test layout1.蓄水池 2.潛水泵 3.閥門 4.壓力表 5.砂石過濾器 6.篩網(wǎng)過濾器 7.電磁流量計(jì) 8.攪拌器 9.排污管

類型型號(hào)進(jìn)出口管直徑/mm額定過流量/(m3·h-1)精度/目砂石過濾器ATP-S22811060100～140篩網(wǎng)過濾器AZUD6330120

2.2 試驗(yàn)方法

清水條件下，各過濾器不會(huì)發(fā)生堵塞情況，即不會(huì)有水頭損失和流量隨時(shí)間的變化特性，故著重關(guān)注水頭損失與流量之間的水力性能關(guān)系。由于篩網(wǎng)過濾器額定流量是30 m3/h，通過調(diào)節(jié)閥門設(shè)定系統(tǒng)的過流量從0.2倍的額定流量起以6 m3/h為梯度逐步升至1.2倍的額定流量，即進(jìn)行6、12、18、24、30、36 m3/h 6個(gè)流量梯度下的試驗(yàn)。在每次調(diào)節(jié)流量穩(wěn)定后讀取各壓力表對(duì)應(yīng)的數(shù)值，由此計(jì)算出各流量下的水頭損失。其中，根據(jù)砂石過濾器兩端壓力表的值可得到砂石過濾器的流量-水頭損失曲線。

將泥沙分級(jí)過篩，根據(jù)選定的“粒徑級(jí)配曲線”配制適量的沙土，將泥沙加入水源中，配置為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的含沙水源。含沙水條件下，由于各過濾器會(huì)因?yàn)槟嗌车拇嬖诙l(fā)生堵塞，且堵塞情況隨時(shí)間發(fā)生變化，故著重關(guān)注水頭損失與流量隨時(shí)間的變化特性。調(diào)節(jié)閥門開度至30 m3/h開始試驗(yàn)，保持系統(tǒng)運(yùn)行，隔一定時(shí)間記錄各過濾器兩端壓力表數(shù)值。以系統(tǒng)流量減少20%或水頭損失達(dá)到7 m作為該次試驗(yàn)結(jié)束的標(biāo)志。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1清水條件

清水條件下，水頭損失隨流量的變化如圖2所示。由圖2可以看出，水頭損失隨流量的增大而增大，但砂石過濾器和篩網(wǎng)過濾器二者加起來的水頭損失并不是系統(tǒng)整體的總水頭損失，這是由于砂石過濾器和篩網(wǎng)過濾器之間由管道連接，管道會(huì)造成沿程水頭損失和局部水頭損失。

圖2 清水條件下水頭損失隨流量的變化Fig.2 Change of head loss with flow under clean water condition

圖3 含沙水條件下總水頭損失和流量隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Changing curves of total head loss and flow over time under sandy water condition

2.3.2含沙水條件

圖3為傳統(tǒng)砂石-篩網(wǎng)二級(jí)過濾系統(tǒng)的總水頭損失以及系統(tǒng)流量隨時(shí)間的變化曲線?？偹^損失主要分為2個(gè)階段，在前期(0～30 min)水頭損失平穩(wěn)上升，且上升幅度不大，在后期(30～40 min)水頭損失曲線斜率激增，損失大幅提升，這是由于篩網(wǎng)過濾器堵塞時(shí)，大量泥沙迅速堆積在網(wǎng)孔處造成水頭損失陡增。系統(tǒng)流量隨時(shí)間的變化主要分為3個(gè)階段，在運(yùn)行前期(0～15 min)的初始有所降低后趨于穩(wěn)定平緩下降，在中期(15～30 min)的初始有所降低后趨于穩(wěn)定平緩下降且下降幅度略高于前期，在運(yùn)行后期(30～40 min)流量有明顯降低且流量變化快，最終在40 min時(shí)流量的下降達(dá)到了初始流量的20%，結(jié)束試驗(yàn)。

3 砂石-篩網(wǎng)組合過濾器數(shù)值模擬

3.1 建立模型與網(wǎng)格劃分

為了與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，選出合適的湍流模型，采取還原試驗(yàn)布置，在Pro/Engineer中進(jìn)行1∶1三維造型，計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 砂石-篩網(wǎng)組合分體式過濾器計(jì)算模型Fig.4 Physical model for calculation of sand-screen combination filter1.砂石過濾器 2.砂石濾料層 3.連接管道 4.篩網(wǎng)過濾器 5.濾網(wǎng)卡槽 6.濾網(wǎng)

