砂石-篩網組合過濾器結構優化與性能試驗

楊培嶺 周 洋 任樹梅 馬子萱

(中國農業大學水利與土木工程學院， 北京 100083)

0 引言

滴灌具有節水效果好，灌水質量高等優點[1]，是目前常用的灌溉技術。灌水器作為滴灌系統中的關鍵部件，其尺寸微小，易被水中雜質堵塞[2-3]。過濾器過濾水源，是減少灌水器堵塞的關鍵設備。砂石過濾器濾層具有三維立體孔隙，因此對絲狀、棒狀雜質具有良好的攔截作用[4]。CAPRA等[5]和張文正等[6]研究發現砂石過濾器的過濾和防堵塞效果較好，常作為一級過濾設備。篩網過濾器過濾效果好、結構簡單、便于拆卸和清洗[7]，但由于利用簡單的機械篩分原理僅能對粒徑大于網孔的雜質進行過濾，常作為二級過濾設備。

在實際應用中，常將砂石過濾器和篩網過濾器聯合布置在灌溉首部。但二者需要管道連接，勢必增大占地面積、增大水頭損失，而水頭損失等水力性能是國內外學者在過濾器研究方面關注的重點[8-9]。由此，一些學者開始研究不同類型過濾器的組合形式[10-11]，但這些研究都因缺乏對其內部流場進行分析而缺少理論支撐。

過濾器內部結構復雜，內部流場可視化困難，但隨著計算流體力學(CFD)近年來的迅速發展，服務于流體工程領域已成為可能[12]。CFD因其節省資源和運算速度快等優點，被廣泛應用于過濾系統的數值模擬[13-17]。本文擬利用數值模擬的方法分析砂石-篩網組合過濾器內部流場，優化布置結構，為兩級組合一體式過濾器優化設計提供理論依據。

1 砂石過濾器與篩網過濾器結構及原理

本文主要研究對象是節水灌溉系統首部的兩級過濾系統，因此涉及到一級過濾裝置——砂石過濾器和二級過濾裝置——篩網過濾器，兩者的具體工作原理如下[18-19]：

砂石過濾器是一種介質過濾器，主要過濾對象是質地較軟的雜質。其過濾元件是由石英砂或花崗巖等堆疊而成的介質組，沙礫的堆疊令其中形成了三維的過濾通道，具有較強的過濾能力。

篩網過濾器是利用機械篩分的原理進行雜質過濾，其主要的過濾元件為過濾器殼體內的濾網，該濾網主要是由不銹鋼絲或者尼龍絲線編織而成，用于過濾尺寸大于所用濾網網孔的雜質。這種過濾器在過濾雜質時對絲線狀質地柔軟的雜質過濾效果較差，對質地較硬的球狀雜質具有較好的過濾效果。

2 傳統分體組合過濾系統試驗及參數采集

2.1 試驗裝置

為了驗證模擬的合理性以及采集模擬所需參數，同時也為了與結構優化后的新型過濾器進行水力性能對比，故設置物理試驗。試驗在中國農業大學通州試驗站進行。試驗裝置主要由蓄水池、攪拌器、潛水泵、砂石過濾器、篩網過濾器、壓力表、電磁流量計以及閥門和連接管道組成，如圖1所示。試驗中所用的砂石過濾器和篩網過濾器分別選自北京某公司和西班牙某公司的篩網過濾器，其參數如表1所示。

圖1 試驗布置圖Fig.1 Test layout1.蓄水池 2.潛水泵 3.閥門 4.壓力表 5.砂石過濾器 6.篩網過濾器 7.電磁流量計 8.攪拌器 9.排污管

類型型號進出口管直徑/mm額定過流量/(m3·h-1)精度/目砂石過濾器ATP-S22811060100～140篩網過濾器AZUD6330120

2.2 試驗方法

清水條件下，各過濾器不會發生堵塞情況，即不會有水頭損失和流量隨時間的變化特性，故著重關注水頭損失與流量之間的水力性能關系。由于篩網過濾器額定流量是30 m3/h，通過調節閥門設定系統的過流量從0.2倍的額定流量起以6 m3/h為梯度逐步升至1.2倍的額定流量，即進行6、12、18、24、30、36 m3/h 6個流量梯度下的試驗。在每次調節流量穩定后讀取各壓力表對應的數值，由此計算出各流量下的水頭損失。其中，根據砂石過濾器兩端壓力表的值可得到砂石過濾器的流量-水頭損失曲線。

