離散型流道結(jié)構(gòu)疊片過濾器性能試驗(yàn)研究

王 欽，徐 鑫，王振華，張金珠

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；3.兵團(tuán)工業(yè)技術(shù)研究院，新疆 石河子 832000)

1 研究背景

近年來，滴灌技術(shù)在我國西北地區(qū)實(shí)現(xiàn)大面積推廣，滴灌系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用[1-4]。過濾器作為滴灌系統(tǒng)的首部裝置之一，具有凈化水質(zhì)，保證灌水器正常運(yùn)行的重要作用[5-8]。過濾器因其對(duì)水質(zhì)凈化效果好、耗能少、使用壽命長等優(yōu)勢(shì)，成為眾多國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)[9-11]。研究內(nèi)容主要包括不同過濾器的分類選型[12]、傳統(tǒng)過濾器結(jié)構(gòu)與過濾流程優(yōu)化等[13-14]；研究方法包含模擬仿真[15-17]、建立微型試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究[18-21]等。通過學(xué)者們的不斷研究和探索，過濾器的過濾效果和水力性能得到了大幅提高。

疊片過濾器內(nèi)部疊片的特殊流道結(jié)構(gòu)及流道的復(fù)合可對(duì)灌溉水實(shí)現(xiàn)三維高精度過濾[22]，同時(shí)其易于清洗，多應(yīng)用于滴灌首部。崔瑞等[23]將三角形過濾流道優(yōu)化為兩級(jí)進(jìn)行了水力性能試驗(yàn)，靠近進(jìn)水口側(cè)為一級(jí)流道，流道數(shù)較少，靠近出水口側(cè)為二級(jí)流道，流道數(shù)是一級(jí)流道的兩倍，試驗(yàn)表明流道優(yōu)化后水力性能明顯提升。楊培嶺等[24]基于分形理論改進(jìn)疊片過濾器，在疊片三角形凹槽流道中間加入緩沖槽，與直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，得出改進(jìn)優(yōu)化后的過濾器水頭損失和過濾效果優(yōu)于傳統(tǒng)過濾器的結(jié)論。Lee等[25]以疊片過濾器不同流道結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)過濾器進(jìn)行了水力性能和過濾性能研究，得出橢圓形凹槽流道疊片過濾器水力性能更好的結(jié)論。Chi等[26]將疊片過濾器濾芯分為3部分，采用計(jì)算流體力學(xué)的方法模擬了過濾器的運(yùn)行過程，結(jié)果表明其中部出現(xiàn)高壓區(qū)域，水頭損失最大。

以上的研究大多以直線型流道為研究對(duì)象，其研究結(jié)果對(duì)提升疊片過濾器水力性能有一定作用，但針對(duì)其他流道形式的研究較少?；诖?，本研究自主設(shè)計(jì)了一種具有離散型流道結(jié)構(gòu)的新型疊片，疊片上分布著大小一致的凸臺(tái)，凸臺(tái)相鄰排列構(gòu)成了過濾流道，形成的離散型流道水流流動(dòng)軌跡形式多樣，平均過流面積大。本文以水頭損失、攔沙量、除沙率、攔截泥沙粒徑等為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)離散型流道新型疊片過濾器與直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)，可為疊片過濾器的疊片流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

2 材料與方法

2.1 離散型流道疊片過濾器疊片設(shè)計(jì)

本研究采用的離散型流道疊片結(jié)構(gòu)如圖1所示。離散型流道疊片為圓環(huán)狀，圓環(huán)外徑R為43 mm，內(nèi)徑r為29 mm，疊片上下兩層均分布流道(圖1(b))。疊片上分布著大小一致的凸臺(tái)，凸臺(tái)相鄰排列構(gòu)成了過濾流道，所設(shè)置凸臺(tái)俯視圖為倒圓角正三角形，正三角形邊長為1 mm，圓角半徑r′為0.20 mm，凸臺(tái)高度為0.23 mm(圖1(c))。過濾過程中，雜質(zhì)顆粒隨水流進(jìn)入流道，由于靠近進(jìn)水口側(cè)周向上凸臺(tái)間距較大，大粒徑雜質(zhì)顆粒被攔截在疊片外側(cè)，小粒徑雜質(zhì)則隨水流進(jìn)入疊片內(nèi)部靠近出水口側(cè)，此時(shí)由于出水口側(cè)周向上凸臺(tái)間距較小，可對(duì)小粒徑雜質(zhì)起到攔截作用。為了對(duì)比，圖2展示了直線型流道傳統(tǒng)疊片的流道結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)。