由于該模型較復(fù)雜，且包含多孔介質(zhì)和多孔階躍區(qū)域，因此將模型在ANSYS ICEM軟件中進(jìn)行分塊劃分網(wǎng)格。其中砂石濾料層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部分采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為703 980個(gè)。

3.2 多孔介質(zhì)模型

多孔介質(zhì)模型是基于體積流量率來計(jì)算表觀速度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式定義流動(dòng)阻力，因而能較好地模擬多孔區(qū)內(nèi)部的壓力損失。從本質(zhì)上來說，多孔介質(zhì)模型就是在動(dòng)量方程中增加了一個(gè)代表動(dòng)量消耗的源項(xiàng)，以模擬計(jì)算域中多孔性材料對(duì)流體的阻力作用。該源項(xiàng)包含兩部分，即方程右端第一項(xiàng)為Darcy粘性阻力項(xiàng)；第二項(xiàng)為慣性損失項(xiàng)。方程表達(dá)式為

(1)

式中Si——第i個(gè)(x、y或者z方向)動(dòng)量方程中的源項(xiàng)

D、C——粘性阻力和慣性阻力系數(shù)定義的對(duì)角矩陣，其導(dǎo)致多孔介質(zhì)單元上的壓力降

ρ——水的密度μ——?jiǎng)恿φ扯认禂?shù)

v——速度vj——j方向速度

這個(gè)負(fù)的源項(xiàng)又被稱為“匯”，代表在單元上產(chǎn)生一個(gè)流體速度平方的壓力降。

分別在系數(shù)矩陣D與C中代入對(duì)角項(xiàng)1/α和C2，則得到簡(jiǎn)化的多孔模型

(2)

式中α——滲透率

C2——慣性阻力系數(shù)

vi——i方向速度

Fluent也提供了用速度的冪函數(shù)來模擬阻力的模型，即指數(shù)律模型

Si=-C0|v|C1=-C0|v|C1-1vi

(3)

式中C0——指數(shù)模型系數(shù)

C1——粘滯阻力系數(shù)

當(dāng)采用指數(shù)律模型時(shí)，壓力降為各向同性的。在Fluid面板的指數(shù)律模型下，依次輸入C0和C1即可。

3.2.1多孔介質(zhì)

ARBAT等[20]用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)砂石過濾器各組件的水頭損失，其中砂石濾層造成的水頭損失占總損失的84.6%，進(jìn)出水管造成的水頭損失占4.4%，另外的11%是由多孔板和濾帽造成的。由于本文在模型建立中省略了砂石濾料層下部的多孔板和濾帽，考慮到多孔板和濾帽在實(shí)際中是為了盛放石英砂并仍然能攔截雜質(zhì)和保證水流通過，其功能和性質(zhì)與砂石濾層相似，故將其功能簡(jiǎn)化到砂石多孔介質(zhì)域中體現(xiàn)，因此本文在模擬中將砂石過濾器整體的水頭損失由砂石濾層體現(xiàn)。根據(jù)物理試驗(yàn)測(cè)得的砂石過濾器的水頭損失隨流量的變化得到水頭損失與流速的關(guān)系曲線，如圖5所示，并可以由指數(shù)律模型推得粘滯阻力系數(shù)C1和慣性阻力系數(shù)C2。

圖5 水頭損失與過濾速度的擬合關(guān)系Fig.5 Fitting of water head loss and filtration rate

結(jié)合式(3)和擬合曲線公式，可計(jì)算得到多孔介質(zhì)區(qū)的阻力系數(shù)為C0=1.048 8×106,C1=1.167 7 m-2。

3.2.2多孔階躍

借鑒其他學(xué)者的研究[21-22]，在Fluent中采用簡(jiǎn)化的多孔介質(zhì)模型——多孔階躍模型來模擬濾網(wǎng)，相關(guān)參數(shù)的計(jì)算公式為

(4)

(5)

(6)

式中DP——網(wǎng)孔直徑，mm

ε1——孔隙比，%

3.3 湍流模型、計(jì)算方法與邊界條件

數(shù)值模擬采用RNGk-ε湍流模型

(7)

(8)

其中

式中k——湍動(dòng)能ε——耗散率

Gk——平均速度梯度引起的湍動(dòng)能

αk、αε——湍動(dòng)能和耗散率的有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)

