卧式自清洗网式过滤器过滤及排污过程的数值模拟

2022-03-12谢炎刘贞姬李洁宗全利金瑾石凯

浙江大学学报（农业与生命科学版） 2022年1期

谢炎，刘贞姬*，李洁，宗全利,2，金瑾，石凯

（1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000；2.青岛农业大学资源与环境学院，山东青岛 266109）

随着节水灌溉技术的大力发展，微灌技术成为缓解水资源短缺和促进现代农业发展的有效途径之一。而微灌水源由于含有杂质和泥沙，如果不进行过滤处理，易引起滴灌系统的堵塞，缩短其使用寿命[1−4]，因此，过滤器在节水灌溉中起着至关重要的作用。自清洗网式过滤器在新疆地区应用较为广泛，其适用于含沙率较低的二次过滤水源，对于泥沙含量较高的微灌水源需要经沉淀池进行预处理[5−6]。

自清洗网式过滤器在运行过程中罐体封闭，水力性能较为复杂，其内部的水流状况不能直观地通过物理试验进行观察[7−8]，所以，目前常采用数值模拟的方法对网式过滤器的水力性能进行研究。王新坤等[9]采用计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）方法对阿速德（Azud）普通网式过滤器的进出口位置、角度和罐体进行了结构优化，改善了内部流场分布，降低了水头损失；喻黎明等[10]通过CFD−离散元（discrete element method,DEM）耦合方法模拟了Y 型网式过滤器中不同沙粒粒径的运动及分布情况，发现粒径与滤网孔径相近时，沙粒容易附着于滤网上；陶洪飞等[11]以全自动网式过滤器为研究对象，采用Fluent 软件中的多孔阶跃模型对滤网进行模拟，分析3 种不同滤网孔径下的速度云图、压强云图及湍流云图，结果发现，滤网孔径越小，过滤器水头损失越大，滤网承受的压强越大；李浩等[12]利用Fluent 软件对基于多孔介质下的AZUD−M100 微灌网式过滤器采用3种不同的湍流模型进行数值模拟，结果发现，与重整化k−ε模型相比，标准k−ε模型和可实现的k−ε模型的模拟结果和试验结果的误差更小。但现有的研究主要是关于网式过滤器结构对过滤器内部流场影响的数值模拟分析，而针对进水流速对过滤器过滤过程和排污过程中整个流场变化的数值模拟研究较少，并且针对自清洗网式过滤器排污系统内部流场的数值模拟研究也相对较少。因此，本文利用ICEM−CFD 软件分别建立卧式自清洗网式过滤器罐体和排污系统的三维模型，并通过Fluent 软件对自清洗网式过滤器在清水条件下的过滤和排污过程进行数值模拟，研究其在不同进口流速下，过滤器罐体和排污系统内部压强场和速度场以及与水头损失的关系，旨在为卧式自清洗网式过滤器的结构优化提供科学依据。

1 卧式自清洗网式过滤器的结构及运行原理

1.1 结构组成

如图1A～B所示，卧式自清洗网式过滤器主要包括罐体、一级过滤室（粗过滤网过滤）、二级过滤室（细过滤网过滤）及排污系统。其中，排污系统主要由吸沙组件、旋喷管和排沙管组成，2个旋喷管开口方向相反，并与排沙管轴线垂直，3个吸沙组件呈120°在排沙管上交错排列。排污系统和过滤系统的设计参数如表1所示。

表1 排污系统和过滤系统的设计参数汇总表Table 1 Summary table of design parameters of sewage system and filtration system

图1 自清洗网式过滤器结构示意图及过滤和排污过程流程图Fig.1 Structural diagram of self-cleaning mesh filter and flow chart of filtration and sewage processes

1.2 运行原理

1）过滤过程。如图1A 所示，灌溉水源由过滤器进水口进入，先后经过粗过滤网和细过滤网进行过滤，最后由出水口流出。粗过滤网主要对挟有较大粒径泥沙或者长絮状杂质的水流进行初步过滤，滤网的孔径较大，过滤精度不高，并需要取出进行人工清洗。细过滤网依靠孔径较小的滤网进行二次过滤，此阶段可以将水流中的泥沙和较大的有机质截留在细滤网表面，泥沙和有机质不断地积聚，使细滤网内外形成压差。

2）排污过程。如图1B所示，当细滤网内外压差达到预设值时，电磁阀会自动关闭出水阀并打开排污阀。此时，水流只能由吸沙组件的矩形吸沙口进入，经排沙管由开口相反的旋喷管的出口喷出，旋喷管在水流形成的力偶作用下带动整个排污系统转动。在压差作用下吸沙组件产生强劲吸力，从而可以吸附积聚在细滤网表面的泥沙和有机质。同时，由于排污系统的旋转，吸力能够覆盖整个细滤网表面。随着排污过程的进行，细滤网内外压差逐渐降低，当内外压差降低到一定值时，排污阀自动关闭，出水阀打开，排污过程结束。

