水力驅(qū)動(dòng)滾筒式過(guò)濾裝置改進(jìn)后的性能探究

李琦　王嘉陽(yáng)　楊文新　閆成　楊縣委　張瑞涵

摘要：為了探究水力驅(qū)動(dòng)滾筒式過(guò)濾裝置在優(yōu)化后，滾筒轉(zhuǎn)速、過(guò)濾效率、試驗(yàn)現(xiàn)象的變化，分別進(jìn)行了滾筒靜止、轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)。結(jié)果顯示，清水試驗(yàn)時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速有明顯的提升;渾水試驗(yàn)時(shí)，裝置的過(guò)濾效率趨于穩(wěn)定且有所提升;通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的觀察，減少了泥沙在滾筒頭部的流失，發(fā)現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)泥沙隨滾筒在其中后部運(yùn)移而后沉積，增加了泥沙與濾網(wǎng)的接觸面積。分析認(rèn)為，在裝置驅(qū)動(dòng)方式改進(jìn)后，水流驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)速更加穩(wěn)定，進(jìn)而使轉(zhuǎn)速、過(guò)濾效率均提升。

關(guān)鍵詞：過(guò)濾效率;滾筒轉(zhuǎn)速;流量;含沙量;驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)化

Research on the Performance of Improved Hydraulic Driven Drum Filter

LI Qi1 WANG Jiayang1 YANG Wenxin3* YAN Cheng1 YANG Xianwei1

ZHANG Ruihan2

（1.2.3.College of Water Conservancy and Civil Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang， 830000 China）

Abstract： In order to explore the changes of drum speed， filtration efficiency and test phenomenon after the optimization of hydraulic driven drum filter device， the static and rotating tests of drum were carried out respectively. The results show that the rotation speed of the drum is obviously improved in the clean water test; the filtration efficiency of the device tends to be stable and improved in the muddy water test; through the observation of the test process， the loss of sediment in the head of the drum is reduced， and it is found that the sediment moves with the drum in the back and then deposits， increasing the contact area between the sediment and the filter screen. The analysis shows that after the improvement of the driving mode of the device， the rotation speed of the water flow driving drum is more stable， and the rotation speed and filtration efficiency are improved.

Key Words： Filtration efficiency; Drum speed; Flow rate; Sediment concentration; Optimization of driving mode

1 研究背景

水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，中國(guó)的國(guó)土面積中干旱和半干旱地區(qū)占絕大多數(shù)，成為世界上最缺水的國(guó)家其中之一，因此，我國(guó)未來(lái)水資源的形勢(shì)是嚴(yán)峻的^[1，2]，水資源的短缺直接影響了我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。在新疆地區(qū)，作物大量需水的生育期正是河流的汛期，80%以上的灌溉水源為地表水，主要來(lái)自于高山冰川雪水，部分來(lái)自于地下水，而地表水具有含沙量高和泥沙粒徑大的特點(diǎn)，作為微灌灌水源會(huì)造成作物減產(chǎn)，嚴(yán)重的會(huì)造成整個(gè)微灌系統(tǒng)癱瘓 ^[3，4]。目前新疆大致有 1.5 萬(wàn)套微灌系統(tǒng)，首部過(guò)濾多采用多個(gè)網(wǎng)式過(guò)濾器并聯(lián)，而堵塞問(wèn)題嚴(yán)重威脅著過(guò)濾器的正常工作^[5]。新疆地區(qū)灌溉水源多為地表水，含有不同程度的污物及雜質(zhì)，容易造成灌水器的堵塞^[6]。因此，處理灌溉用水中的泥沙對(duì)滴灌尤為重要。常用的過(guò)濾裝置^[7]主要包括離心過(guò)濾器、疊片式過(guò)濾器、砂石過(guò)濾器和網(wǎng)式過(guò)濾器等^[8]，其中網(wǎng)式過(guò)濾器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能自動(dòng)清洗等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用廣泛。不同網(wǎng)式過(guò)濾器過(guò)濾原理大同小異，大都是設(shè)置濾網(wǎng)攔截污物。而清洗的原理卻有較大差異，有刷式、吸污式^[9]、反沖洗式、直沖洗式等，且清洗過(guò)程較過(guò)濾過(guò)程更為復(fù)雜^[10]。課題組所研究的水力驅(qū)動(dòng)滾筒式過(guò)濾裝置十分節(jié)能環(huán)保，適合廣大農(nóng)戶使用。采用理論研究及模型試驗(yàn)、原型觀測(cè)的方法充分認(rèn)識(shí)過(guò)濾器的過(guò)濾機(jī)理、運(yùn)行特性，對(duì)優(yōu)化過(guò)濾器結(jié)構(gòu)、提高過(guò)濾器的過(guò)濾效率，都具有十分重要的意義^[11]，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)，水力驅(qū)動(dòng)滾筒式過(guò)濾裝置雖滿足節(jié)能環(huán)保要求，但過(guò)濾效率仍有待提升，裝置本身也存在一些問(wèn)題。因此，本文提出對(duì)水力驅(qū)動(dòng)滾筒式過(guò)濾裝置進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)裝置本身的不足，過(guò)濾效率也有了很大的改觀，為后續(xù)過(guò)濾器的研究進(jìn)行指導(dǎo)。