圖1 離散型流道疊片結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

圖2 直線型流道疊片結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)平臺(tái)由水箱(長1.6 m×寬1.6 m×高0.6 m)、水泵(QDX1-10-0.25，上海豐浪機(jī)電有限公司生產(chǎn))、疊片過濾器(離散型流道新型疊片過濾器、直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器)、壓強(qiáng)傳感器(ELE-801，ELECALL)、數(shù)據(jù)采集儀(34970A-34901A，Agilent)、流量計(jì)(TTS-2，LASOAYQ)和變頻器(220-004E21，廣東東莞宇鑫科技有限公司生產(chǎn))組成，水循環(huán)管道直徑為32 mm，試驗(yàn)裝置見圖3。兩種過濾器均采用同一種外殼，同一外殼進(jìn)水口、出水口大小一致，水流均充滿過濾器。

圖3 疊片過濾器性能試驗(yàn)裝置

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

試驗(yàn)設(shè)置清水和含沙水兩種類型水源。清水試驗(yàn)主要測(cè)試疊片過濾器的水頭損失，含沙水試驗(yàn)主要測(cè)試疊片過濾器的水頭損失和過濾性能。試驗(yàn)過程中，將水箱中注滿自來水，水流由水泵提供動(dòng)力，從水箱進(jìn)入管道，依次流經(jīng)控制閥、壓力傳感器，經(jīng)過濾器過濾后，再次流經(jīng)壓力傳感器、控制閥、流量計(jì)，最后回流至水箱，實(shí)現(xiàn)循環(huán)過濾，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。過濾器的額定流量為3 m3/h，通過與水泵相連的變頻器，改變水泵交流電的頻率，控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制過濾器流量的目的。

清水試驗(yàn)時(shí)，緩慢調(diào)節(jié)變頻器上的按鈕和流量控制閥，當(dāng)流量計(jì)讀數(shù)達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定值時(shí)，按下計(jì)時(shí)器，使系統(tǒng)運(yùn)行5 min后，觀測(cè)數(shù)據(jù)采集儀上的讀數(shù)，通過分析進(jìn)、出口的壓力計(jì)算疊片過濾器的水頭損失。本試驗(yàn)中，測(cè)試流量范圍為0.50～2.75 m3/h，以0.25 m3/h為變化梯度，共進(jìn)行10組試驗(yàn)。

日常灌溉工作中，不同水源有著不同的含沙量。本研究考慮微灌易堵塞水流含沙量上限值范圍，設(shè)置3組進(jìn)水含沙量水平，即0.2、0.3、0.4 g/L。疊片過濾器裝置一般在網(wǎng)式過濾器或砂石過濾器之后，而經(jīng)一級(jí)過濾器過濾后水流中泥沙平均粒徑在0.18 mm以下，以此為依據(jù)設(shè)置含沙水中的泥沙顆粒級(jí)配及占比，具體見表1。

表1 含沙水試驗(yàn)的泥沙顆粒粒徑區(qū)間及占比

含沙水試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3個(gè)流量水平(Q=0.5、1.5、2.5 m3/h)和3個(gè)含沙率水平(0.2、0.3、0.4 g/L，即質(zhì)量含沙率為0.02%、0.03%、0.04%)，共9組試驗(yàn)。試驗(yàn)開始前，開啟水泵并調(diào)節(jié)閥門和變頻器至設(shè)計(jì)流量后，向水中加入配置好的泥沙，不斷攪拌使水沙混合均勻再開始試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，過濾器進(jìn)出口壓強(qiáng)通過壓強(qiáng)傳感器將壓強(qiáng)數(shù)值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，由數(shù)據(jù)采集儀每10 s自動(dòng)記錄一次；每隔1 min在過濾器進(jìn)、出口同時(shí)取樣，采集體積為100 mL的水樣，經(jīng)沉淀、稱重、烘干、再次稱重，計(jì)算水樣中泥沙的重量；觀察數(shù)據(jù)采集儀上的讀數(shù)，當(dāng)變化幅度較小時(shí)，結(jié)束本次試驗(yàn)，對(duì)疊片濾芯中所攔截的泥沙進(jìn)行清洗、烘干、稱重。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括水頭損失Hj、水頭損失回歸方程系數(shù)k、攔沙量、除沙率Sr以及被攔截泥沙的粒徑組成。