μt——湍流粘性系數(shù)

Cμ、C1ε、C2ε——常數(shù)項(xiàng)

采用Fluent提供的SIMPLE算法來計(jì)算壓力與速度的耦合方程，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。采用非定常計(jì)算，迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 2 s。

在進(jìn)口處設(shè)置速度進(jìn)口邊界條件，例如性能測(cè)試試驗(yàn)中，在30 m3/h時(shí)進(jìn)水管進(jìn)口速度為0.882 m/s；出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，例如性能測(cè)試試驗(yàn)中，在30 m3/h時(shí)測(cè)得出口壓力為16.5 kPa；其余設(shè)置為壁面邊界條件，無滑移的標(biāo)準(zhǔn)壁面。

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比分析

通過物理試驗(yàn)得到砂石-篩網(wǎng)組合過濾器進(jìn)出口壓降隨流量變化的關(guān)系曲線，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

由表2可以看出，試驗(yàn)與模擬間的相對(duì)誤差最大為6.18%，最小僅為2.65%，誤差均在允許范圍之內(nèi)，因此數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)基本吻合，說明數(shù)值模擬計(jì)算具有準(zhǔn)確度和可靠度，可以體現(xiàn)過濾器內(nèi)部水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)一步說明本文所選擇的湍流模型和參數(shù)是合理的，且適用于本文所建立的物理模型的模擬過程，該模型和參數(shù)組合也將用于接下來的模擬設(shè)置。本文以30 m3/h流量下的模擬結(jié)果為例進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)分析。

表2 模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of simulation and test results

3.4.2壓強(qiáng)場(chǎng)

圖6 砂石-篩網(wǎng)組合分體式過濾器壓降Fig.6 Pressure drop diagrams of sand-screen split-type combination filter

圖6為砂石-篩網(wǎng)組合分體式過濾器壓降圖。由圖6a可以看出，由過濾系統(tǒng)進(jìn)口到出口的整個(gè)流域中，壓力值是逐漸減小的，即水頭損失逐漸增大，加上位置水頭(1.12 m)模型整體水頭損失為3.08 m，主要由砂石過濾器、連接管道和篩網(wǎng)過濾器3部分組成，其中連接管道水頭損失達(dá)0.5 m左右，約占總體的16.2%。如圖6b～6d所示，篩網(wǎng)過濾器部分，起過濾作用的濾網(wǎng)處壓降并不大，而造成能量損耗的主要原因是篩網(wǎng)過濾器的進(jìn)口和出口處：進(jìn)口處由管道至過濾器內(nèi)部，過流截面突然增大，且有卡槽阻力，造成了突然的水頭損失；出口處水流匯集，由于過流截面的突然減小且有90°的拐角，產(chǎn)生了壓力最低點(diǎn)。整個(gè)篩網(wǎng)過濾器部分造成約1 m的水頭損失，占總體的32.5%。

3.4.3流線

圖7為篩網(wǎng)過濾器不同截面流線圖。從圖7a可以看出，水流進(jìn)入篩網(wǎng)過濾器直接撞擊卡槽，隨后水流運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，需向上運(yùn)動(dòng)經(jīng)過濾網(wǎng)過濾，所以在卡槽內(nèi)造成堵塞，形成環(huán)流；從圖7b可以看出，水流向上運(yùn)動(dòng)，受重力作用和濾網(wǎng)的阻擋，在濾網(wǎng)內(nèi)形成漩渦，造成內(nèi)部流場(chǎng)不穩(wěn)；從圖7c可以看出，當(dāng)水流穿過濾網(wǎng)后，由于受到濾網(wǎng)阻擋，速度減小，并在過濾器外殼的影響下，形成幾處繞濾網(wǎng)的環(huán)流，最終匯于出口方向，從出水管流出。并且由于過濾器與出水管連接處截面驟縮，且形成90°拐角導(dǎo)致水流方向突然變化，因此環(huán)流在此處明顯增強(qiáng)導(dǎo)致出水口堵塞。綜上所述，篩網(wǎng)過濾器內(nèi)流場(chǎng)不穩(wěn)定，有多處環(huán)流和漩渦，水流流動(dòng)受到較大擾動(dòng)。

圖7 分體式過濾器篩網(wǎng)部分不同截面流線Fig.7 Streamline diagrams of different sections of screen in split-type combination filter