2 材料與方法

2.1試驗(yàn)裝置及工作原理

試驗(yàn)裝置由蓄水池、渾水池、清水池三部分組成。蓄水池用來(lái)儲(chǔ)存過(guò)濾后的水，其材料為有機(jī)玻璃，清水池內(nèi)的水由水泵抽取沖擊滾筒外部的葉片。滾筒由過(guò)濾筒體、濾網(wǎng)、葉片、轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。試驗(yàn)裝置工作原理：試驗(yàn)開(kāi)始前先在清水池中蓄滿清水，渾水池中先蓄滿清水和泥沙。蓄水池中蓄入約三分之一的水，試驗(yàn)開(kāi)始后從清水池中抽水沖擊筒壁外壁的葉片使?jié)L筒轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)從渾水池中抽取渾水進(jìn)入滾筒，再?gòu)男钏刂谐槿〗?jīng)過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾后的水進(jìn)入清水池，從而整個(gè)裝置形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。圖1為試驗(yàn)循環(huán)示意圖。改進(jìn)后的水力驅(qū)動(dòng)滾筒式過(guò)濾裝置由水流沖擊滾筒內(nèi)部的葉片改進(jìn)為沖擊滾筒外部的葉片，從而驅(qū)使?jié)L筒轉(zhuǎn)動(dòng);通沙時(shí)，渾水通過(guò)進(jìn)水管直接進(jìn)入滾筒內(nèi)部，避免了泥沙在滾筒頭部的流失。裝置的相關(guān)參數(shù)如下：攪水泵1臺(tái)（功率70w），渾水泵1臺(tái)（功率125w），清水泵1臺(tái)（功率85w）;濾網(wǎng)為120目的不銹鋼濾網(wǎng);長(zhǎng)10cm、寬2.5cm的矩形葉片;滾筒直徑為21cm，（長(zhǎng)為51.5cm）。

2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn)。清水試驗(yàn)是為了探究裝置改進(jìn)后滾筒轉(zhuǎn)速的變化;渾水試驗(yàn)分為滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)和靜止試驗(yàn)。探究在設(shè)定的流量、含沙量下裝置在改進(jìn)后的轉(zhuǎn)速和過(guò)濾效率，并與改進(jìn)前的裝置進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)設(shè)定了3組流量：1.2m³/h、2.4m³/h、3.5m³/h;3組含沙量：0.5kg/m³、0.8kg/m³、1.2kg/m³，在滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)情況下，清水試驗(yàn)時(shí)分別測(cè)定3個(gè)流量下滾筒的轉(zhuǎn)速，渾水試驗(yàn)時(shí)控制流量，測(cè)定3個(gè)含沙量下滾筒的轉(zhuǎn)速;在試驗(yàn)進(jìn)行的20s、40s、60s、2min、4min、9min、15min時(shí)取過(guò)濾后的水，計(jì)算裝置在3組流量、含沙量下的過(guò)濾效率。在滾筒靜止時(shí)，在7個(gè)時(shí)間段時(shí)分別取過(guò)濾后的水，計(jì)算3組含沙量下裝置的過(guò)濾效率。

2.3試驗(yàn)材料

本 試驗(yàn)中濾網(wǎng)大小為120目。泥沙顆粒大小是影響篩網(wǎng)過(guò)濾器堵塞特性的主要因素^[12]，本試驗(yàn)?zāi)嗌辰?jīng)過(guò)初步粗篩，粒徑小于0.5mm的沙子占比100%，而粒徑小于0.075mm的沙子占比2.78%。圖2為泥沙粒徑級(jí)配圖。