水頭損失反映了疊片過濾器的水力性能，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Hj為疊片過濾器水頭損失，m；Pin和Pout分別為過濾器水流進(jìn)口和出口壓強(qiáng)，Pa；γ為水的容重，N/m3。

回歸方程系數(shù)k可更為清晰地反映出水流流經(jīng)過濾器所產(chǎn)生的能量消耗變化趨勢(shì)，水頭損失Hj與流量Q的回歸方程如公式(2)所示[24]，由公式(2)可計(jì)算出回歸方程系數(shù)k。

Hj=kQ2

(2)

攔沙量反映過濾器對(duì)水中泥沙的去除效果，由清洗疊片下來的泥沙烘干稱重獲得。除沙率Sr更能準(zhǔn)確地反映過濾器運(yùn)行過程中攔截泥沙能力的變化，由下式計(jì)算：

(3)

式中：min和mout分別為過濾器進(jìn)口和出口水流的含沙量，g。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 清水條件下水頭損失對(duì)比

圖4為清水條件下兩種疊片過濾器水頭損失(Hj)隨流量(Q)的變化曲線。由圖4可見，疊片過濾器進(jìn)水流量越大，則水頭損失越大。在測(cè)試流量范圍內(nèi)，離散型流道新型疊片過濾器的水頭損失為0.10～2.34 m，直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器的水頭損失為0.20～3.46 m，前者水頭損失比后者低32.3%～50.0%。

圖4 兩種疊片過濾器的水頭損失(Hj)-流量(Q)關(guān)系曲線

兩種疊片過濾器的Hj-Q關(guān)系回歸方程及其系數(shù)k如表2所示。由表2可以看出，兩種疊片過濾器回歸方程的決定系數(shù)R2為0.97～0.98，離散型流道新型疊片過濾器的k值為0.313 82，而直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器的k值為0.465 72，故流經(jīng)前者的水流能量消耗小于后者。

表2 清水條件下兩種疊片過濾器的Hj-Q關(guān)系回歸方程及其系數(shù)

3.2 含沙水條件下水頭損失對(duì)比

各組次的試驗(yàn)結(jié)果表明，不同流量對(duì)由水流含沙量引起的水頭損失變化趨勢(shì)無影響，因此本文以1.5 m3/h流量下的試驗(yàn)為例進(jìn)行分析(該試驗(yàn)流量系根據(jù)試驗(yàn)過濾器與實(shí)際過濾器大小比例對(duì)實(shí)際運(yùn)行流量進(jìn)行縮尺計(jì)算獲得)。

圖5為不同進(jìn)水含沙率下兩種疊片過濾器水頭損失隨時(shí)間變化曲線。圖5中0.2、0.3、0.4分別代表0.2、0.3、0.4 g/L 3個(gè)進(jìn)水含沙率水平，L代表直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器，D代表離散型流道新型疊片過濾器(下同)。

圖5 不同進(jìn)水含沙率下兩種疊片過濾器的水頭損失隨時(shí)間變化曲線(Q=1.5 m3/s)

由圖5可以看出，兩種疊片過濾器的水頭損失變化趨勢(shì)分為3個(gè)階段：平穩(wěn)變化-急劇增大-平穩(wěn)變化。在過濾初始階段，被攔截的泥沙量少，水頭損失隨時(shí)間的變化幅度較小，運(yùn)行較為平穩(wěn)；隨著過濾器連續(xù)運(yùn)行，雜質(zhì)顆粒不斷被疊片攔截下來，疊片流道內(nèi)部實(shí)際過水面積逐漸減小，水頭損失不斷增大；在過濾末期，疊片流道被雜質(zhì)嚴(yán)重堵塞，水頭損失達(dá)到峰值，故不再變化。