3.4.4流速

圖8為篩網(wǎng)過濾器內(nèi)水流流速矢量圖和流速觀測(cè)線及其沿豎直方向Y軸的變化曲線。將篩網(wǎng)過濾器濾網(wǎng)視為左右兩部分，創(chuàng)建6條平行于濾網(wǎng)軸向(Y軸)的直線，使其分別位于左濾網(wǎng)外側(cè)、左濾網(wǎng)、左濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)和右濾網(wǎng)外側(cè)、右濾網(wǎng)、右濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)，如圖8b所示。篩網(wǎng)過濾器內(nèi)的流速矢量圖和選取的流速觀測(cè)線變化曲線分別如圖8a、8c所示，水流從進(jìn)水管進(jìn)入呈輻射狀，一部分直接撞擊卡槽，一部分斜向上經(jīng)右側(cè)濾網(wǎng)過濾流出，因此在濾網(wǎng)下半部分(-0.55～-0.35 m)右側(cè)濾網(wǎng)及右側(cè)濾網(wǎng)內(nèi)部速度明顯高于其他各處速度，最大達(dá)到2.9 m/s；由于受到重力作用影響，速度急劇減小，在右側(cè)濾網(wǎng)上半部分(-0.35～-0.19 m)流速不斷減小，右濾網(wǎng)和右濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)速度變化趨勢(shì)大體相似。由前文流線分析可知，水流在濾網(wǎng)內(nèi)部形成旋渦，從右側(cè)向左側(cè)分布，左濾網(wǎng)和左濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)在整個(gè)濾網(wǎng)的有效長(zhǎng)度(-0.55～-0.19 m)上的速度整體較小，最高為1 m/s，且二者有相似的遞減變化趨勢(shì)。對(duì)比左、右濾網(wǎng)，二者在濾網(wǎng)下部速度差距明顯，但在濾網(wǎng)上部左、右濾網(wǎng)以及左、右濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)速度大體相同。在左、右濾網(wǎng)外側(cè)，由于受到濾網(wǎng)和外殼阻擋以及濾網(wǎng)和外殼間的環(huán)流作用影響，流速進(jìn)行重分配，流速較低，二者流速無明顯差別，且隨高度變化不大。綜上所述，篩網(wǎng)內(nèi)部流速受到多重作用影響而在整個(gè)過濾過程中分布不均，導(dǎo)致濾網(wǎng)不同部位相同時(shí)間內(nèi)過流量不同，所以可認(rèn)為對(duì)濾網(wǎng)的利用右部多于左部，下部多于上部，降低了對(duì)濾網(wǎng)的利用率。

圖8 分體式篩網(wǎng)過濾器內(nèi)流速Fig.8 Flow velocity at screen in split-type combination filter

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及數(shù)值模擬

4.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由以上討論可知，砂石-篩網(wǎng)組合過濾器在分體式結(jié)構(gòu)下，連接管道造成部分水頭損失且增加系統(tǒng)布置的復(fù)雜性，而篩網(wǎng)過濾器內(nèi)部流場(chǎng)不穩(wěn)，流速分布不均且進(jìn)出口水頭損失較大，因此展開對(duì)組合過濾器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化的主要思路是將砂石過濾器和篩網(wǎng)過濾器布置在同一罐體內(nèi)，由此省去了中間連接管道，將濾網(wǎng)直接固定在卡槽上，用砂石罐體外殼包裹，其空間更大，減小了外殼對(duì)水流的擾動(dòng)，無突然擴(kuò)張與收縮的截面，保證流動(dòng)穩(wěn)定，設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 一體式過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.9 Structure design diagrams of one-piece combination filter1.進(jìn)水管 2.閥門 3.排污管 4.布水器 5.砂石濾料 6.濾帽多孔板 7.濾網(wǎng) 8.濾網(wǎng)密封口 9.進(jìn)砂口 10.掏砂口 11.集水箱 12.出水管 13.卡槽

由于要與傳統(tǒng)組合過濾系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，為了減小罐體尺寸的影響，故盡量接近傳統(tǒng)組合過濾系統(tǒng)中的尺寸參數(shù)，并參考相關(guān)規(guī)范，最終確定一體式過濾器罐體直徑為700 mm，砂石濾料層厚度260 mm，濾網(wǎng)高度235 mm，直徑120 mm。

4.2 建立優(yōu)化模型與網(wǎng)格劃分

圖10 砂石-篩網(wǎng)組合一體式過濾器計(jì)算模型Fig.10 Physical model for calculation of sand-screen one-piece combination filter1.砂石濾層 2.濾網(wǎng)