將泥沙分級過篩，根據選定的“粒徑級配曲線”配制適量的沙土，將泥沙加入水源中，配置為質量分數為0.2%的含沙水源。含沙水條件下，由于各過濾器會因為泥沙的存在而發生堵塞，且堵塞情況隨時間發生變化，故著重關注水頭損失與流量隨時間的變化特性。調節閥門開度至30 m3/h開始試驗，保持系統運行，隔一定時間記錄各過濾器兩端壓力表數值。以系統流量減少20%或水頭損失達到7 m作為該次試驗結束的標志。

2.3 試驗結果

2.3.1清水條件

清水條件下，水頭損失隨流量的變化如圖2所示。由圖2可以看出，水頭損失隨流量的增大而增大，但砂石過濾器和篩網過濾器二者加起來的水頭損失并不是系統整體的總水頭損失，這是由于砂石過濾器和篩網過濾器之間由管道連接，管道會造成沿程水頭損失和局部水頭損失。

圖2 清水條件下水頭損失隨流量的變化Fig.2 Change of head loss with flow under clean water condition

圖3 含沙水條件下總水頭損失和流量隨時間的變化曲線Fig.3 Changing curves of total head loss and flow over time under sandy water condition

2.3.2含沙水條件

圖3為傳統砂石-篩網二級過濾系統的總水頭損失以及系統流量隨時間的變化曲線。總水頭損失主要分為2個階段，在前期(0～30 min)水頭損失平穩上升，且上升幅度不大，在后期(30～40 min)水頭損失曲線斜率激增，損失大幅提升，這是由于篩網過濾器堵塞時，大量泥沙迅速堆積在網孔處造成水頭損失陡增。系統流量隨時間的變化主要分為3個階段，在運行前期(0～15 min)的初始有所降低后趨于穩定平緩下降，在中期(15～30 min)的初始有所降低后趨于穩定平緩下降且下降幅度略高于前期，在運行后期(30～40 min)流量有明顯降低且流量變化快，最終在40 min時流量的下降達到了初始流量的20%，結束試驗。

3 砂石-篩網組合過濾器數值模擬

3.1 建立模型與網格劃分

為了與試驗結果進行對照，選出合適的湍流模型，采取還原試驗布置，在Pro/Engineer中進行1∶1三維造型，計算模型如圖4所示。

圖4 砂石-篩網組合分體式過濾器計算模型Fig.4 Physical model for calculation of sand-screen combination filter1.砂石過濾器 2.砂石濾料層 3.連接管道 4.篩網過濾器 5.濾網卡槽 6.濾網

由于該模型較復雜，且包含多孔介質和多孔階躍區域，因此將模型在ANSYS ICEM軟件中進行分塊劃分網格。其中砂石濾料層結構簡單，采用結構化網格，其余部分采用四面體非結構網格，網格總數為703 980個。

3.2 多孔介質模型

多孔介質模型是基于體積流量率來計算表觀速度，根據經驗公式定義流動阻力，因而能較好地模擬多孔區內部的壓力損失。從本質上來說，多孔介質模型就是在動量方程中增加了一個代表動量消耗的源項，以模擬計算域中多孔性材料對流體的阻力作用。該源項包含兩部分，即方程右端第一項為Darcy粘性阻力項；第二項為慣性損失項。方程表達式為

(1)

式中Si——第i個(x、y或者z方向)動量方程中的源項

D、C——粘性阻力和慣性阻力系數定義的對角矩陣，其導致多孔介質單元上的壓力降

ρ——水的密度μ——動力粘度系數

v——速度vj——j方向速度

這個負的源項又被稱為“匯”，代表在單元上產生一個流體速度平方的壓力降。

分別在系數矩陣D與C中代入對角項1/α和C2，則得到簡化的多孔模型

(2)

式中α——滲透率

C2——慣性阻力系數

vi——i方向速度

Fluent也提供了用速度的冪函數來模擬阻力的模型，即指數律模型

Si=-C0|v|C1=-C0|v|C1-1vi

(3)

