兩種不同流道結(jié)構(gòu)的疊片水頭損失研究

崔 瑞，崔春亮，盛祥明，雷建花，陳志卿

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049；2.新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)中心，新疆 烏魯木齊 830049)

1 研究背景

網(wǎng)式、疊片、介質(zhì)過(guò)濾器做為常用3種過(guò)濾器廣泛地應(yīng)用在滴灌系統(tǒng)首部中，其中由于疊片過(guò)濾器中的疊片具有獨(dú)特流道結(jié)構(gòu)，使其具有過(guò)濾效率高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前對(duì)疊片過(guò)濾器性能的研究集中在試驗(yàn)、研制和數(shù)值模擬等方面。阿不都·沙拉木等[1]、秦天云等[2-3]分別通過(guò)試驗(yàn)分析了在過(guò)濾含藻類的地表水時(shí)，疊片過(guò)濾器過(guò)濾效果上優(yōu)于網(wǎng)式過(guò)濾器；在渾水條件下疊片過(guò)濾器的除沙效率大于網(wǎng)式過(guò)濾器。楊萬(wàn)龍等[4]、劉廣榮等[5]、王棟等[6]、王燕燕[7]、張娟娟等[8]、李楠等[9]在疊片過(guò)濾器的研制上對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使得目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的性能和過(guò)濾效果與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)。肖新棉等[10-11]、李浩等[12]用CFD軟件對(duì)疊片過(guò)濾器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別得出了疊片的最優(yōu)層數(shù)和過(guò)濾器進(jìn)口管路與濾筒之間的最優(yōu)夾角。此外新疆水科院針對(duì)自主研發(fā)的幾種形式的疊片過(guò)濾器也進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，如申祥民等[13]對(duì)三芯和多連體組合疊片過(guò)濾器進(jìn)行了水力學(xué)性能試驗(yàn)研究，在水頭損失上得出三芯疊片過(guò)濾器優(yōu)于多連體組合疊片過(guò)濾器。崔春亮等[14]針對(duì)疊片過(guò)濾器與國(guó)外同類產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明自主研發(fā)的高性能疊片過(guò)濾器的過(guò)流性能、抗壓能力和過(guò)濾精度均達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平。王君等[15]針對(duì)自主研發(fā)的疊片過(guò)濾器進(jìn)行了研究，通過(guò)試驗(yàn)得出其水頭損失與其他疊片過(guò)濾器水頭損失規(guī)律相同。

新疆水科院在2010年申請(qǐng)了疊片生產(chǎn)工藝的發(fā)明專利——用電鑄法生產(chǎn)疊片過(guò)濾器疊片模具的工藝，2012年獲得專利號(hào)ZL 2010 1 6534331.5。2015年又研發(fā)出新型復(fù)合流道疊片-多級(jí)復(fù)合流道疊片，專利號(hào)ZL 2013 2 0094335.5，該研發(fā)成果針對(duì)傳統(tǒng)疊片即單一的直線型流道進(jìn)行了改進(jìn)。

2 復(fù)合流道疊片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)合流道疊片介紹

本文采用的多級(jí)復(fù)合流道疊片見圖1，將此疊片裝入3"的疊片過(guò)濾器中，疊片過(guò)濾器(耐壓等級(jí)為0.8 MPa)見圖2。本次試驗(yàn)在新疆水利水電科學(xué)研究院過(guò)濾器檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試完成。

本次試驗(yàn)研究所采用的新型疊片的特點(diǎn)是：將原有的傳統(tǒng)直線型流道即一級(jí)過(guò)濾形式優(yōu)化為兩級(jí)流道過(guò)濾，其中一級(jí)流道的過(guò)濾精度為60目，二級(jí)流道過(guò)濾精度為120目。新型疊片的過(guò)濾精度與外形尺寸均采用傳統(tǒng)直線型流道疊片，這樣使得復(fù)合流道疊片可以進(jìn)行兩級(jí)過(guò)濾，即60目初級(jí)過(guò)濾與120目精細(xì)過(guò)濾，同時(shí)簡(jiǎn)化了新的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于批量生產(chǎn)，使其具有產(chǎn)業(yè)化的能力。

圖1復(fù)合疊片外觀圖 圖2水動(dòng)疊片過(guò)濾器圖

2.2 復(fù)合流道疊片的設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)疊片形式：為圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)、疊片上下表面有V型溝槽，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(2)疊片設(shè)計(jì)參數(shù)：疊片外徑(一級(jí)流道外徑)為57.5 mm；二級(jí)流道外徑(一級(jí)流道內(nèi)徑)為52.5 mm；二級(jí)流道內(nèi)徑為42.5 mm；流道斜度為27°；溝槽深0.14 mm；一級(jí)流道流道數(shù)量(雙面)480條；二級(jí)流道流道數(shù)量(雙面)960條；一級(jí)流道槽寬1.5 mm，二級(jí)流道槽寬0.75 mm；疊片厚度1.2 mm。