根據(jù)上述尺寸構(gòu)建模型，如圖10所示。將模型在ANSYS ICEM軟件中進(jìn)行分塊劃分網(wǎng)格，其中砂石濾料層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部分采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為415 205個(gè)。采用與上述分體式過濾系統(tǒng)相同的模型和設(shè)置得到結(jié)果。

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1優(yōu)化后壓強(qiáng)場(chǎng)

圖11為砂石-篩網(wǎng)組合一體式過濾器壓降圖。從圖11a可以看出，加上位置水頭(1.18 m)，整體水頭損失僅為1.895 m，相比分體式模擬水頭損失3.08 m減少了38.5%，從圖中可以看出，上部砂石濾層和下部濾網(wǎng)之間幾乎無壓降，這說明簡(jiǎn)化連接管道對(duì)水頭損失的減小非?？捎^。由圖11b、11c看出，濾網(wǎng)卡槽處無高速水流的直接撞擊，故在此處無明顯的能量損耗；水流從上部砂石流入下部濾網(wǎng)，整個(gè)過流截面無明顯變化，且流動(dòng)方向單一，因此可認(rèn)為下部濾網(wǎng)部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅有濾網(wǎng)多孔階躍產(chǎn)生少量壓降，而無因結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)生的水頭損失，從而減少了篩網(wǎng)過濾器部分的水頭損失。綜上所述，一體式的布置在壓降方面做到了優(yōu)化。

圖11 砂石-篩網(wǎng)組合一體式過濾器壓降Fig.11 Pressure drop diagrams of sand-screen one-piece combination filter

4.3.2優(yōu)化后流線

圖12 一體式過濾器篩網(wǎng)部分不同截面流線Fig.12 Streamline diagrams of different sections of screen in one-piece combination filter

圖12為一體式布置篩網(wǎng)部分流線圖。從圖12a可以看出，雖然4個(gè)濾網(wǎng)周圍也有罐體包裹，但由于空間較大，對(duì)水流的影響和擾動(dòng)沒有分體式布置篩網(wǎng)殼體那么強(qiáng)烈，因此并未出現(xiàn)明顯環(huán)流和漩渦。從圖12b可以看出，當(dāng)水流從上部砂石到達(dá)濾網(wǎng)時(shí)，水流直接從濾網(wǎng)外部穿過濾網(wǎng)到內(nèi)部進(jìn)行過濾過程，無需有水流方向的突變，也無向上攀爬的過程，使得重力作用不會(huì)對(duì)水流影響較大產(chǎn)生旋渦導(dǎo)致流場(chǎng)不穩(wěn)；無需對(duì)水流進(jìn)入濾網(wǎng)專門設(shè)置進(jìn)口，從而無截面的驟縮，水流從上部砂石到下部濾網(wǎng)整個(gè)過流面幾乎無變化，這也是一體式過濾器濾網(wǎng)部分水頭損失較小的原因之一。連接4個(gè)濾網(wǎng)的集水箱頂部由于空間較小出現(xiàn)漩渦，但下部水流出口處無明顯的水流方向突變，因此無環(huán)流出現(xiàn)，出口順暢無堵塞現(xiàn)象。綜上所述，一體式布置內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)定，在結(jié)構(gòu)方面做到了優(yōu)化。