圖2 泥沙粒徑級(jí)配圖

本次試驗(yàn)在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院農(nóng)水實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)所用的主要儀器有最大稱(chēng)量2kg分度值0.01g電子天平1臺(tái)、500mL的錐形瓶10個(gè)、500ml的燒杯2個(gè)、1000ml的量杯10個(gè)。

3結(jié)果與討論

3.1 清水條件下滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)比

清水試驗(yàn)測(cè)定流量為1.2、2.4、3.5m³/h下滾筒的轉(zhuǎn)速大小。表1為不同流量下裝置改進(jìn)前后的轉(zhuǎn)速對(duì)比。新的裝置將滾筒內(nèi)部的葉片改為在滾筒外部，水流直接從外部沖擊驅(qū)使其轉(zhuǎn)動(dòng)，且水不再在滾筒頭部積蓄，阻力小，裝置改進(jìn)后的沖刷水管位置變高，增加了水的重力勢(shì)能，故滾筒的轉(zhuǎn)速較之前有很大提升，如表1所示。

3.2 渾水條件下滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)比

試驗(yàn)控制流量分別在1.2、2.4、3.5m³/h下，測(cè)定含沙量為0.5、0.8、1.2kg/m³時(shí)裝置在不同時(shí)刻下的轉(zhuǎn)速大小，取10～11min的轉(zhuǎn)速，如表2所示。而改進(jìn)前的裝置在試驗(yàn)進(jìn)行8min后基本停止轉(zhuǎn)動(dòng)，故探究其在4～5min時(shí)的轉(zhuǎn)速大小，和改進(jìn)后的裝置進(jìn)行比較。與清水條件的情況一樣，水不再在滾筒頭部積蓄，且由于重力作用使葉片受水流的沖擊力更強(qiáng);其次渾水通過(guò)進(jìn)水管直接進(jìn)入滾筒內(nèi)部，避免了泥沙在滾筒頭部的聚集從而減少對(duì)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)影響。

3.3 改進(jìn)后裝置在靜止時(shí)的過(guò)濾效率分析

圖3所示為通過(guò)研究分析得出來(lái)的裝置在不同含沙量，不同時(shí)刻下的過(guò)濾效率。在含沙量為0.8kg/m³時(shí)，20s時(shí)刻時(shí)裝置的過(guò)濾效率僅為39.623%，但在相同含沙量下，15min時(shí)裝置的過(guò)濾效率達(dá)到100%，過(guò)濾效率很不穩(wěn)定，由此可以看出“滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)”對(duì)于裝置過(guò)濾性能的重要性，因此本次試驗(yàn)重點(diǎn)研究裝置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的過(guò)濾性能。由圖3分析可得，裝置在靜止時(shí)由于滾筒未轉(zhuǎn)動(dòng)，即使減少了滾筒頭部的水沙流失、改進(jìn)了裝置的驅(qū)動(dòng)方式，過(guò)濾效率依舊波動(dòng)幅度較大。

3.4 改進(jìn)后裝置在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的過(guò)濾效率分析

圖4所示為裝置在流量為1.2、2.4、3.5m³/h時(shí)，在含沙量為0.5、0.8、1.1kg/m³下裝置的過(guò)濾效率。在小流量（流量1.2、2.4m³/h）情況下，優(yōu)化后的裝置過(guò)濾效率仍存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，但由于轉(zhuǎn)速的提升在過(guò)濾時(shí)很大程度上減少了因裝置停止轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)其過(guò)濾效率產(chǎn)生的影響，其過(guò)濾效率相對(duì)于裝置優(yōu)化前更加穩(wěn)定;在大流量（流量為3.5m³/h）情況下，不同含沙量對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻下的過(guò)濾效率更加穩(wěn)定，整體過(guò)濾效率有所提升;在大含沙量下過(guò)濾效率的優(yōu)化尤為明顯，過(guò)濾效率趨于穩(wěn)定，且當(dāng)流量為3.5m³/h，含沙量為1.2kg/m³時(shí)，在40s，60s，2min，4min，9min，15min不同時(shí)刻下，過(guò)濾效率可穩(wěn)定在98%左右，相較于優(yōu)化前的裝置，過(guò)濾效率有了明顯的改善。

