李盛寶，袁志華，杜思琦，李 輝，韓啟彪，孟衛(wèi)校

·灌溉技術(shù)與裝備·

多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器水力性能試驗研究

李盛寶1,2，袁志華2，杜思琦1，李 輝1，韓啟彪1*，孟衛(wèi)校3

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室/農(nóng)業(yè)部節(jié)水灌溉工程重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，鄭州 450000；3.金豐（中國）機械工業(yè)有限公司，浙江 寧波 315221）

多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器是將不同目數(shù)的濾網(wǎng)（50、80、120目）集成在同一殼體以增加其過濾效果的微灌用過濾器?！尽垦芯吭撨^濾器性能。開展清水試驗，考察過濾器清潔壓降變化；開展渾水試驗，以流量和含沙量為因素，其中，流量設(shè)置18、22、26 m3/h，含沙量設(shè)置0.07、0.10、0.13 g/L，考察水頭損失、流量、濁度等指標(biāo)變化規(guī)律。清水試驗時，過濾器清潔壓降曲線符合冪函數(shù)關(guān)系，擬合系數(shù)0.999 9；渾水試驗時，流量起初較穩(wěn)定，約18~30 min后出現(xiàn)拐點而急劇下降；相對應(yīng)的，過濾器水頭損失則起初穩(wěn)定，出現(xiàn)拐點后急劇增大，流量和含沙量越大，流量和水頭損失變化的拐點出現(xiàn)越早，過濾周期越短，過濾器發(fā)生堵塞的時間越短，但發(fā)生堵塞后，濁度出現(xiàn)降低趨勢，預(yù)示過濾效果更好。新研發(fā)的多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器（殼體內(nèi)徑370 mm，高720 mm）水力性能變化規(guī)律與單一網(wǎng)式過濾器類似，而且過濾周期較長，過濾精度較高，適用于微灌系統(tǒng)。

微灌；網(wǎng)式過濾器；過濾性能；清水試驗；渾水試驗

0 引言

【研究意義】我國農(nóng)業(yè)水資源利用率處于較低水平，發(fā)展高效便捷的灌溉技術(shù)及設(shè)備可有效提高水資源利用率。復(fù)合過濾技術(shù)由于其綜合了單一過濾器的優(yōu)點，如適用范圍大、過濾效果好等，是微灌過濾器研究的重要方向之一，不少學(xué)者圍繞復(fù)合過濾技術(shù)開展了研究?！狙芯窟M展】楊培嶺等[1]提出了“砂石—篩網(wǎng)”一體式結(jié)構(gòu)方案，并進行了數(shù)值模擬及性能試驗；謝崇寶等[2]將傳統(tǒng)的砂石過濾器和網(wǎng)式過濾器集合于一體，以期解決過濾系統(tǒng)占據(jù)空間大等問題；李正平等[3]對離心篩網(wǎng)一體式微灌過濾器與組合式過濾器進行了多種方案的水力性能對比試驗，發(fā)現(xiàn)其水頭損失小于組合式；王柏林等[4]將旋流與網(wǎng)式過濾器串聯(lián)組合，通過清水試驗及不同含沙量渾水試驗進行了過濾效果分析；肖新棉等[5]針對研制的疊片式砂過濾器性能展開了試驗研究，提出了疊片式砂過濾器的水力性能特性曲線方程和過濾水頭損失經(jīng)驗公式。董文楚等[6]在總結(jié)國內(nèi)外文獻資料的基礎(chǔ)上，給出了網(wǎng)式過濾器的設(shè)計原理和方法；宗全利等[7-8]研制了新型自清洗網(wǎng)式過濾器，對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，并對濾網(wǎng)堵塞成因和過濾器水頭損失進行了分析與計算；劉貞姬等[9]對臥式和立式網(wǎng)式過濾器的水頭損失變化規(guī)律進行了研究，認為進口流量對水頭損失的影響遠大于含沙量；石凱等[10]以新型翻板網(wǎng)式過濾器為研究對象，重點研究進水流量和含沙量對過濾器水頭損失的影響程度，也發(fā)現(xiàn)進水流量影響較大。