對(duì)比兩種疊片過濾器可以發(fā)現(xiàn)，離散型流道新型疊片過濾器水頭損失出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間較晚，低水頭損失過濾周期較長，且水頭損失峰值在0.2、0.3、0.4 g/L進(jìn)水含沙率水平下較直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器分別小7.4%、10.0%、11.3%。分析可知，直線型流道疊片流道中三角形凹槽截面沿水流方向逐漸減小，三角形凹槽流道內(nèi)局部水頭損失呈不均勻變化。在含沙水條件下，沙粒容易在壓力突變處被截留，此時(shí)壓力降低，截留的沙粒增多，濾芯在短時(shí)間內(nèi)被堵塞，造成水頭損失突然增大，過濾時(shí)間較短。而離散型流道疊片流道中的水流運(yùn)動(dòng)軌跡形式多樣且壓力突變少，泥沙分布均勻，因此水頭損失變化平穩(wěn)，有效過濾周期較長。

3.3 攔沙量與除沙率對(duì)比

圖6為不同進(jìn)水含沙率下兩種疊片過濾器的攔沙量隨流量的變化曲線。由圖6可知，兩種疊片過濾器的攔沙量均與流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在相同進(jìn)水含沙率條件下，離散型流道疊片過濾器攔沙量大于直線型流道疊片過濾器，但隨著流量的增加，離散型流道疊片過濾器比直線型流道疊片過濾器多攔截的泥沙量逐漸減少，在0.2、0.3、0.4 g/L進(jìn)水含沙率條件，兩種疊片過濾器的攔沙量差值在流量為1.5 m3/h時(shí)，相較于在0.5 m3/h時(shí)分別減少50.3%、39.4%、38.7%；流量為2.5 m3/h時(shí)的攔沙量差值相較于在1.5 m3/h時(shí)分別減少55.0%、53.1%、30.0%。分析認(rèn)為，流量較小時(shí)，通過濾芯的水流較為平緩，水流通過流道時(shí)與壁面接觸時(shí)間較長，泥沙顆粒更容易被攔截；流量增大時(shí)，流速隨之增大，泥沙顆粒所攜帶的能量較大而不易被攔截，同時(shí)高速水流會(huì)將附著在濾芯上的部分泥沙顆粒帶走，致使攔沙量減小。

圖6 不同進(jìn)水含沙率下兩種疊片過濾器的攔沙量隨流量變化曲線

通過對(duì)過濾前、后的水樣含沙量計(jì)算，可得出疊片過濾器的除沙率，除沙率反映了疊片過濾器的過濾能力。圖7為進(jìn)水流量Q=1.5 m3/h時(shí)，不同進(jìn)水含沙率下兩種疊片過濾器的除沙率隨時(shí)間的變化情況。由圖7可見，兩種疊片過濾器的除沙率隨時(shí)間呈先增大后減小的趨勢(shì)，這與楊培嶺等[24]的研究結(jié)果一致。離散型流道疊片過濾器的除沙率明顯高于直線型流道疊片過濾器，離散型流道疊片過濾器的平均除沙率為18.94%，直線型流道疊片過濾器的平均除沙率為15.15%。這是由于凸臺(tái)的分離排列有利于湍流的發(fā)展，從而更有利于對(duì)泥沙的攔截。

圖7 不同進(jìn)水含沙率下兩種疊片過濾器的除沙率隨時(shí)間的變化情況(Q=1.5 m3/h)

3.4 攔截泥沙粒徑對(duì)比

圖8為進(jìn)水流量Q=1.5 m3/h時(shí)，不同進(jìn)水含沙率下兩種疊片過濾器攔截泥沙的粒徑分布。由圖8可知，離散型流道疊片過濾器對(duì)各粒徑范圍泥沙的攔截量一般大于直線型流道疊片過濾器，尤其對(duì)細(xì)粒徑泥沙的攔截效果較好。以進(jìn)水含沙率0.3 g/L為例，對(duì)于0～40 μm粒徑的泥沙，離散型流道疊片過濾器的攔沙量比直線型流道疊片過濾器大4.59%；對(duì)于40～53 μm粒徑的泥沙，前者比后者大10.05%；對(duì)于53～160 μm粒徑的泥沙，二者攔沙量差異較小，前者比后者大0.26%～2.06%。

圖8 不同進(jìn)水含沙率下兩種疊片過濾器攔截泥沙的粒徑分布(Q=1.5 m3/h)