2 卧式自清洗网式过滤器流体力学建模

2.1 物理模型

利用ICEM−CFD 软件进行建模及网格划分。由于过滤过程和排污过程在实际工况中单独运行，即排污时不进行过滤，过滤时不进行排污，因此，为了便于分别研究排污系统内部和罐体内部的流场变化，分别对排污系统和过滤系统进行建模。图2为罐体和排污系统三维模型的网格划分情况。

图2 罐体（A）及排污系统（B）三维模型网格划分Fig.2 Grid division of three-dimensional models of tank (A)and sewage system(B)

在过滤过程中，由于清水条件下滤网对水头损失的影响较小[13]，故本文主要研究过滤器在清水条件下进水流速对内部流场的影响。考虑到模型的复杂性以及减少数值模拟计算的工作量，直接采用非结构化的四面体网格单元；另外，为了保证计算的精度，在模型的进口和出口处进行网格加密处理。

2.2 数学模型

自清洗网式过滤器内部流场满足连续性方程和动量守恒方程，即

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；ui、uj为i、j方向上的流速分量，m/s；xi、xj为i、j方向上的流向分量；p为流体静压力，N/m2；u'iu'j为雷诺应力，N/m2；μ为流体动力黏度，（N·s）/m2。

采用标准k−ε模型，计算模型的控制方程[14]如下：

式中：k为湍流动能，m2/s2；ρ为流体密度，kg/m3；μ为流体动力黏度，（N·s）/m2；μt为湍流黏性系数，（N·s）/m2；ε为单位质量流体的湍流波动率，m2/s3；Gk为湍流动能平均速度梯度产出项，m2/s2；Gb为由浮力引起的湍流动能，m2/s2；YM为湍流脉动膨胀对总耗散率的影响；Sk、Sε为广义源项；C1ε、C2ε、C3ε为耗散率经验常数；σk、σε分别为湍流动能和湍动耗散率对应的普朗特数。各经验常数根据文献[15]确定：Gb=YM=0；C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2.3 边界条件

1）过滤过程中边界条件设置。入口边界类型采用速度入口，速度垂直于入口截面，湍流强度为5%，水力直径为进水管内径；出口边界类型设为压力出口，回流湍流强度为5%，回流水力直径为出水管内径，压力采用标准大气压。表2 为进出口边界条件。为了避免排污系统对过滤器过滤过程的影响，将排污系统吸沙组件的矩形吸沙口和旋喷管的出口设为内部面边界（interior）。

表2 进出口边界条件Table 2 Boundary conditions of the inlet and outlet

2）排污过程中边界条件设置。为模拟不同进口流速对排污效果的影响，将入口边界类型设为速度入口，流速分别设置为1.0、5.0和10.0 m/s，速度垂直于入口截面，湍流强度为5%。在排污系统的出口处由于流动速度和压强都未知，所以将出口边界类型设为自由出流。虽然水力旋喷管存在2个出流边界，但是由于每个边界上出流的流量是总流量的1/2，所以将出流边界的流量权重设定为1。

由于本文只研究清水条件下的内部流场变化，且过滤器为卧式结构，故不考虑重力的影响。流体介质为清水，流体密度为1 000 kg/m3。本研究的计算区域和控制方程的离散化处理均采用有限体积法；选用SIMPLEC 算法，连续性方程和动量方程收敛残差标准均设为1×10－4。

3 过滤过程和排污过程数值模拟结果与讨论

3.1 清水条件下过滤过程数值模拟结果验证

通过水力性能试验验证数值模拟结果的可靠度。在试验装置运行稳定后，使用便携式超声波流量计测定过滤器进水口的流量，并读取相应流量条件下进出口压力表示数，通过对过滤器的进出口列能量方程计算得到水头损失大小[16−18]。将试验计算得到的水头损失与数值模拟得到的水头损失进行对比验证。从表3 中可以看出，二者相对误差均不超过10%。说明数值模拟的数据与试验数据有较高的吻合度。

表3 数值模拟与物理试验的水头损失结果对比Table 3 Result comparisons of head loss between numerical simulation and physical test

3.2 自清洗网式过滤器过滤过程数值模拟

3.2.1 不同流速下的压强场分析

从图3A～C可以看出，进水口与出水口存在明显的压强差。这是由于受到进出口边界条件、罐体以及3 个圆形分流口的影响，过滤过程中会产生沿程水头损失和局部水头损失，但是因为网式过滤器管长较短，水头损失主要考虑局部水头损失，在动能和位能一定的情况下，进水口的压强要明显大于出水口的压强。在进水流速为0.695、1.366和2.083 m/s 时，进出水口的压强差分别为7 310.0、11 910.0和20 450.0 Pa，故进水流速越大，过滤器进出水口压强差越大，其水头损失也就越大。同时，过滤器一级过滤室与二级过滤室也存在较大的压强差，在3种进水流速下一级过滤室与二级过滤室压强差分别为1 040.1、2 440.0 和3 780.4 Pa，进水流速越大，一级过滤室与二级过滤室压强差越大。水流由一级过滤室进入二级过滤室时会受到3个分流口的影响，导致一级过滤室内的压强较大，而在二级过滤室存在出水口的边界，其压强较小，所以分流口在保证排污系统稳定的同时应尽可能地增大其水流通过面积，以减小一级过滤室的压强，从而增加粗滤网的使用寿命。从图3C中可以看出，二级过滤室下部的压强大于上部的压强，进水流速越大，二级过滤室内压强变化越明显。这是由于二级过滤室上部直接与出水管相连，越接近出水管压强就越小。进水流速对过滤器出水管的影响较大，当进水流速较小时，出水管的压强基本呈抛物线型下降，而当进水流速增大时，出水管压强增大，但在边壁处存在低压区，这会导致过滤器出水管壁形成空蚀。另外，进水流速越大，罐体所承受的压强也就越大，提高了对滤网承载能力的要求。