【切入點】網(wǎng)式過濾器由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中被廣泛運用。很多學(xué)者針對不同類型過濾器組合下的水力性能及過濾效果等進行了深入研究，致力于優(yōu)化結(jié)構(gòu)并探討其水力性能，分析水頭損失和過濾效果的影響因素。目前研究較少涉及“網(wǎng)-網(wǎng)”復(fù)合過濾技術(shù)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】在此背景下，對復(fù)合網(wǎng)式過濾技術(shù)展開研究，設(shè)計了一種復(fù)合網(wǎng)式過濾器[11]，就其水力性能及過濾效果展開研究，為復(fù)合過濾技術(shù)的發(fā)展提供一定的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)

多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器是基于復(fù)合過濾思想，在網(wǎng)式過濾器基礎(chǔ)上改進的新型微灌過濾器，其核心部件包括多層濾網(wǎng)、分段式刷體和殼體等。目前該過濾器結(jié)構(gòu)已授權(quán)國家發(fā)明專利（CN105999807A）和美國發(fā)明專利（US10, 232, 290B2）。開發(fā)的初代樣機水力性能較好[12]。在此基礎(chǔ)上，利用SolidWorks軟件3D建模對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改進后結(jié)構(gòu)見圖1。

注 1.支架；2.下法蘭；3.下殼體；4.中間殼體；5.上殼體；6.上法蘭；7.搖柄；8.進水口；9.出水口；10.第三排污口；11.第二排污口；12.第一排污口；13.第二濾筒（80目）；14.第二刷毛架；15.第一濾筒（50目）；16.第一刷毛架；17.旋轉(zhuǎn)軸；18.固定螺釘；19.第三刷毛架；20.第三濾筒（120目）；21.濾筒底座

設(shè)計加工的新型多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器樣機包括：殼體、多級濾網(wǎng)、分段式刷體等。其中殼體分為上中下3部分，上下殼體采用PVC-U管，為了便于觀察過濾器內(nèi)部，此次樣機的中間殼體采用透明的有機圓柱玻璃管制成，殼體內(nèi)徑370 mm。為了檢驗多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和復(fù)合過濾效果，此次樣機設(shè)計了3層濾網(wǎng)，實際應(yīng)用中可依據(jù)需求靈活選配濾網(wǎng)層數(shù)和目數(shù)。樣機的3層濾網(wǎng)均通過精加工技術(shù)有效貼合在每層的不銹鋼骨架上，濾網(wǎng)目數(shù)從外到內(nèi)依次為50、80、120目，其中，第1濾筒（50目）內(nèi)徑296 mm，高720 mm，第2濾筒（80目）內(nèi)徑212 mm，高650 mm，第3濾筒（120目）內(nèi)徑136 mm，高600 mm；濾筒開口端設(shè)置有與卡槽相匹配的卡環(huán)，濾筒通過卡環(huán)旋扣在卡槽內(nèi)，三級濾筒同軸心裝配而成。分段式刷體由與濾筒個數(shù)、直徑相匹配的刷毛框架及單面毛束等組成。分段式刷體通過螺釘與旋轉(zhuǎn)軸固定，通過手搖柄或電機帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，即可實現(xiàn)多級濾筒的清洗工作。制作加工的樣機進出水口管徑為50 mm，材質(zhì)為PVC-U。

1.2 試驗裝置

試驗在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所的水利部節(jié)水灌溉設(shè)備質(zhì)量檢測中心進行。試驗裝置由蓄水池、渾水添加裝置、測試管道等組成，如圖2所示。蓄水池規(guī)格為2.4 m×1.2 m×1.3 m，使用潛水泵提供試驗所需壓力流量；進、出水口管徑為50 mm，使用渦輪流量傳感器（LWGY-50）測量管道流量變化；在過濾器的進口端、出口端分別安裝精密壓力表（量程0.6 MPa，精度0.02級）；在進水口處和出流口處安裝流量調(diào)節(jié)閥。通過調(diào)節(jié)進、出水口閥門開度來改變過濾器流量，形成所需因素水平。渾水添加裝置包括真空自吸泵、攪拌器、攪拌桶等，渾水試驗時，攪拌桶內(nèi)按要求配置高質(zhì)量濃度的原水，使用真空自吸泵抽取攪拌桶中配置好的高質(zhì)量濃度原水進入蓄水池形成所需濃度的渾水，蓄水池內(nèi)裝有攪拌器對渾水充分混合。

注 1.水沙混合液；2. 300 L塑料桶；3.攪拌泵；4.回流管；5.閥門；6.流量計；7.測試管道；8.攪拌泵；9.閥門；10.流量計；11.壓力表；12.復(fù)合網(wǎng)式過濾器；13.壓力表；14.閥門；15.潛水泵；16.蓄水池；17.真空自吸泵