式中C0——指數模型系數

C1——粘滯阻力系數

當采用指數律模型時，壓力降為各向同性的。在Fluid面板的指數律模型下，依次輸入C0和C1即可。

3.2.1多孔介質

ARBAT等[20]用數值模擬方法預測砂石過濾器各組件的水頭損失，其中砂石濾層造成的水頭損失占總損失的84.6%，進出水管造成的水頭損失占4.4%，另外的11%是由多孔板和濾帽造成的。由于本文在模型建立中省略了砂石濾料層下部的多孔板和濾帽，考慮到多孔板和濾帽在實際中是為了盛放石英砂并仍然能攔截雜質和保證水流通過，其功能和性質與砂石濾層相似，故將其功能簡化到砂石多孔介質域中體現，因此本文在模擬中將砂石過濾器整體的水頭損失由砂石濾層體現。根據物理試驗測得的砂石過濾器的水頭損失隨流量的變化得到水頭損失與流速的關系曲線，如圖5所示，并可以由指數律模型推得粘滯阻力系數C1和慣性阻力系數C2。

圖5 水頭損失與過濾速度的擬合關系Fig.5 Fitting of water head loss and filtration rate

結合式(3)和擬合曲線公式，可計算得到多孔介質區的阻力系數為C0=1.048 8×106,C1=1.167 7 m-2。

3.2.2多孔階躍

借鑒其他學者的研究[21-22]，在Fluent中采用簡化的多孔介質模型——多孔階躍模型來模擬濾網，相關參數的計算公式為

(4)

(5)

(6)

式中DP——網孔直徑，mm

ε1——孔隙比，%

3.3 湍流模型、計算方法與邊界條件

數值模擬采用RNGk-ε湍流模型

(7)

(8)

其中

式中k——湍動能ε——耗散率

Gk——平均速度梯度引起的湍動能

αk、αε——湍動能和耗散率的有效普朗特數的倒數

μt——湍流粘性系數

Cμ、C1ε、C2ε——常數項

采用Fluent提供的SIMPLE算法來計算壓力與速度的耦合方程，差分格式采用精度更高的二階迎風格式，殘差標準為1×10-3。采用非定常計算，迭代時間步長為0.000 2 s。

在進口處設置速度進口邊界條件，例如性能測試試驗中，在30 m3/h時進水管進口速度為0.882 m/s；出口設置為壓力出口邊界條件，例如性能測試試驗中，在30 m3/h時測得出口壓力為16.5 kPa；其余設置為壁面邊界條件，無滑移的標準壁面。

3.4 結果與分析

3.4.1數值模擬與試驗對比分析

通過物理試驗得到砂石-篩網組合過濾器進出口壓降隨流量變化的關系曲線，并與數值模擬結果進行對比，如表2所示。

由表2可以看出，試驗與模擬間的相對誤差最大為6.18%，最小僅為2.65%，誤差均在允許范圍之內，因此數值模擬計算結果與試驗基本吻合，說明數值模擬計算具有準確度和可靠度，可以體現過濾器內部水流運動狀態，進一步說明本文所選擇的湍流模型和參數是合理的，且適用于本文所建立的物理模型的模擬過程，該模型和參數組合也將用于接下來的模擬設置。本文以30 m3/h流量下的模擬結果為例進行內部流場分析。

表2 模擬與試驗結果對比Tab.2 Comparison of simulation and test results

3.4.2壓強場

圖6 砂石-篩網組合分體式過濾器壓降Fig.6 Pressure drop diagrams of sand-screen split-type combination filter

圖6為砂石-篩網組合分體式過濾器壓降圖。由圖6a可以看出，由過濾系統進口到出口的整個流域中，壓力值是逐漸減小的，即水頭損失逐漸增大，加上位置水頭(1.12 m)模型整體水頭損失為3.08 m，主要由砂石過濾器、連接管道和篩網過濾器3部分組成，其中連接管道水頭損失達0.5 m左右，約占總體的16.2%。如圖6b～6d所示，篩網過濾器部分，起過濾作用的濾網處壓降并不大，而造成能量損耗的主要原因是篩網過濾器的進口和出口處：進口處由管道至過濾器內部，過流截面突然增大，且有卡槽阻力，造成了突然的水頭損失；出口處水流匯集，由于過流截面的突然減小且有90°的拐角，產生了壓力最低點。整個篩網過濾器部分造成約1 m的水頭損失，占總體的32.5%。

3.4.3流線

圖7為篩網過濾器不同截面流線圖。從圖7a可以看出，水流進入篩網過濾器直接撞擊卡槽，隨后水流運動方向發生改變，需向上運動經過濾網過濾，所以在卡槽內造成堵塞，形成環流；從圖7b可以看出，水流向上運動，受重力作用和濾網的阻擋，在濾網內形成漩渦，造成內部流場不穩；從圖7c可以看出，當水流穿過濾網后，由于受到濾網阻擋，速度減小，并在過濾器外殼的影響下，形成幾處繞濾網的環流，最終匯于出口方向，從出水管流出。并且由于過濾器與出水管連接處截面驟縮，且形成90°拐角導致水流方向突然變化，因此環流在此處明顯增強導致出水口堵塞。綜上所述，篩網過濾器內流場不穩定，有多處環流和漩渦，水流流動受到較大擾動。