圖3復(fù)合流道疊片結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

3 試驗(yàn)裝置與測(cè)試數(shù)據(jù)

(1)試驗(yàn)儀器設(shè)備：水泵、進(jìn)水口壓力表、3"三組濾芯疊片過(guò)濾器(設(shè)計(jì)過(guò)流能力為60 m3/h)，出口壓力表、流量控制平臺(tái)、回水管道。圖4為本次試驗(yàn)裝置示意圖。

(2)本次試驗(yàn)疊片過(guò)濾器裝入的疊片為自主研制的復(fù)合流道疊片(下文簡(jiǎn)稱復(fù)合疊片)和傳統(tǒng)直線型流道疊片(下文簡(jiǎn)稱傳統(tǒng)疊片)。

(3)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)：試驗(yàn)共設(shè)置了7組不同流量，測(cè)試并收集兩種疊片的水頭損失的數(shù)據(jù)，主要采集以下幾方面的數(shù)據(jù)：水泵流量；進(jìn)水口壓力值；出水口壓力值；進(jìn)出口壓差即水頭損失。

4 結(jié)果與分析

試驗(yàn)對(duì)過(guò)濾器中兩種不同流道結(jié)構(gòu)的疊片進(jìn)行了水力學(xué)性能測(cè)試，兩種疊片流量與水頭損失關(guān)系見表1和圖5。

從表1和圖5分析可知，隨著流量的增加，測(cè)試的兩種疊片的水頭損失都在逐漸增加，并且水頭損失與流量呈現(xiàn)冪函數(shù)的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到0.99以上。通過(guò)表1中數(shù)據(jù)分析，當(dāng)流量范圍為40～50 m3/h時(shí)，復(fù)合疊片的水頭損失在2.0 m之內(nèi)，而傳統(tǒng)疊片的水頭損失達(dá)到2.22 m；當(dāng)流量超過(guò)55 m3/h，尤其是達(dá)到設(shè)計(jì)過(guò)流能力(60 m3/h)時(shí)，兩種疊片的水頭損失均有較大幅度的增加，但復(fù)合疊片水頭損失增加幅度明顯小于傳統(tǒng)疊片。

圖4 試驗(yàn)裝置示意圖

圖6為兩種疊片流量與水頭損失差值關(guān)系曲線。從圖6可以看出，隨著流量的增加，傳統(tǒng)疊片與復(fù)合疊片的水頭損失差值在逐漸加大，二者的水頭損失差值與流量呈現(xiàn)出線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.98。從而進(jìn)一步說(shuō)明隨著流量的增加復(fù)合疊片的水頭損失要明顯小于傳統(tǒng)疊片。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于復(fù)合疊片和傳統(tǒng)疊片的流道布置方式的差異所造成的。雖然兩種疊片的流道長(zhǎng)度均于為15 mm，但是復(fù)合疊片的流道長(zhǎng)度由兩部分組成，其中一級(jí)流道長(zhǎng)度為5 mm，二級(jí)流道長(zhǎng)度為10 mm，由于復(fù)合疊片的一級(jí)流道過(guò)濾精度為60目，所對(duì)應(yīng)的溝槽寬度比二級(jí)流道過(guò)濾精度為120目的寬。當(dāng)水流經(jīng)過(guò)兩種疊片時(shí)，復(fù)合的水頭損失是60目流道的水頭損失與120目流道的水頭損失之和，而傳統(tǒng)疊片流道尺寸統(tǒng)一為120目，所以5 mm長(zhǎng)度的60目流道水頭損失要小于對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的120目流道水頭損失，故而復(fù)合疊片的總水頭損失小于傳統(tǒng)疊片的水頭損失。

表1 兩種疊片流量-水頭損失關(guān)系

圖5兩種疊片流量-水頭損失關(guān)系曲線 圖6兩種疊片流量-水頭損失差值關(guān)系曲線

5 結(jié) 論

(1)兩種流道結(jié)構(gòu)疊片的水頭損失與流量的關(guān)系為冪函數(shù)，且水頭損失與流量高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.99以上。隨著流量的增加，兩種疊片的水頭損失都在增加。在相同的流量下，復(fù)合疊片的水頭損失小于傳統(tǒng)疊片。隨著流量的增加，復(fù)合疊片和傳統(tǒng)疊片的水頭損失值變化幅度較大。

(2)兩種疊片的水頭損失差值與流量呈線性函數(shù)的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.98，進(jìn)一步說(shuō)明了在相同流量下，復(fù)合疊片能量損失較小，能耗較低。

后續(xù)將繼續(xù)完善復(fù)合流道疊片的試驗(yàn)，首先要對(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其次重點(diǎn)研究復(fù)合疊片的抗堵塞性能，最終使得新型疊片能在節(jié)水灌溉中得到廣泛應(yīng)用。