3.5 試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比分析

（1）裝置驅(qū)動(dòng)方式改進(jìn)前，當(dāng)流量為3.5m³/h、含沙量為1.2kg/m³時(shí)，拍攝試驗(yàn)結(jié)束時(shí)滾筒內(nèi)部的現(xiàn)象，如圖5所示。從圖中發(fā)現(xiàn)，泥沙在滾筒的頭部和中部居多，尾部較少。分析認(rèn)為，在裝置優(yōu)化之前，驅(qū)動(dòng)方式是進(jìn)水管直接擊打葉片，從而使泥沙進(jìn)入滾筒的同時(shí)，滾筒也開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于在通沙時(shí)，泥沙和葉片有一定的沖擊力，所以一部分泥沙流失到滾筒外，一部分在滾筒頭部聚集，還有一部分隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)在中后部運(yùn)移，直到滾筒停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）裝置驅(qū)動(dòng)方式改進(jìn)后，與改進(jìn)前的試驗(yàn)條件相同的情況下，即當(dāng)流量為3.5m³/h、含沙量為1.2kg/m³時(shí)，拍攝試驗(yàn)結(jié)束時(shí)滾筒內(nèi)部的現(xiàn)象，如圖6所示。從圖中發(fā)現(xiàn)，泥沙均勻分布在滾筒的前、中、后部分，而非在滾筒頭部聚集，分析認(rèn)為，裝置優(yōu)化之后，驅(qū)動(dòng)方式為水流從外部沖擊葉片（葉片安裝在滾筒頭部外側(cè)），進(jìn)水管通入滾筒內(nèi)部，使泥沙直接進(jìn)入滾筒內(nèi)，減少了葉片對(duì)水流的阻礙。由于避免了泥沙在滾筒頭部的流失，故泥沙與濾網(wǎng)的接觸面積增大，使其過(guò)濾更加充分。

4 結(jié)論

（1）驅(qū)動(dòng)方式改變后，泥沙在滾筒的前、中、后部隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，與濾網(wǎng)的接觸更充分，且泥沙不在滾筒頭部流失、聚集。

（2）驅(qū)動(dòng)方式改變后，轉(zhuǎn)速得到了明顯的提升，避免了因轉(zhuǎn)速過(guò)低導(dǎo)致過(guò)濾效率不穩(wěn)定的結(jié)果。

（3）在設(shè)定的條件下，過(guò)濾效率隨著含沙量和流量的增大而增大并且變得穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]科學(xué)技術(shù)部中國(guó)農(nóng)村技術(shù)開(kāi)發(fā)中心組.節(jié)水農(nóng)業(yè)在中國(guó)[M].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[2]錢(qián)蘊(yùn)壁，李能英，楊剛，等.節(jié)水農(nóng)業(yè)新技術(shù)研究[M].黃河水利出版社，2002，1-24.

[3]任改萍，吳普特，朱德蘭，等.泥沙粒徑對(duì)大流道迷宮灌水器堵塞影響研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2016，35（003）：1-6.

[4]王軍.微灌用過(guò)濾器水力性能的試驗(yàn)研究[D].石河子：石河子大學(xué)，2004.

[5]喻黎明，徐洲，楊具瑞，等.CFD-DEM耦合模擬網(wǎng)式過(guò)濾器局部堵塞[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34（18）：130-137.

[6]周洋，陶洪飛，楊文新，等.旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過(guò)濾器轉(zhuǎn)速變化規(guī)律及影響因素研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào). 2020，31（06）.

[7]張志新.滴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007：60-141.

[8]蔡九茂，李莉，翟國(guó)亮，等.3種微灌砂過(guò)濾器水動(dòng)三向閥性能比較試驗(yàn)研究[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2017，35（007）：596-601.

[9]駱秀萍，劉煥芳，宗全利，等.自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器排污流量的計(jì)算[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，30（005）：588-591，608.

[10]陶洪飛，滕曉靜，馬英杰，等.直沖洗網(wǎng)式過(guò)濾器的流場(chǎng)模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].水電能源科學(xué)，2017，35（008）：98-102.

[11]秦天云.滴灌系統(tǒng)網(wǎng)式與疊片式過(guò)濾器工作性能及影響因素研究[D].西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017.

[12] Zeier K R， Hills D J. Trickle Irrigation Screen Filter Performance as Affected by Sand Size and Concentration[J]. Transactions of the ASAE，1987，30（003）：735-739.