圖7 分體式過濾器篩網部分不同截面流線Fig.7 Streamline diagrams of different sections of screen in split-type combination filter

3.4.4流速

圖8為篩網過濾器內水流流速矢量圖和流速觀測線及其沿豎直方向Y軸的變化曲線。將篩網過濾器濾網視為左右兩部分，創建6條平行于濾網軸向(Y軸)的直線，使其分別位于左濾網外側、左濾網、左濾網內側和右濾網外側、右濾網、右濾網內側，如圖8b所示。篩網過濾器內的流速矢量圖和選取的流速觀測線變化曲線分別如圖8a、8c所示，水流從進水管進入呈輻射狀，一部分直接撞擊卡槽，一部分斜向上經右側濾網過濾流出，因此在濾網下半部分(-0.55～-0.35 m)右側濾網及右側濾網內部速度明顯高于其他各處速度，最大達到2.9 m/s；由于受到重力作用影響，速度急劇減小，在右側濾網上半部分(-0.35～-0.19 m)流速不斷減小，右濾網和右濾網內側速度變化趨勢大體相似。由前文流線分析可知，水流在濾網內部形成旋渦，從右側向左側分布，左濾網和左濾網內側在整個濾網的有效長度(-0.55～-0.19 m)上的速度整體較小，最高為1 m/s，且二者有相似的遞減變化趨勢。對比左、右濾網，二者在濾網下部速度差距明顯，但在濾網上部左、右濾網以及左、右濾網內側速度大體相同。在左、右濾網外側，由于受到濾網和外殼阻擋以及濾網和外殼間的環流作用影響，流速進行重分配，流速較低，二者流速無明顯差別，且隨高度變化不大。綜上所述，篩網內部流速受到多重作用影響而在整個過濾過程中分布不均，導致濾網不同部位相同時間內過流量不同，所以可認為對濾網的利用右部多于左部，下部多于上部，降低了對濾網的利用率。

圖8 分體式篩網過濾器內流速Fig.8 Flow velocity at screen in split-type combination filter

4 結構優化及數值模擬

4.1 優化結構設計

由以上討論可知，砂石-篩網組合過濾器在分體式結構下，連接管道造成部分水頭損失且增加系統布置的復雜性，而篩網過濾器內部流場不穩，流速分布不均且進出口水頭損失較大，因此展開對組合過濾器的結構優化。優化的主要思路是將砂石過濾器和篩網過濾器布置在同一罐體內，由此省去了中間連接管道，將濾網直接固定在卡槽上，用砂石罐體外殼包裹，其空間更大，減小了外殼對水流的擾動，無突然擴張與收縮的截面，保證流動穩定，設計如圖9所示。

圖9 一體式過濾器結構設計圖Fig.9 Structure design diagrams of one-piece combination filter1.進水管 2.閥門 3.排污管 4.布水器 5.砂石濾料 6.濾帽多孔板 7.濾網 8.濾網密封口 9.進砂口 10.掏砂口 11.集水箱 12.出水管 13.卡槽

由于要與傳統組合過濾系統進行對比，為了減小罐體尺寸的影響，故盡量接近傳統組合過濾系統中的尺寸參數，并參考相關規范，最終確定一體式過濾器罐體直徑為700 mm，砂石濾料層厚度260 mm，濾網高度235 mm，直徑120 mm。

4.2 建立優化模型與網格劃分

圖10 砂石-篩網組合一體式過濾器計算模型Fig.10 Physical model for calculation of sand-screen one-piece combination filter1.砂石濾層 2.濾網

根據上述尺寸構建模型，如圖10所示。將模型在ANSYS ICEM軟件中進行分塊劃分網格，其中砂石濾料層結構簡單，采用結構化網格，其余部分采用四面體非結構網格，網格總數為415 205個。采用與上述分體式過濾系統相同的模型和設置得到結果。

