离散型流道结构叠片过滤器性能试验研究

王 钦，徐 鑫，王振华，张金珠

(1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000；3.兵团工业技术研究院，新疆 石河子 832000)

1 研究背景

近年来，滴灌技术在我国西北地区实现大面积推广，滴灌系统得到广泛应用[1-4]。过滤器作为滴灌系统的首部装置之一，具有净化水质，保证灌水器正常运行的重要作用[5-8]。过滤器因其对水质净化效果好、耗能少、使用寿命长等优势，成为众多国内外学者的研究重点[9-11]。研究内容主要包括不同过滤器的分类选型[12]、传统过滤器结构与过滤流程优化等[13-14]；研究方法包含模拟仿真[15-17]、建立微型试验系统进行试验研究[18-21]等。通过学者们的不断研究和探索，过滤器的过滤效果和水力性能得到了大幅提高。

叠片过滤器内部叠片的特殊流道结构及流道的复合可对灌溉水实现三维高精度过滤[22]，同时其易于清洗，多应用于滴灌首部。崔瑞等[23]将三角形过滤流道优化为两级进行了水力性能试验，靠近进水口侧为一级流道，流道数较少，靠近出水口侧为二级流道，流道数是一级流道的两倍，试验表明流道优化后水力性能明显提升。杨培岭等[24]基于分形理论改进叠片过滤器，在叠片三角形凹槽流道中间加入缓冲槽，与直线型流道传统叠片过滤器进行了对比试验，得出改进优化后的过滤器水头损失和过滤效果优于传统过滤器的结论。Lee等[25]以叠片过滤器不同流道结构为研究对象，对过滤器进行了水力性能和过滤性能研究，得出椭圆形凹槽流道叠片过滤器水力性能更好的结论。Chi等[26]将叠片过滤器滤芯分为3部分，采用计算流体力学的方法模拟了过滤器的运行过程，结果表明其中部出现高压区域，水头损失最大。

以上的研究大多以直线型流道为研究对象，其研究结果对提升叠片过滤器水力性能有一定作用，但针对其他流道形式的研究较少。基于此，本研究自主设计了一种具有离散型流道结构的新型叠片，叠片上分布着大小一致的凸台，凸台相邻排列构成了过滤流道，形成的离散型流道水流流动轨迹形式多样，平均过流面积大。本文以水头损失、拦沙量、除沙率、拦截泥沙粒径等为评价指标，对离散型流道新型叠片过滤器与直线型流道传统叠片过滤器进行综合性能评价，可为叠片过滤器的叠片流道结构设计优化提供参考。

2 材料与方法

2.1 离散型流道叠片过滤器叠片设计

本研究采用的离散型流道叠片结构如图1所示。离散型流道叠片为圆环状，圆环外径R为43 mm，内径r为29 mm，叠片上下两层均分布流道(图1(b))。叠片上分布着大小一致的凸台，凸台相邻排列构成了过滤流道，所设置凸台俯视图为倒圆角正三角形，正三角形边长为1 mm，圆角半径r′为0.20 mm，凸台高度为0.23 mm(图1(c))。过滤过程中，杂质颗粒随水流进入流道，由于靠近进水口侧周向上凸台间距较大，大粒径杂质颗粒被拦截在叠片外侧，小粒径杂质则随水流进入叠片内部靠近出水口侧，此时由于出水口侧周向上凸台间距较小，可对小粒径杂质起到拦截作用。为了对比，图2展示了直线型流道传统叠片的流道结构及尺寸参数。

图1 离散型流道叠片结构示意图(单位：mm)

图2 直线型流道叠片结构示意图(单位：mm)

2.2 试验装置

试验平台由水箱(长1.6 m×宽1.6 m×高0.6 m)、水泵(QDX1-10-0.25，上海丰浪机电有限公司生产)、叠片过滤器(离散型流道新型叠片过滤器、直线型流道传统叠片过滤器)、压强传感器(ELE-801，ELECALL)、数据采集仪(34970A-34901A，Agilent)、流量计(TTS-2，LASOAYQ)和变频器(220-004E21，广东东莞宇鑫科技有限公司生产)组成，水循环管道直径为32 mm，试验装置见图3。两种过滤器均采用同一种外壳，同一外壳进水口、出水口大小一致，水流均充满过滤器。

