自清洗網(wǎng)式過濾器排污系統(tǒng)數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

吳玉秀，劉貞姬，謝 炎，Seyed Farshid Chini，劉冬冬

（1.新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)工程分院，新疆 昌吉 831100；2.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；3.School of Mechanical Engineering，College of Engineering，University of Tehran，Tehran 1417613131，Iran）

0 引言

在新疆，灌溉用水一般來自高山冰雪融水，導(dǎo)致灌溉水源中含有泥沙、漂浮物以及雜草等，會在不同程度上堵塞微灌系統(tǒng)，很大程度上降低微灌系統(tǒng)的使用壽命［1-3］。為了防止微灌系統(tǒng)的堵塞，需使用過濾器過濾灌溉水源中的泥沙雜質(zhì)。網(wǎng)式過濾器中泥沙雜質(zhì)會在濾網(wǎng)上積聚逐漸形成濾餅，增大過濾器水頭損失，減少過水流量［4，5］，而自清洗網(wǎng)式過濾器排污系統(tǒng)可以有效減少濾網(wǎng)上的泥沙雜質(zhì)，提高過濾器運(yùn)行效率。

目前，眾多學(xué)者對網(wǎng)式過濾器試驗和數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了大量研究。宗全利等［6］通過對過濾器進(jìn)行堵塞試驗，得到了濾餅層內(nèi)外顆粒粒徑分布規(guī)律以及濾網(wǎng)孔徑與堵塞時間的關(guān)系，并建立了濾網(wǎng)內(nèi)外壓降與濾網(wǎng)厚度、濾網(wǎng)孔徑、孔隙率等的定量關(guān)系式；茍歡歡［7］等通過試驗分析了石塑混合、石英砂與PVC 塑料3 種介質(zhì)的水力特性，發(fā)現(xiàn)PVC 塑料介質(zhì)的水力性能優(yōu)于石塑混合介質(zhì)和石英砂介質(zhì)水力性能；李盛寶等［8］通過對微灌多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器進(jìn)行渾水試驗，發(fā)現(xiàn)過濾器進(jìn)水流量和含沙量越大，過濾器發(fā)生堵塞的時間越短；王棟蕾等［9］運(yùn)用Fluent流體軟件對自動清洗結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場分析，改變排沙管、吸管直徑，使各個吸管的流量基本保持一致，優(yōu)化了過濾器結(jié)構(gòu)；陶洪飛等［10］以全自動網(wǎng)式過濾器為研究對象，對過濾器出水管角度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)出水管與罐體夾角越小，過濾器內(nèi)部流場和壓強(qiáng)越均勻；周理強(qiáng)等［11］通過CFD-DEM 耦合數(shù)值模擬及試驗方法探究了導(dǎo)流片對Y型網(wǎng)式過濾器的水力性能的影響。目前自清洗網(wǎng)式過濾器研究大多數(shù)是對現(xiàn)有既定的過濾器結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)試驗與數(shù)值模擬研究，而對于排污系統(tǒng)參數(shù)改變對過濾器排污性能影響的研究相對較少，并且對自清洗網(wǎng)式過濾器排污系統(tǒng)的模擬研究皆未考慮旋噴管對排污系統(tǒng)的影響。

通過對過濾器排污系統(tǒng)吸附吸力和旋噴動力進(jìn)行理論分析確定影響排污效果的因素，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件對排污系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析排污系統(tǒng)壓強(qiáng)云圖和速度云圖，探究不同參數(shù)對自清洗網(wǎng)式過濾器排污系統(tǒng)的影響，得到排污系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 排污系統(tǒng)旋噴動力與吸附吸力理論分析

1.1 旋噴動力理論分析

1.1.1 當(dāng)排污系統(tǒng)開始旋轉(zhuǎn)前

取1-1、2-2斷面之間的流體為控制體，如圖1所示。

圖1 旋噴管計算示意圖Fig.1 Schematic diagram of the calculation of the swirl nozzle

排污系統(tǒng)未旋轉(zhuǎn)時，出流前的速度為0，則其速度變化為：

式中：V1為出流前速度，m/s；V2為噴出速度，m/s；?P為過濾器進(jìn)出口壓降，m。

根據(jù)動量方程計算管嘴在y方向上所受的作用力：

式中：β=β1=β2；QP為排污需水量，m3/h。

1.1.2 排污系統(tǒng)開始旋轉(zhuǎn)后

排污系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)后，計算示意圖如圖1 所示，仍取1-1、2-2 斷面之間的流體為控制體。水流相對于噴嘴的速度為：