4.3 結果與分析

4.3.1優化后壓強場

圖11為砂石-篩網組合一體式過濾器壓降圖。從圖11a可以看出，加上位置水頭(1.18 m)，整體水頭損失僅為1.895 m，相比分體式模擬水頭損失3.08 m減少了38.5%，從圖中可以看出，上部砂石濾層和下部濾網之間幾乎無壓降，這說明簡化連接管道對水頭損失的減小非常可觀。由圖11b、11c看出，濾網卡槽處無高速水流的直接撞擊，故在此處無明顯的能量損耗；水流從上部砂石流入下部濾網，整個過流截面無明顯變化，且流動方向單一，因此可認為下部濾網部分結構簡單，僅有濾網多孔階躍產生少量壓降，而無因結構復雜產生的水頭損失，從而減少了篩網過濾器部分的水頭損失。綜上所述，一體式的布置在壓降方面做到了優化。

圖11 砂石-篩網組合一體式過濾器壓降Fig.11 Pressure drop diagrams of sand-screen one-piece combination filter

4.3.2優化后流線

圖12 一體式過濾器篩網部分不同截面流線Fig.12 Streamline diagrams of different sections of screen in one-piece combination filter

圖12為一體式布置篩網部分流線圖。從圖12a可以看出，雖然4個濾網周圍也有罐體包裹，但由于空間較大，對水流的影響和擾動沒有分體式布置篩網殼體那么強烈，因此并未出現明顯環流和漩渦。從圖12b可以看出，當水流從上部砂石到達濾網時，水流直接從濾網外部穿過濾網到內部進行過濾過程，無需有水流方向的突變，也無向上攀爬的過程，使得重力作用不會對水流影響較大產生旋渦導致流場不穩；無需對水流進入濾網專門設置進口，從而無截面的驟縮，水流從上部砂石到下部濾網整個過流面幾乎無變化，這也是一體式過濾器濾網部分水頭損失較小的原因之一。連接4個濾網的集水箱頂部由于空間較小出現漩渦，但下部水流出口處無明顯的水流方向突變，因此無環流出現，出口順暢無堵塞現象。綜上所述，一體式布置內部流場穩定，在結構方面做到了優化。

4.3.3優化后流速

圖13為一體式布置中4個濾網的流速分布、選取的流速觀測線和其中X和Y負方向的2個濾網沿各自軸線的流速變化曲線。從圖13a可以看出，4個濾網流速分布幾乎相同，說明濾網布置結構合理。將篩網過濾器濾網分為上下兩部分看待，分別在X和Y的負方向創建6條平行于濾網軸向的直線，使其分別位于上濾網外側、上濾網、上濾網內側和下濾網外側、下濾網、下濾網內側，如圖13b所示。從圖13c、13d可以看出，2個濾網沿軸線的流速變化曲線相似，選取X軸的變化曲線進行具體說明分析：在一體式過濾器濾網處，過濾是從外側向內側進行，從外側速度來看，上、下兩側的流速都未隨軸向坐標的變化而有明顯變化，流速沿軸向分布均勻，因此可認為對濾網的利用充分均勻，并不像傳統分體式過濾系統對濾網的利用右側多于左側，下部多于上部。上濾網和下濾網的流速整體均分別高于上濾網外側和下濾網外側流速，這是由于過濾的進行，當水流穿過濾網時過流面積減小，流速加快，與實際情況相符。從濾網內側來看，在整個濾網的有效長度上(0.13～0.33 m)，流速隨軸向坐標的變化而變化，越接近集水箱流速越大，這是由于水流進入濾網后流向改變，過流面從罐體橫截面變成濾網截面，過流面積減小，因此流速增大，有利于迅速將水流向出口，引導排出。

圖13 一體式濾網流速Fig.13 Flow velocity at screen in one-piece combination filter

5 一體式過濾器性能試驗

5.1 試驗概況和方法

根據4.1節中結構尺寸設計參數進行實物制作(圖14)，并對其進行性能測試。制作和測試在上海華維節水灌溉股份有限公司進行。試驗布置如圖15所示，與2.1節試驗布置和所用設備相似，只是將傳統分體砂石-篩網組合過濾系統換成一體式砂石-篩網組合過濾器。

清水條件下，進行6、12、18、24、30、36 m3/h 6個流量梯度下的試驗。在每次調節流量穩定后讀取各壓力表對應的數值，由此計算出各流量下的水頭損失。

選擇與2.2節中相同的泥沙配比，將泥沙加入水源中，配置為質量分數為0.2%的含沙水源。調節閥門開度至30 m3/h開始試驗，保持系統運行，隔一定時間記錄各過濾器兩端壓力表數值。以系統流量減少20%或水頭損失達到7 m作為該次試驗結束的標志。