試驗用泥沙取自山西引黃灌區(qū)渠道淤積泥沙，試驗前對其晾曬。使用激光粒度分布儀（BT-9300HT）測定其粒徑分布，結(jié)果如表1所示。

表1 泥沙粒徑分布

1.3 試驗設(shè)計

為研究復(fù)合網(wǎng)式過濾器的水力性能，設(shè)置清水和渾水試驗。

清水試驗中設(shè)置6個流量：16、18、20、22、24、26 m3/h。試驗時，調(diào)節(jié)閥門至所需流量，待過濾器運行穩(wěn)定后，記錄流量計和壓力表讀數(shù)，每組試驗重復(fù)3次，考查過濾器清潔壓降曲線變化。

渾水試驗時，考慮流量和含沙量2個因素。其中流量設(shè)置為18、22、26 m3/h，含沙量（蓄水池）設(shè)置0.07、0.1、0.13 g/L，真空自吸泵流量設(shè)置為0.3 m3/h；試驗過程中，每隔3 min分別記錄流量計、過濾器兩端壓力表讀數(shù)，并使用濁度計（WGZ-200A）測定過濾后水樣濁度值。為降低水池中泥沙沉淀帶來的影響，采用在300 L塑料桶中配置高質(zhì)量濃度含沙水，由真空自吸泵從桶中抽取含沙水進入蓄水池混合，保證水池中含沙量穩(wěn)定。每一過流量下攪拌桶中所加泥沙質(zhì)量，可由溶質(zhì)溶劑關(guān)系計算。

由（1）式可得：

式中：為桶中加沙質(zhì)量；為過濾流量；為含沙量；為過濾時間。

表2 攪拌桶加沙質(zhì)量

2 結(jié)果與分析

2.1 清潔壓降曲線

利用清水試驗數(shù)據(jù)擬合得到多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器的清潔壓降曲線如圖4所示。由圖4可知，相關(guān)系數(shù)2=0.999 9，擬合程度較高。由圖4可知，在過流量16 m3/h時，其水頭損失為2.0 m；過流量26 m3/h時，水頭損失為5.2 m。這主要是由于復(fù)合網(wǎng)式過濾器的三層濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致內(nèi)部孔隙率降低，導(dǎo)致過濾器局部水頭損失增大，較單層濾網(wǎng)水頭損失要高。一般情況下，單級網(wǎng)式過濾器額定流量下的水頭損失在2~3 m，考慮多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)，此過濾器樣機額定流量建議以25~30 m3/h。

圖3 過濾器清潔壓降曲線

2.2 過流量隨時間變化規(guī)律

圖5給出了復(fù)合網(wǎng)式過濾器在渾水試驗時不同因素條件下流量隨時間的變化。由圖5可知，過濾器在未堵塞時其過流量基本沒有改變；發(fā)生堵塞后，流量會逐漸變小。濾網(wǎng)堵塞過程中，會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，一般為靠近出水口區(qū)域，此時為介質(zhì)堵塞階段；隨著過濾時間的延長，堵塞范圍逐步增大，最終形成濾餅，此時小于濾網(wǎng)孔徑的雜質(zhì)顆粒也被截留下來，即發(fā)生濾餅堵塞[13]。所以過流量在發(fā)生堵塞后會逐漸減小。分析同一含沙量不同過流量發(fā)現(xiàn)，含沙量一定時，過流量越大，過濾器發(fā)生堵塞所用時間越短；從出現(xiàn)拐點到結(jié)束這一段的斜率也隨過流量的增大而增大，即過流量越大，堵塞后流量下降越快。分析同一過流量不同含沙量條件下，以過流量26 m3/h為例，在不同含沙量條件下，流量變化的時間點分別為18、24、27 min。由此可知，同一過流量下，含泥沙量越高，流量降低越快，發(fā)生堵塞風(fēng)險的時間隨含沙量的增大而減小。