图3 在不同流速下自清洗网式过滤器不同平面的压强云图Fig.3 Pressure cloud diagrams of different planes of the selfcleaning mesh filter at different flow rates

3.2.2 不同流速下的速度场分析

从图4A～C中可以看出，当水流经进水管流入罐体时，在一级过滤室内流速从上到下逐渐减小。这是由于从进水口进入的水流受到过滤器下壁的阻挡而反向流动，从而与后面的来水相互抵消，流速降低。在一级过滤室下部水流流速最小，甚至为0，易于造成泥沙淤积，但进水流速越大，一级过滤室内流速为0区域面积越小。水流流速在二级过滤室内从左到右逐渐降低，最右侧水流流速基本为0，在出水口水流流速又逐渐增大。进水流速越大，过滤器内部水流紊动越剧烈。从图4C中可以看出，当进水流量为151 m3/h 时，对一级过滤室和二级过滤室紊动影响较大，增大了二级过滤室内水流流速。圆形分流口对水流流速也会产生较大影响，当进水流速为0.695、1.366和2.083 m/s时，分流口平均流速分别为0.184、0.372 和0.535 m/s，表明进水流速越大，分流口流速越大。但圆形分流口壁前后都有流速为0 的区域，可能会造成泥沙在附近沉积且不易冲洗，必要时需要人工清洗。由图4可见，在进水管右侧和出水管左侧有较大的水流流速，而且进水流速越大，对两侧的影响越大，管壁受到水流的冲击就越严重。因此，可将过滤器拐角处设计成圆弧状或改变进出管角度，以减少水头损失和对边壁的冲击。另外，进水流速越小，进出管内流速分布越不均匀，对过滤器的稳定性也会造成一定的影响。

图4 不同进口流速下自清洗网式过滤器不同平面的速度云图Fig.4 Velocity cloud diagrams of different planes of the selfcleaning mesh filter at different inlet flow rates

3.3 自清洗网式过滤器排污过程数值模拟

3.3.1 不同进水流速下排污系统压强场分析

自清洗网式过滤器排污系统内的压强分布对排污效果有较大的影响。从图5 中可以看出，排污系统中入口的压强最大，从入口到出口压强逐渐降低，在水力旋喷管处产生了最小压强。在进水流速为1.0、5.0 和10.0 m/s 3 种条件下，进出水口的水头损失分别为3 490.4、23 830.0 和55 730.0 Pa。进水流速越大，进出口的压强差越大，越有利于将泥沙从矩形吸沙口挟带到水力旋喷管的出口，减少泥沙在排污系统内的积聚。进水流速越小，吸沙组件内的压强分布越不均匀，对泥沙的吸附能力会有所降低，而且可能导致泥沙在吸沙组件两端积聚，影响排污效果。另外，在排沙管最左侧也存在较大压强，而且进水流速越大其压强也就越大，可能对排污系统的稳定性产生一定的影响。由于排污系统依靠过滤器滤网堵塞而产生内外压强差，矩形吸沙口可以吸附堆积在细滤网上的泥沙和杂质，所以在不同流速状态下，排污系统清理泥沙和杂质的能力也有所不同。进口流速越大，排污系统内压强差越大，排污效果越好。

图5 不同流速下排污系统压强云图Fig.5 Pressure cloud diagrams of the sewage system at different flow rates

3.3.2 不同进水流速下排污系统速度场分析

从图6 中可以看出，矩形吸沙口处产生较高的流速，但由于局部水头损失的作用，水流在进入排沙管后流速有所降低。根据文献[14]可知，进口流速与吸沙口吸力成正比，所以进水流速越大，矩形吸沙口的吸力越大，越有利于清除滤网上的泥沙。吸沙组件内的流速呈对称分布，并逐渐向两侧减小，进水流速越小，流速为0 的区域面积就越大，易于造成泥沙的沉积。由于3 个吸沙组件的影响，排沙管内的流速分布不均匀，进水流速越大，排沙管内流速分布越不均匀。另外，在排沙管最左侧和最右侧以及水力旋喷管的两端流速基本为0，易造成泥沙淤积；但随着进水流速增大，排沙管和旋喷管内流速为0 的区域面积逐渐减小，有利于泥沙的排出。在实际应用中可考虑减小矩形吸沙口宽度，以增大排污系统进水流速，减少系统内泥沙淤积。