图3 叠片过滤器性能试验装置

2.3 试验设计及过程

试验设置清水和含沙水两种类型水源。清水试验主要测试叠片过滤器的水头损失，含沙水试验主要测试叠片过滤器的水头损失和过滤性能。试验过程中，将水箱中注满自来水，水流由水泵提供动力，从水箱进入管道，依次流经控制阀、压力传感器，经过滤器过滤后，再次流经压力传感器、控制阀、流量计，最后回流至水箱，实现循环过滤，每组试验重复3次。过滤器的额定流量为3 m3/h，通过与水泵相连的变频器，改变水泵交流电的频率，控制水泵电机转速，达到控制过滤器流量的目的。

清水试验时，缓慢调节变频器上的按钮和流量控制阀，当流量计读数达到试验设定值时，按下计时器，使系统运行5 min后，观测数据采集仪上的读数，通过分析进、出口的压力计算叠片过滤器的水头损失。本试验中，测试流量范围为0.50～2.75 m3/h，以0.25 m3/h为变化梯度，共进行10组试验。

日常灌溉工作中，不同水源有着不同的含沙量。本研究考虑微灌易堵塞水流含沙量上限值范围，设置3组进水含沙量水平，即0.2、0.3、0.4 g/L。叠片过滤器装置一般在网式过滤器或砂石过滤器之后，而经一级过滤器过滤后水流中泥沙平均粒径在0.18 mm以下，以此为依据设置含沙水中的泥沙颗粒级配及占比，具体见表1。

表1 含沙水试验的泥沙颗粒粒径区间及占比

含沙水试验共设计3个流量水平(Q=0.5、1.5、2.5 m3/h)和3个含沙率水平(0.2、0.3、0.4 g/L，即质量含沙率为0.02%、0.03%、0.04%)，共9组试验。试验开始前，开启水泵并调节阀门和变频器至设计流量后，向水中加入配置好的泥沙，不断搅拌使水沙混合均匀再开始试验。试验过程中，过滤器进出口压强通过压强传感器将压强数值转变为电信号，由数据采集仪每10 s自动记录一次；每隔1 min在过滤器进、出口同时取样，采集体积为100 mL的水样，经沉淀、称重、烘干、再次称重，计算水样中泥沙的重量；观察数据采集仪上的读数，当变化幅度较小时，结束本次试验，对叠片滤芯中所拦截的泥沙进行清洗、烘干、称重。

2.4 评价指标

评价指标主要包括水头损失Hj、水头损失回归方程系数k、拦沙量、除沙率Sr以及被拦截泥沙的粒径组成。

水头损失反映了叠片过滤器的水力性能，其计算公式如下：

(1)

式中：Hj为叠片过滤器水头损失，m；Pin和Pout分别为过滤器水流进口和出口压强，Pa；γ为水的容重，N/m3。

回归方程系数k可更为清晰地反映出水流流经过滤器所产生的能量消耗变化趋势，水头损失Hj与流量Q的回归方程如公式(2)所示[24]，由公式(2)可计算出回归方程系数k。

Hj=kQ2

(2)

拦沙量反映过滤器对水中泥沙的去除效果，由清洗叠片下来的泥沙烘干称重获得。除沙率Sr更能准确地反映过滤器运行过程中拦截泥沙能力的变化，由下式计算：

(3)

式中：min和mout分别为过滤器进口和出口水流的含沙量，g。

3 试验结果与分析

3.1 清水条件下水头损失对比

图4为清水条件下两种叠片过滤器水头损失(Hj)随流量(Q)的变化曲线。由图4可见，叠片过滤器进水流量越大，则水头损失越大。在测试流量范围内，离散型流道新型叠片过滤器的水头损失为0.10～2.34 m，直线型流道传统叠片过滤器的水头损失为0.20～3.46 m，前者水头损失比后者低32.3%～50.0%。

图4 两种叠片过滤器的水头损失(Hj)-流量(Q)关系曲线

两种叠片过滤器的Hj-Q关系回归方程及其系数k如表2所示。由表2可以看出，两种叠片过滤器回归方程的决定系数R2为0.97～0.98，离散型流道新型叠片过滤器的k值为0.313 82，而直线型流道传统叠片过滤器的k值为0.465 72，故流经前者的水流能量消耗小于后者。