式中：ω為旋噴管角速度，rad/s；r為出水水流旋噴半徑，m。

1-1斷面處取在靠轉(zhuǎn)軸處，該處牽連速度趨于零，則控制體進(jìn)出口斷面水流流速在y方向上的速度變化為：

根據(jù)動量定律，管嘴在所受的作用力為：

1.2 吸嘴吸附吸力理論分析

取任意一個吸沙組件作為研究對象［12］，將吸沙組件入口視為寬為b，長為l的矩形，假設(shè)吸沙組件入口外為3-3 斷面，入口內(nèi)為4-4 斷面，取3-3 斷面為基準(zhǔn)參考面，對吸沙組件3-3 斷面及4-4斷面列能量方程：

式中：z3為3-3斷面相對高程，m；z4為4-4斷面相對高程，m；P3為3-3斷面處壓強(qiáng)，kPa；P4為4-4斷面處壓強(qiáng)，kPa；v3為進(jìn)水口3-3斷面處的平均水流流速，m/s；v4為進(jìn)水口4-4 斷面處的平均水流流速，m/s；α3，α4為修正系數(shù)，均取為1；β'為吸沙組件入口局部水頭損失系數(shù)。

圖2 吸沙組件計算示意圖Fig.2 Schematic diagram of the calculation of sand suction components

由于3-3斷面處平均流速較小，可將v3近似取為零，由連續(xù)性方程可得4-4斷面處的流速為：

則產(chǎn)生的吸附力為（忽略水頭損失）：

從式（2）可以看出，旋噴管未旋轉(zhuǎn)前，旋噴動力即旋噴啟動力，受排污流量和過濾器壓降影響，從式（5）可以看出，在排污流量一定的情況下，旋噴動力大小受進(jìn)出旋噴管的水流旋噴半徑以及過濾器壓降影響；從式（8）可以看出，在排污流量一定的情況下吸附吸力的大小與受吸沙組件吸嘴的尺寸大小影響，吸沙口的尺寸越小吸附吸力也就越大。

2 排污系統(tǒng)物理模型建立

2.1 物理模型建立

自清洗式網(wǎng)式過濾器由罐體、濾網(wǎng)（粗濾網(wǎng)和細(xì)濾網(wǎng)）和排污系統(tǒng)組成，其中排污系統(tǒng)包括帶有矩形吸沙口的吸沙組件、排沙管以及具有相反開口方向的水力旋噴管。采用ICEM CFD軟件對自清洗網(wǎng)式過濾器三維建模以及網(wǎng)格劃分，本文直接采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，全部為四面體網(wǎng)格單元，網(wǎng)格數(shù)量為1 189 252。圖3為物理模型的結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分圖。

圖3 網(wǎng)式過濾器三維模型及網(wǎng)格劃分Fig.3 3D model of mesh filter and meshing

2.2 邊界條件

過濾器進(jìn)水口設(shè)置為速度入口，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為過濾器進(jìn)水管直徑［13］；排污口設(shè)為壓力出口，回流湍流強(qiáng)度取默認(rèn)值，由于排污管與大氣相通，且非滿管流，所以出口壓力為大氣壓；在排污過程中，由于出水口關(guān)閉，所以設(shè)置出水口為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；將排污系統(tǒng)的吸沙組件的矩形進(jìn)口和旋噴管的出口設(shè)定為內(nèi)部面邊界。流體介質(zhì)為清水，流體密度為1 000 kg/m3。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型［14，15］，數(shù)值計算采用定常的非耦合隱式算法，速度耦合選用SIMPLEC 算法，差分格式選用二階迎風(fēng)格式，收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)為1×10-4。

2.3 模型驗證

為了驗證數(shù)值模擬的可靠性，通過對排污過程結(jié)束，即在濾網(wǎng)無堵塞的情況下，對不同進(jìn)水流速下進(jìn)出水管壓強(qiáng)進(jìn)行測量得到其試驗值［16，17］，通過試驗值與模擬值曲線可知，最大相對誤差為9.8%，說明模擬值與試驗值具有較高的吻合度。