4.3.3優(yōu)化后流速

圖13為一體式布置中4個(gè)濾網(wǎng)的流速分布、選取的流速觀測(cè)線和其中X和Y負(fù)方向的2個(gè)濾網(wǎng)沿各自軸線的流速變化曲線。從圖13a可以看出，4個(gè)濾網(wǎng)流速分布幾乎相同，說明濾網(wǎng)布置結(jié)構(gòu)合理。將篩網(wǎng)過濾器濾網(wǎng)分為上下兩部分看待，分別在X和Y的負(fù)方向創(chuàng)建6條平行于濾網(wǎng)軸向的直線，使其分別位于上濾網(wǎng)外側(cè)、上濾網(wǎng)、上濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)和下濾網(wǎng)外側(cè)、下濾網(wǎng)、下濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)，如圖13b所示。從圖13c、13d可以看出，2個(gè)濾網(wǎng)沿軸線的流速變化曲線相似，選取X軸的變化曲線進(jìn)行具體說明分析：在一體式過濾器濾網(wǎng)處，過濾是從外側(cè)向內(nèi)側(cè)進(jìn)行，從外側(cè)速度來看，上、下兩側(cè)的流速都未隨軸向坐標(biāo)的變化而有明顯變化，流速沿軸向分布均勻，因此可認(rèn)為對(duì)濾網(wǎng)的利用充分均勻，并不像傳統(tǒng)分體式過濾系統(tǒng)對(duì)濾網(wǎng)的利用右側(cè)多于左側(cè)，下部多于上部。上濾網(wǎng)和下濾網(wǎng)的流速整體均分別高于上濾網(wǎng)外側(cè)和下濾網(wǎng)外側(cè)流速，這是由于過濾的進(jìn)行，當(dāng)水流穿過濾網(wǎng)時(shí)過流面積減小，流速加快，與實(shí)際情況相符。從濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)來看，在整個(gè)濾網(wǎng)的有效長(zhǎng)度上(0.13～0.33 m)，流速隨軸向坐標(biāo)的變化而變化，越接近集水箱流速越大，這是由于水流進(jìn)入濾網(wǎng)后流向改變，過流面從罐體橫截面變成濾網(wǎng)截面，過流面積減小，因此流速增大，有利于迅速將水流向出口，引導(dǎo)排出。

圖13 一體式濾網(wǎng)流速Fig.13 Flow velocity at screen in one-piece combination filter

5 一體式過濾器性能試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)概況和方法

根據(jù)4.1節(jié)中結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)物制作(圖14)，并對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。制作和測(cè)試在上海華維節(jié)水灌溉股份有限公司進(jìn)行。試驗(yàn)布置如圖15所示，與2.1節(jié)試驗(yàn)布置和所用設(shè)備相似，只是將傳統(tǒng)分體砂石-篩網(wǎng)組合過濾系統(tǒng)換成一體式砂石-篩網(wǎng)組合過濾器。

清水條件下，進(jìn)行6、12、18、24、30、36 m3/h 6個(gè)流量梯度下的試驗(yàn)。在每次調(diào)節(jié)流量穩(wěn)定后讀取各壓力表對(duì)應(yīng)的數(shù)值，由此計(jì)算出各流量下的水頭損失。

選擇與2.2節(jié)中相同的泥沙配比，將泥沙加入水源中，配置為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的含沙水源。調(diào)節(jié)閥門開度至30 m3/h開始試驗(yàn)，保持系統(tǒng)運(yùn)行，隔一定時(shí)間記錄各過濾器兩端壓力表數(shù)值。以系統(tǒng)流量減少20%或水頭損失達(dá)到7 m作為該次試驗(yàn)結(jié)束的標(biāo)志。

5.2 結(jié)果分析

為了顯示一體式過濾器的水力性能與傳統(tǒng)分體式過濾系統(tǒng)的不同，在本節(jié)主要進(jìn)行二者水力性能結(jié)果的對(duì)比分析。

圖16是清水條件下兩種過濾系統(tǒng)水頭損失隨流量的變化，通過直觀對(duì)比可知，一體式過濾器水頭損失明顯小于傳統(tǒng)分體式過濾器，從省略砂石過濾器和篩網(wǎng)過濾器之間的連接管道而言，水頭損失理論上應(yīng)該從系列1下降到系列2，但從試驗(yàn)結(jié)果來看，水頭損失從系列1下降到系列3，這說明一體式過濾器不僅減掉連接管道帶來的水頭損失，節(jié)省占地面積和減輕安裝與維護(hù)帶來的繁瑣，也確實(shí)做到了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減輕了濾網(wǎng)外殼對(duì)其水流的擾動(dòng)，減少了截面的擴(kuò)張與驟縮，保持了內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定，與模擬結(jié)果相吻合。

圖16 清水條件下分體式與一體式水頭損失隨流量的變化Fig.16 Changes of head loss with flow under clean water condition