表2 清水条件下两种叠片过滤器的Hj-Q关系回归方程及其系数

3.2 含沙水条件下水头损失对比

各组次的试验结果表明，不同流量对由水流含沙量引起的水头损失变化趋势无影响，因此本文以1.5 m3/h流量下的试验为例进行分析(该试验流量系根据试验过滤器与实际过滤器大小比例对实际运行流量进行缩尺计算获得)。

图5为不同进水含沙率下两种叠片过滤器水头损失随时间变化曲线。图5中0.2、0.3、0.4分别代表0.2、0.3、0.4 g/L 3个进水含沙率水平，L代表直线型流道传统叠片过滤器，D代表离散型流道新型叠片过滤器(下同)。

图5 不同进水含沙率下两种叠片过滤器的水头损失随时间变化曲线(Q=1.5 m3/s)

由图5可以看出，两种叠片过滤器的水头损失变化趋势分为3个阶段：平稳变化-急剧增大-平稳变化。在过滤初始阶段，被拦截的泥沙量少，水头损失随时间的变化幅度较小，运行较为平稳；随着过滤器连续运行，杂质颗粒不断被叠片拦截下来，叠片流道内部实际过水面积逐渐减小，水头损失不断增大；在过滤末期，叠片流道被杂质严重堵塞，水头损失达到峰值，故不再变化。

对比两种叠片过滤器可以发现，离散型流道新型叠片过滤器水头损失出现拐点的时间较晚，低水头损失过滤周期较长，且水头损失峰值在0.2、0.3、0.4 g/L进水含沙率水平下较直线型流道传统叠片过滤器分别小7.4%、10.0%、11.3%。分析可知，直线型流道叠片流道中三角形凹槽截面沿水流方向逐渐减小，三角形凹槽流道内局部水头损失呈不均匀变化。在含沙水条件下，沙粒容易在压力突变处被截留，此时压力降低，截留的沙粒增多，滤芯在短时间内被堵塞，造成水头损失突然增大，过滤时间较短。而离散型流道叠片流道中的水流运动轨迹形式多样且压力突变少，泥沙分布均匀，因此水头损失变化平稳，有效过滤周期较长。

3.3 拦沙量与除沙率对比

图6为不同进水含沙率下两种叠片过滤器的拦沙量随流量的变化曲线。由图6可知，两种叠片过滤器的拦沙量均与流量呈负相关关系。在相同进水含沙率条件下，离散型流道叠片过滤器拦沙量大于直线型流道叠片过滤器，但随着流量的增加，离散型流道叠片过滤器比直线型流道叠片过滤器多拦截的泥沙量逐渐减少，在0.2、0.3、0.4 g/L进水含沙率条件，两种叠片过滤器的拦沙量差值在流量为1.5 m3/h时，相较于在0.5 m3/h时分别减少50.3%、39.4%、38.7%；流量为2.5 m3/h时的拦沙量差值相较于在1.5 m3/h时分别减少55.0%、53.1%、30.0%。分析认为，流量较小时，通过滤芯的水流较为平缓，水流通过流道时与壁面接触时间较长，泥沙颗粒更容易被拦截；流量增大时，流速随之增大，泥沙颗粒所携带的能量较大而不易被拦截，同时高速水流会将附着在滤芯上的部分泥沙颗粒带走，致使拦沙量减小。

图6 不同进水含沙率下两种叠片过滤器的拦沙量随流量变化曲线

通过对过滤前、后的水样含沙量计算，可得出叠片过滤器的除沙率，除沙率反映了叠片过滤器的过滤能力。图7为进水流量Q=1.5 m3/h时，不同进水含沙率下两种叠片过滤器的除沙率随时间的变化情况。由图7可见，两种叠片过滤器的除沙率随时间呈先增大后减小的趋势，这与杨培岭等[24]的研究结果一致。离散型流道叠片过滤器的除沙率明显高于直线型流道叠片过滤器，离散型流道叠片过滤器的平均除沙率为18.94%，直线型流道叠片过滤器的平均除沙率为15.15%。这是由于凸台的分离排列有利于湍流的发展，从而更有利于对泥沙的拦截。

图7 不同进水含沙率下两种叠片过滤器的除沙率随时间的变化情况(Q=1.5 m3/h)