圖4 試驗與模擬結(jié)果驗證Fig.4 Validation of test and simulation results

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 排污過程流速場分析

從圖5中可以看出，自清洗網(wǎng)式過濾器排污過程中，關(guān)閉出水口，打開排污口，水流只能從吸沙組件的吸嘴進(jìn)入，然后由旋噴口排出，一部分泥沙顆粒被水流挾帶到排污系統(tǒng)內(nèi)，而積聚在濾網(wǎng)上不易清除的泥沙顆粒則通過吸嘴的吸附力進(jìn)行吸附清除。排污過程中4 個吸嘴流速有較大的差別，吸嘴1～4 流速分別為1.57、1.65、1.82、4.53 m/s，最大流速出現(xiàn)在吸嘴4 處，最小流速出現(xiàn)在吸嘴1 處，流速差為2.96 m/s。根據(jù)文獻(xiàn)［18］可知，排污系統(tǒng)吸嘴處流速大小與吸嘴產(chǎn)生的吸附吸力成正比，所以吸嘴1～4 的吸附吸力也逐漸增大，但各吸嘴吸力大小不均勻不利于泥沙完全排出，而且也不能均勻地清除濾網(wǎng)上泥沙。而且由于各吸嘴流速不同，也導(dǎo)致排沙管內(nèi)流速分布不均勻，從左到右流速逐漸增大，特別是排沙管左端流速較小基本接近為0，可能會存在泥沙積聚且不易排出。

圖5 自清洗網(wǎng)式過濾器排污過程速度云圖Fig.5 Velocity cloud diagrams of self-cleaning mesh filter during sewage discharge

3.2 排污過程壓強(qiáng)場分析

吸沙組件與罐體之間有較大壓強(qiáng)差，排污系統(tǒng)通過壓強(qiáng)差產(chǎn)生的吸附吸力將泥沙清除。從圖6 可以看出，各吸沙組件吸嘴之間存在壓強(qiáng)梯度，壓強(qiáng)從左到右逐漸降低，吸嘴1～4壓強(qiáng)分別為189.79、189.63、189.54、186.14 kPa。排沙管內(nèi)壓強(qiáng)分布也不均勻，排沙管左端壓強(qiáng)分布較為均勻，而經(jīng)過第3個吸沙組件后，壓強(qiáng)產(chǎn)生較大幅度降低，特別是第4個吸沙組件與排沙管交接處以及排沙管與旋噴管交界處有明顯的低壓區(qū)，可能會形成空蝕，會對排污系統(tǒng)造成破壞。

圖6 自清洗網(wǎng)式過濾器排污過程壓強(qiáng)云圖Fig.6 Pressure cloud diagrams of self-cleaning mesh filter during sewage discharge

4 排污系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 方案設(shè)置

為了提高排污系統(tǒng)排污效率，改善排污系統(tǒng)存在的不足，根據(jù)吸沙組件吸嘴尺寸和旋噴管開口尺寸共設(shè)置了6 組方案，見表1。

表1 不同設(shè)置方案 cmTab.1 Different setup scenarios

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

4.2.1 速度場對比分析

圖7為排污系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案下得到的速度云圖。根據(jù)不同優(yōu)化方案的速度云圖分析可知，排污系統(tǒng)的吸嘴和旋噴管出口尺寸改變對一級過濾室內(nèi)流場分布基本不產(chǎn)生影響，但對二級過濾室內(nèi)流場分布產(chǎn)生較為明顯影響，方案6 中二級過濾室內(nèi)流場紊動最為劇烈，流速為0 區(qū)域面積也最小。對比6組方案可以看出，方案3 中，旋噴管上下平均流速基本相同，而其他5組方案中，旋噴管內(nèi)下部的平均流速大于上部平均流速。方案1、2、3 分別優(yōu)化了吸嘴1、2、3 的寬度變化梯度，寬度變化梯度分別為0.2、0.4、0.6 cm，寬度梯度越大，3 個吸嘴的進(jìn)水流速越大。對比3個方案中吸嘴1～3的流速，原型與方案1逐漸增大，而方案2 與方案3 逐漸減小。方案3 中吸嘴1 的流速與吸嘴4 基本接近，但與吸嘴2 和吸嘴3 流速相差較大，為增大吸嘴2和吸嘴3 的進(jìn)水流速，則設(shè)置了方案4。方案4 中3 個吸嘴寬度為前3 個方案的逆變化梯度，從表2 中可以看出，吸嘴1、2、3 進(jìn)水流速基本接近，但吸嘴4流速相對較小，因此通過改變旋噴管出口直徑，增大吸嘴4的流速。從方案5和方案6吸嘴流速可看出，各吸嘴流速趨于均勻，而方案6 中4 個吸嘴的流速更加接近，且吸嘴4流速也有所增大，有利于均勻的吸附濾網(wǎng)上的泥沙雜質(zhì)。