4 討 論

水頭損失方面，在清水和3種含沙率的含沙水條件下，離散型流道新型疊片過濾器的水頭損失均小于直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器。分析認(rèn)為是由于兩種疊片過濾器的外觀尺寸相同但流道結(jié)構(gòu)不同，水流進(jìn)入直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器時(shí)，與流道邊壁產(chǎn)生接觸摩擦，耗能較多，水頭損失較大，這與楊培嶺等[27]的研究相一致；而離散型流道新型疊片過濾器的流道呈離散狀，水流進(jìn)入疊片后，與凸臺(tái)的接觸摩擦面積小于直線型流道，所消耗的能量減小，故水頭損失較小。

過濾效果方面，離散型流道新型疊片過濾器的攔沙量和除沙率均較高。離散型流道中凸臺(tái)分離排列，流道內(nèi)部水流的流動(dòng)范圍廣，流體交換面積大，水流流動(dòng)軌跡形式更多樣，使泥沙在凸臺(tái)之間沉降更均勻，因此提高了攔沙量和除沙率，這與Gharcheh等[28]的觀點(diǎn)相一致。

離散型流道對(duì)細(xì)粒徑泥沙攔截效果更好。因?yàn)樵摿鞯乐校古_(tái)間距沿徑向逐漸減小，隨水流進(jìn)入流道的大粒徑雜質(zhì)被攔截在疊片外側(cè)，即靠近進(jìn)水口一側(cè)，小粒徑雜質(zhì)隨水流進(jìn)入疊片內(nèi)側(cè)，但由于疊片內(nèi)側(cè)凸臺(tái)間距小，細(xì)顆粒不容易通過，因此被攔截下來。隨著過濾器的連續(xù)運(yùn)行，水流不斷進(jìn)入疊片時(shí)，小顆粒會(huì)被之前攔截的大粒徑雜質(zhì)與外側(cè)凸臺(tái)共同攔截，形成類似于砂石過濾器產(chǎn)生的三維過濾效果。另外，Xing等[29]從流體力學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)水流的流動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出水流在疊片中流動(dòng)時(shí)存在低速區(qū)和主流區(qū)，低速區(qū)與細(xì)顆粒沉降密切相關(guān)的結(jié)論；Khakimov[30]認(rèn)為水流遇到阻礙而繞流時(shí)會(huì)增加低速區(qū)的面積，凸臺(tái)的分離排列使得低速區(qū)的面積更大，泥沙更易被攔截。

5 結(jié) 論

本文以離散型流道新型疊片過濾器為研究對(duì)象，研究分析了新型疊片過濾器的水頭損失、攔沙量、除沙率、攔截泥沙粒徑分布等指標(biāo)，并與直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器進(jìn)行了對(duì)比，主要結(jié)論如下：

(1)清水條件下，離散型流道新型疊片過濾器的水頭損失在測(cè)試流量范圍內(nèi)比直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器小32.3%～50.0%；離散型流道新型疊片過濾器的水力特征回歸方程系數(shù)k為0.314，小于直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器的0.466，故能量消耗較低。

(2)含沙水條件下，兩種疊片過濾器水頭損失變化趨勢(shì)均為先平穩(wěn)變化后急劇增加再平穩(wěn)變化；離散型流道新型疊片過濾器水頭損失出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間較晚，有效過濾周期長，且其水頭損失峰值在0.2、0.3、0.4 g/L進(jìn)水含沙率水平下相較于直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器分別小7.4%、10.0%、11.3%。

(3)兩種疊片過濾器的攔沙量均與流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相同含沙量條件下離散型流道新型疊片過濾器的攔沙量大于直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器，但隨著流量的增加兩種疊片過濾器的攔沙量差值逐漸減少。離散型流道新型疊片過濾器的除沙率明顯大于直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器，在不同進(jìn)水含沙率條件下，離散型流道新型疊片過濾器的平均除沙率為18.94%，直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器的平均除沙率為15.15%。

(4)離散型流道新型疊片過濾器對(duì)各粒徑范圍泥沙的攔截量一般大于直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器，尤其對(duì)細(xì)粒徑泥沙的攔截效果較好。在進(jìn)水含沙率為0.3 g/L時(shí)，對(duì)于0～40 μm和40～53 μm粒徑的泥沙，離散型流道新型疊片過濾器的攔沙量分別比直線型流道傳統(tǒng)疊片過濾器的攔沙量大4.59%和10.05%。