圖4 不同含沙量條件下流量隨時間變化

2.3 水頭損失隨時間變化規(guī)律

水頭損失是衡量過濾器運行效果的重要指標(biāo)，也是判斷其是否發(fā)生堵塞的主要參數(shù)[14]。圖6給出了不同過濾流量及含沙量條件下水頭損失隨時間變化規(guī)律。從圖6可知，在未發(fā)生堵塞時，水頭損失沒有發(fā)生變化，與清水試驗時保持一致；以含沙量0.10 g/L為例，發(fā)生變化的時間拐點分別為20、25、28 min，即認為此時間點為過濾器開始堵塞時間，而后水頭損失突增，分析認為篩網(wǎng)過濾器依靠濾網(wǎng)的二維表面攔截雜質(zhì)，其過濾性能由濾網(wǎng)有效過濾面積決定，當(dāng)雜質(zhì)過多的集聚在濾網(wǎng)表面時，有效過濾面積減小，流過濾網(wǎng)的水流隨之減小，故水頭損失隨之增大。

由清潔壓降曲線及水頭損失出現(xiàn)拐點時間，可以以水頭損失達到8 m為過濾周期，即達到8 m時，需進行反沖洗。含沙量為0.07 g/L時，過濾周期分別為27、33、37 min；含沙量為0.1 g /L時，過濾周期分別為23、27、33 min；含沙量為0.13 g/L時，過濾周期分別為18、22、28 min。

圖5 不同含沙量條件下水頭損失隨時間變化

2.4 濁度隨時間變化規(guī)律

圖7給出了不同含沙量及過流量條件下濁度隨時間變化規(guī)律。對比同一流量下不同含沙量在過濾初期的初始濁度值大小，發(fā)現(xiàn)隨含沙量的增大，其初始濁度值也增大，濁度與水中含沙量成正相關(guān)關(guān)系。在不同含沙量試驗下，3個過濾流量條件下的濁度變化均表現(xiàn)為：在渾水試驗初期，即樣機未發(fā)生堵塞現(xiàn)象時，濁度值在一定范圍內(nèi)小幅度波動，整體比較平緩，但在過濾器開始堵塞的時間節(jié)點后，濾后水濁度值有明顯的下降趨勢，分析認為這是由于堵塞過程中有介質(zhì)堵塞和濾餅堵塞2個過程，在介質(zhì)堵塞階段，濾網(wǎng)是過濾主體，粒徑大于濾網(wǎng)孔徑的顆粒被截留，小的顆粒則順利通過濾網(wǎng)，所以濁度基本穩(wěn)定，而發(fā)生濾餅堵塞后，局部區(qū)域粒徑小于濾網(wǎng)孔徑的雜質(zhì)也可能因為濾餅的截留作用亦不能通過濾孔，濾餅越厚，這種現(xiàn)象越突出，這就導(dǎo)致了濾后水中顆粒減少，即濁度減小。對比3個過濾流量下濁度值出現(xiàn)拐點后曲線的近似斜率值，發(fā)現(xiàn)過濾流量越大，濁度值變化越快，與水頭損失值、過流量值變化規(guī)律相似。

圖6 不同含沙量條件下濾后水濁度隨時間變化

3 討論

過濾器是滴灌系統(tǒng)中不可或缺的設(shè)備，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的正常運行[15-16]。本文針對研發(fā)的新型復(fù)合網(wǎng)式過濾器樣機展開了不同流量不同含沙量條件下的性能試驗。

復(fù)合網(wǎng)式過濾器的清潔壓降曲線符合冪函數(shù)關(guān)系，這與目前的網(wǎng)式過濾器相似，具有一致性[17]。過濾器的水頭損失主要為局部水頭損失，由殼體和濾網(wǎng)等帶來，由于復(fù)合網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)仍為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，故而仍可用冪函數(shù)描述，相比之下，較單層濾網(wǎng)[18]水頭損失會稍大，但相比于多個過濾器組合，由于沒有了連接件，其水頭損失會更小，更具經(jīng)濟性。過濾器過濾性能優(yōu)劣可由水頭損失、過濾周期、濾后水濁度等指標(biāo)進行評價[19]。研發(fā)的多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器在3個流量3個含沙量因素水平下，含沙量一定時，隨著流量的增大，水頭損失陡增的時間越短；流量一定時，隨著含沙量的增大，水頭損失變化越快，過濾周期隨流量、含沙量的增大而減小。流量在開始的一段時間里未發(fā)生改變，是由于在此期間處于局部堵塞階段，隨著時間增加，濾網(wǎng)逐漸堵塞，故流量變化會出現(xiàn)突變現(xiàn)象；水頭損失在開始一段時間里同樣未發(fā)生變化，隨后發(fā)生突變，是由于過濾器內(nèi)部逐漸堵塞導(dǎo)致，此時為濾餅堵塞階段；濾后水濁度總體趨勢為先小幅度變化，到過濾周期后會急劇減小，是由于此時過濾器堵塞，形成濾餅，小于濾網(wǎng)孔徑的雜質(zhì)也被截留，故導(dǎo)致濁度降低。駱秀萍等[19]在探究微灌自清洗網(wǎng)式過濾器過濾性能時發(fā)現(xiàn)，在清水條件下，當(dāng)流量在0~90 m3/h時，自清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失隨流量變化緩慢；當(dāng)流量在90~240 m3/h時，隨著流量的增大，其水頭損失增加較快。含沙量一定時，進水流量越大，自清洗網(wǎng)式過濾器局部水頭損失越大，過濾周期越短；進水流量一定時，隨含沙量的增大，自清洗網(wǎng)式過濾器過濾周期縮短，局部水頭損失增加的趨勢變大。其結(jié)論與本文中所得的結(jié)論具有一致性，即結(jié)論對于網(wǎng)式過濾器具有普遍性。