5.2 結果分析

為了顯示一體式過濾器的水力性能與傳統分體式過濾系統的不同，在本節主要進行二者水力性能結果的對比分析。

圖16是清水條件下兩種過濾系統水頭損失隨流量的變化，通過直觀對比可知，一體式過濾器水頭損失明顯小于傳統分體式過濾器，從省略砂石過濾器和篩網過濾器之間的連接管道而言，水頭損失理論上應該從系列1下降到系列2，但從試驗結果來看，水頭損失從系列1下降到系列3，這說明一體式過濾器不僅減掉連接管道帶來的水頭損失，節省占地面積和減輕安裝與維護帶來的繁瑣，也確實做到了結構的優化，減輕了濾網外殼對其水流的擾動，減少了截面的擴張與驟縮，保持了內部流場的穩定，與模擬結果相吻合。

圖16 清水條件下分體式與一體式水頭損失隨流量的變化Fig.16 Changes of head loss with flow under clean water condition

含沙水條件下，從水頭損失來看(圖17)，在30 min之前，分體式過濾系統和一體式過濾器均處于平緩上升階段，在33～40 min階段，即分體式過濾系統的過濾后期，水頭損失急劇增大，這是由于濾網被堵塞的概率和速率迅速增大導致，而一體式過濾器由于在近乎相同直徑和厚度的砂石濾料后布置4個濾網，增多了濾網個數，可有效增大過濾面積，且通過數值模擬分析可知對濾網的利用充分，因此即使后期大量砂礫需要濾網過濾也能滿足過濾要求，不會出現堵塞面積所占比例增大導致流速迅速增大使得水頭損失激增的現象，因此水頭損失仍以與之前相似的上升幅度增大。無水頭損失的激增，故不會引起過濾器內部壓強的突然增大，有利于各部件長期穩定運行使用。

從流量的變化來看，一體式過濾器的流量變化比分體式流量變化平穩，與水頭損失相似，在過濾后期，分體式過濾系統流量有一個跳躍式減小，這是堵塞的突然增強導致。而兩種過濾系統流量都減少20%時，一體式過濾器比分體式過濾器能多運行20 min左右，這能減少反沖洗的次數與頻率，提高灌溉效率，節約資源。

圖17 含沙水條件下分體式與一體式水頭損失和流量隨時間的變化Fig.17 Changes of total head loss and flow over time under sandy water condition

6 結論

(1)利用CFD技術結合多孔介質模型對組合過濾器進行數值模擬，結果與物理試驗結果吻合度較高，可分析其內部流場，為結構優化奠定基礎。

(2)組合過濾器分體式布置，中間連接管道會產生水頭損失，篩網過濾器的濾網需要殼體進行包裹，勢必會形成截面的突然擴張和收縮，也會產生較大水頭損失，同時內部和出口由于水流方向的突變等原因會產生多處環流和漩渦，造成流場的不穩定；且通過流速討論認為濾網并未得到充分利用，降低了過濾效率，尤其在對含沙水進行過濾時，隨著含沙水流不斷通過篩網濾芯，篩網濾芯上的網孔被堵塞的概率和速率迅速增大，篩網濾芯右側柱面較早達到堵塞，在過流面積驟然減小時，篩網濾芯的左側柱面也會在短時間內堵塞，造成篩網濾芯堵塞快，需經常進行反沖洗；且這樣的流動方式對篩網濾芯有明顯的損害，受力的不均勻使得篩網濾芯的使用壽命有限。

(3)通過對分體式內部流場的分析，明確了優化方向。通過對優化后一體式布置的結構進行模擬，將濾網布置在更大直徑的罐體內，省去連接管道，并使濾網安裝在更寬的罐體內，減少了38.5%的水頭損失，且濾網受到殼體的影響更小，出口處水流順暢，因此減少了環流和漩渦，使得流場穩定；通過對流速討論發現，流速分布更加均勻合理，對濾網各部利用充分，提升了過濾效率，延長了濾網使用壽命。

(4)通過傳統分體式砂石-篩網組合過濾系統和一體式砂石-篩網組合過濾器的性能測試試驗對比分析可知，清水條件下一體式組合過濾器不僅省去連接管道的水頭損失且由于結構優化能有效減小其他部位水頭損失，與模擬吻合；含沙水條件下一體式過濾器比傳統分體式過濾系統在流量減少20%時能多運行20 min左右，減少反沖洗次數和頻率，提高灌溉效率，并且在過濾后期無水頭損失的陡增，故不會引起內部壓力突然增大，有利于各部件穩定運行。