圖7 排污系統(tǒng)不同優(yōu)化方案下速度云圖Fig.7 Velocity cloud diagrams under different optimization schemes of sewage system

表2 不同優(yōu)化方案下不同吸嘴進(jìn)口速度 m/sTab.2 Inlet speed of different nozzles under different optimization schemes

4.2.2 壓強(qiáng)場對比分析

圖8為排污系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案下得到的壓強(qiáng)云圖。從壓強(qiáng)云圖可以看出，6 組方案中一級過濾室與二級過濾室均沒有明顯的壓強(qiáng)變化。方案1～5中排沙管內(nèi)壓強(qiáng)分布相較于方案6 較為不均勻，靠近旋噴管的吸沙組件與排沙管交接處存在明顯的低壓區(qū)，方案1 與方案4 最為明顯，方案3 和方案5 相對較小，易導(dǎo)致排污系統(tǒng)的不穩(wěn)定，不利于泥沙的排出，也易于導(dǎo)致泥沙在排沙管內(nèi)的淤積。而方案6排沙管內(nèi)壓強(qiáng)順?biāo)鞣较驂簭?qiáng)呈梯度逐漸降低，有利于泥沙隨水流排出，所以排污系統(tǒng)清理泥沙效率相對較高，過濾器的排污周期相對較短。從表3 可以看出，方案6 吸嘴處的壓強(qiáng)基本為方案1～5 壓強(qiáng)的2～3 倍，這是由于旋噴管出口減小，導(dǎo)致吸嘴壓強(qiáng)明顯增加，同時，一級過濾室與二級過濾室內(nèi)壓強(qiáng)也明顯增加，增大了過濾器運(yùn)行的危險性。但根據(jù)式（8）可知，吸沙組件吸附吸力與過濾器進(jìn)出口壓降呈正相關(guān)，與方案5 相比，吸嘴尺寸不變的情況下，方案6過濾器進(jìn)出口壓降較大，其吸附吸力也較大，有利于增強(qiáng)排污系統(tǒng)對濾網(wǎng)上泥沙的吸附清除，提高濾網(wǎng)清洗效率。

表3 不同優(yōu)化方案下各吸嘴進(jìn)口壓強(qiáng) kPaTab.3 Inlet pressure of each suction nozzle under different optimization schemes

圖8 排污系統(tǒng)不同優(yōu)化方案下壓強(qiáng)云圖Fig.8 Pressure cloud diagrams under different optimization schemes of sewage system

5 結(jié)論

（1）建立了排污系統(tǒng)的旋噴動力和吸附吸力理論公式，在排污流量一定的情況下，排污系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)前，旋噴動力大小主要與過濾器進(jìn)出口壓降呈正比，排污系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)后，旋噴動力大小與過濾器壓降和旋噴管的水流旋噴半徑有關(guān)，而吸附吸力的大小主要受吸嘴尺寸影響；

（2）排污系統(tǒng)吸嘴1～4流速存在較大流速差，最大的流速差為2.96 m/s，壓強(qiáng)也逐漸降低，最大壓強(qiáng)差為3.65 kPa，排污系統(tǒng)不能均勻地清除濾網(wǎng)上泥沙雜質(zhì)，而且排沙管內(nèi)壓強(qiáng)分布不均勻，易于造成泥沙沉積；

（3）通過對比6組方案的速度場和壓強(qiáng)場可以看出，吸沙組件的吸嘴1～4 開口寬度分別為0.2、0.4、0.6、2 cm，旋噴管開口直徑為2 cm 的方案，有利于提高排污系統(tǒng)的排污效率，加快積聚在濾網(wǎng)上的泥沙清除，為推薦的最優(yōu)方案。