4 結(jié)論

1）復(fù)合網(wǎng)式過濾器的清潔壓降曲線仍為冪函數(shù)關(guān)系，樣機試驗顯示，在流量26 m3/h時，水頭損失僅5.2 m。

2）當(dāng)復(fù)合網(wǎng)式過濾器過濾渾水時，含沙量一定情況下，隨著流量的增大，水頭損失陡增的時間越短，過濾周期越短；流量一定的情況下，隨著含沙量的增大，水頭損失變化越快，過濾周期越短；在水頭損失等開始急劇變化，出現(xiàn)拐點后，濁度開始變小，過濾效果更好。

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Experimental Study on the Hydraulic Performance of a Multi-stage Composite Mesh Filter

LI Shengbao1,2, YUAN Zhihua2, DU Siqi1, LI Hui1, HAN Qibiao1*, MENG Weixiao3

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Water Saving Agriculture of Henan Province/Key Laboratory of Water Saving Irrigation Project of Ministry of Agriculture, Xinxiang 453002, China;2. Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China;3. Jinfeng (China) Machinery Industry, Ningbo 315221, China)

【】The multi-stage composite mesh filter is a new micro-irrigation filter we developed recently by integrating the meshes of 50, 80 and 120 in the same casting aimed to increase the filtering efficacy. The purpose of this paper is to present the results of an experimental study on its hydraulic performance.【】The experiment consisted of two parts. The first one used clean water in which we measured the water pressure drop across the filter. The second one was used muddy water to elucidate the combined impact of water flow rate and sediment content on hydraulic performance of the filter. We compared three flow rates: 18, 22 and 26 m3/h, combined with three sediment contents: 0.07, 0.10 and 0.13 g/L. In each treatment, we measured water pressure loss, change in flow rate, as well as turbidity of the water at the exit of the filter.【】Pressure drop of the clean water across the filter increased with water flow rate in a power-law with a R2of 0.999 9. In the muddy water test, the flow rate was initially stable with the inflection point appearing about 18min-30min after inception of the experiment, after which it dropped sharply. Associated with such a flow rate change, the pressure loss across the filter was also stable at beginning, followed by a steady increase after the inflection point. It was found that the higher the flow rate and/or the sediment content was, the earlier the inflection point appeared for both flow rate and pressure loss, and that the clogging time was positively correlated to the duration of the filtration cycle. However, after the clogging, the turbidity of the effluent decreased, indicating an improved filtration effect.【】The new multi-stage composite mesh filter we developed has a similar hydraulic performance as the single mesh filter, and it prolonged the filtration cycle thereby improving the filtration efficacy. It thus suits micro-irrigation systems.

micro irrigation; mesh filter; filtering efficacy; clean water test; muddy water test

S275.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020021

1672 - 3317（2021）03 - 0110 - 06

李盛寶, 袁志華, 杜思琦, 等. 多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器水力性能試驗研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2021, 40(3): 110-115.

LI Shengbao, YUAN Zhihua, DU Siqi, et al. Experimental Study on the Hydraulic Performance of a Multi-stage Composite Mesh Filter[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(3): 110-115.

2020-01-15

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC400202）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程團隊項目；中央級科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資助項目（FIRI2019-01-01）

李盛寶（1992-），男。碩士研究生，主要從事節(jié)水灌溉設(shè)備研究。E-mail: 78711159@qq.com

韓啟彪（1984-），男。副研究員，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)與設(shè)備研究。E-mail: hanbiaoedu@126.com

責(zé)任編輯：白芳芳