3.4 拦截泥沙粒径对比

图8为进水流量Q=1.5 m3/h时，不同进水含沙率下两种叠片过滤器拦截泥沙的粒径分布。由图8可知，离散型流道叠片过滤器对各粒径范围泥沙的拦截量一般大于直线型流道叠片过滤器，尤其对细粒径泥沙的拦截效果较好。以进水含沙率0.3 g/L为例，对于0～40 μm粒径的泥沙，离散型流道叠片过滤器的拦沙量比直线型流道叠片过滤器大4.59%；对于40～53 μm粒径的泥沙，前者比后者大10.05%；对于53～160 μm粒径的泥沙，二者拦沙量差异较小，前者比后者大0.26%～2.06%。

图8 不同进水含沙率下两种叠片过滤器拦截泥沙的粒径分布(Q=1.5 m3/h)

4 讨 论

水头损失方面，在清水和3种含沙率的含沙水条件下，离散型流道新型叠片过滤器的水头损失均小于直线型流道传统叠片过滤器。分析认为是由于两种叠片过滤器的外观尺寸相同但流道结构不同，水流进入直线型流道传统叠片过滤器时，与流道边壁产生接触摩擦，耗能较多，水头损失较大，这与杨培岭等[27]的研究相一致；而离散型流道新型叠片过滤器的流道呈离散状，水流进入叠片后，与凸台的接触摩擦面积小于直线型流道，所消耗的能量减小，故水头损失较小。

过滤效果方面，离散型流道新型叠片过滤器的拦沙量和除沙率均较高。离散型流道中凸台分离排列，流道内部水流的流动范围广，流体交换面积大，水流流动轨迹形式更多样，使泥沙在凸台之间沉降更均匀，因此提高了拦沙量和除沙率，这与Gharcheh等[28]的观点相一致。

离散型流道对细粒径泥沙拦截效果更好。因为该流道中，凸台间距沿径向逐渐减小，随水流进入流道的大粒径杂质被拦截在叠片外侧，即靠近进水口一侧，小粒径杂质随水流进入叠片内侧，但由于叠片内侧凸台间距小，细颗粒不容易通过，因此被拦截下来。随着过滤器的连续运行，水流不断进入叠片时，小颗粒会被之前拦截的大粒径杂质与外侧凸台共同拦截，形成类似于砂石过滤器产生的三维过滤效果。另外，Xing等[29]从流体力学的角度出发，对水流的流动情况进行了数值模拟，得出水流在叠片中流动时存在低速区和主流区，低速区与细颗粒沉降密切相关的结论；Khakimov[30]认为水流遇到阻碍而绕流时会增加低速区的面积，凸台的分离排列使得低速区的面积更大，泥沙更易被拦截。

5 结 论

本文以离散型流道新型叠片过滤器为研究对象，研究分析了新型叠片过滤器的水头损失、拦沙量、除沙率、拦截泥沙粒径分布等指标，并与直线型流道传统叠片过滤器进行了对比，主要结论如下：

(1)清水条件下，离散型流道新型叠片过滤器的水头损失在测试流量范围内比直线型流道传统叠片过滤器小32.3%～50.0%；离散型流道新型叠片过滤器的水力特征回归方程系数k为0.314，小于直线型流道传统叠片过滤器的0.466，故能量消耗较低。

(2)含沙水条件下，两种叠片过滤器水头损失变化趋势均为先平稳变化后急剧增加再平稳变化；离散型流道新型叠片过滤器水头损失出现拐点的时间较晚，有效过滤周期长，且其水头损失峰值在0.2、0.3、0.4 g/L进水含沙率水平下相较于直线型流道传统叠片过滤器分别小7.4%、10.0%、11.3%。

(3)两种叠片过滤器的拦沙量均与流量呈负相关关系，相同含沙量条件下离散型流道新型叠片过滤器的拦沙量大于直线型流道传统叠片过滤器，但随着流量的增加两种叠片过滤器的拦沙量差值逐渐减少。离散型流道新型叠片过滤器的除沙率明显大于直线型流道传统叠片过滤器，在不同进水含沙率条件下，离散型流道新型叠片过滤器的平均除沙率为18.94%，直线型流道传统叠片过滤器的平均除沙率为15.15%。

(4)离散型流道新型叠片过滤器对各粒径范围泥沙的拦截量一般大于直线型流道传统叠片过滤器，尤其对细粒径泥沙的拦截效果较好。在进水含沙率为0.3 g/L时，对于0～40 μm和40～53 μm粒径的泥沙，离散型流道新型叠片过滤器的拦沙量分别比直线型流道传统叠片过滤器的拦沙量大4.59%和10.05%。