含沙水條件下，從水頭損失來看(圖17)，在30 min之前，分體式過濾系統(tǒng)和一體式過濾器均處于平緩上升階段，在33～40 min階段，即分體式過濾系統(tǒng)的過濾后期，水頭損失急劇增大，這是由于濾網(wǎng)被堵塞的概率和速率迅速增大導(dǎo)致，而一體式過濾器由于在近乎相同直徑和厚度的砂石濾料后布置4個(gè)濾網(wǎng)，增多了濾網(wǎng)個(gè)數(shù)，可有效增大過濾面積，且通過數(shù)值模擬分析可知對(duì)濾網(wǎng)的利用充分，因此即使后期大量砂礫需要濾網(wǎng)過濾也能滿足過濾要求，不會(huì)出現(xiàn)堵塞面積所占比例增大導(dǎo)致流速迅速增大使得水頭損失激增的現(xiàn)象，因此水頭損失仍以與之前相似的上升幅度增大。無水頭損失的激增，故不會(huì)引起過濾器內(nèi)部壓強(qiáng)的突然增大，有利于各部件長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行使用。

從流量的變化來看，一體式過濾器的流量變化比分體式流量變化平穩(wěn)，與水頭損失相似，在過濾后期，分體式過濾系統(tǒng)流量有一個(gè)跳躍式減小，這是堵塞的突然增強(qiáng)導(dǎo)致。而兩種過濾系統(tǒng)流量都減少20%時(shí)，一體式過濾器比分體式過濾器能多運(yùn)行20 min左右，這能減少反沖洗的次數(shù)與頻率，提高灌溉效率，節(jié)約資源。

圖17 含沙水條件下分體式與一體式水頭損失和流量隨時(shí)間的變化Fig.17 Changes of total head loss and flow over time under sandy water condition

6 結(jié)論

(1)利用CFD技術(shù)結(jié)合多孔介質(zhì)模型對(duì)組合過濾器進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，可分析其內(nèi)部流場(chǎng)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

(2)組合過濾器分體式布置，中間連接管道會(huì)產(chǎn)生水頭損失，篩網(wǎng)過濾器的濾網(wǎng)需要?dú)んw進(jìn)行包裹，勢(shì)必會(huì)形成截面的突然擴(kuò)張和收縮，也會(huì)產(chǎn)生較大水頭損失，同時(shí)內(nèi)部和出口由于水流方向的突變等原因會(huì)產(chǎn)生多處環(huán)流和漩渦，造成流場(chǎng)的不穩(wěn)定；且通過流速討論認(rèn)為濾網(wǎng)并未得到充分利用，降低了過濾效率，尤其在對(duì)含沙水進(jìn)行過濾時(shí)，隨著含沙水流不斷通過篩網(wǎng)濾芯，篩網(wǎng)濾芯上的網(wǎng)孔被堵塞的概率和速率迅速增大，篩網(wǎng)濾芯右側(cè)柱面較早達(dá)到堵塞，在過流面積驟然減小時(shí)，篩網(wǎng)濾芯的左側(cè)柱面也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)堵塞，造成篩網(wǎng)濾芯堵塞快，需經(jīng)常進(jìn)行反沖洗；且這樣的流動(dòng)方式對(duì)篩網(wǎng)濾芯有明顯的損害，受力的不均勻使得篩網(wǎng)濾芯的使用壽命有限。

(3)通過對(duì)分體式內(nèi)部流場(chǎng)的分析，明確了優(yōu)化方向。通過對(duì)優(yōu)化后一體式布置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，將濾網(wǎng)布置在更大直徑的罐體內(nèi)，省去連接管道，并使濾網(wǎng)安裝在更寬的罐體內(nèi)，減少了38.5%的水頭損失，且濾網(wǎng)受到殼體的影響更小，出口處水流順暢，因此減少了環(huán)流和漩渦，使得流場(chǎng)穩(wěn)定；通過對(duì)流速討論發(fā)現(xiàn)，流速分布更加均勻合理，對(duì)濾網(wǎng)各部利用充分，提升了過濾效率，延長(zhǎng)了濾網(wǎng)使用壽命。

(4)通過傳統(tǒng)分體式砂石-篩網(wǎng)組合過濾系統(tǒng)和一體式砂石-篩網(wǎng)組合過濾器的性能測(cè)試試驗(yàn)對(duì)比分析可知，清水條件下一體式組合過濾器不僅省去連接管道的水頭損失且由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化能有效減小其他部位水頭損失，與模擬吻合；含沙水條件下一體式過濾器比傳統(tǒng)分體式過濾系統(tǒng)在流量減少20%時(shí)能多運(yùn)行20 min左右，減少反沖洗次數(shù)和頻率，提高灌溉效率，并且在過濾后期無水頭損失的陡增，故不會(huì)引起內(nèi)部壓力突然增大，有利于各部件穩(wěn)定運(yùn)行。