不同尺寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬

阿力甫江·阿不里米提，虎膽·吐馬爾白，木拉提·玉賽音,2，阿依古麗·艾科拜爾

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆鑫水現(xiàn)代水利工程有限公司，烏魯木齊 830019；3.新疆蘇齊農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830049)

微灌工程中根據(jù)水質(zhì)情況、灌溉面積等一些因素，對(duì)過(guò)濾器型號(hào)(尺寸)及過(guò)濾流量大小的需求不同[1-3]。

若過(guò)濾器流量過(guò)少，會(huì)引起水泵產(chǎn)生干吸現(xiàn)象或損壞水泵；若過(guò)濾器流量過(guò)大，則引起水頭損失大，導(dǎo)致濾網(wǎng)變形，影響過(guò)濾器壽命[4-6]。所以在滴灌工程中選用合適尺寸和流量的過(guò)濾器是至關(guān)重要。劉飛等[7]在研究自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器時(shí)根據(jù)水頭損失的大小確定了工作流量，建議80目自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器的工作流量控制在180 m3/h左右較好；阿力甫江[8,9]等在研究過(guò)程中，根據(jù)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器工作流量引起的水頭損失情況選擇了比較合適的工作流量范圍。

微灌用魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器是一種新型的除沙設(shè)備，在泥沙處理和延長(zhǎng)過(guò)濾時(shí)間方面創(chuàng)造了革命性的變革[10-12]。國(guó)內(nèi)有關(guān)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的試驗(yàn)研究較少，阿力甫江等通過(guò)試驗(yàn)和實(shí)踐應(yīng)用觀測(cè)得到了一些研究成果[13-15]。本研究基于8寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的吻合情況。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，推出適合于不同條件的不同流量定額、不同結(jié)構(gòu)尺寸的魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器。經(jīng)過(guò)不同4種尺寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的數(shù)值模擬，分析其內(nèi)流場(chǎng)變化情況。所得結(jié)果為魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化研究提供技術(shù)保障和理論支撐。

1 魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器結(jié)構(gòu)及原理

微灌用魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器主要由筒體、過(guò)濾網(wǎng)、魚(yú)雷網(wǎng)芯、自動(dòng)控制器及排污裝置等部分組成，其核心部件是魚(yú)雷和濾網(wǎng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于魚(yú)雷部件的存在，魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的內(nèi)流場(chǎng)與其他網(wǎng)式過(guò)濾器有所不同。與其他網(wǎng)式過(guò)濾器一樣，魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的工作過(guò)程包括過(guò)濾過(guò)程和自動(dòng)清洗過(guò)程等2個(gè)階段。過(guò)濾過(guò)程中濾網(wǎng)開(kāi)始堵塞，水頭損失逐漸增大，當(dāng)過(guò)濾器水頭損失達(dá)到預(yù)設(shè)壓差值時(shí)，壓差傳感器將信息傳到?jīng)_洗控制器，控制器自動(dòng)開(kāi)啟排污閥通向大氣進(jìn)行排污。排污同時(shí)過(guò)濾依然進(jìn)行，不間斷地向微灌系統(tǒng)供水。達(dá)到預(yù)設(shè)的排污時(shí)間時(shí)，排污閥自動(dòng)關(guān)閉，過(guò)濾器再次進(jìn)入正常過(guò)濾狀態(tài)。

1-進(jìn)水口；2-進(jìn)水口壓力表；3-過(guò)濾器殼體(筒體)；4-自動(dòng)沖洗控制器；5-濾網(wǎng)；6-魚(yú)雷；7-自動(dòng)排污閥進(jìn)水口壓力表；8-自動(dòng)排污閥出水口壓力表；9-自動(dòng)排污閥；10-出水口壓力表；11-出水口 圖1 魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器結(jié)構(gòu)圖

2 魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)實(shí)際情況建立8寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的三維模型，如圖2所示。過(guò)濾器的長(zhǎng)度方向?yàn)閄坐標(biāo)，寬度方向?yàn)閆坐標(biāo)，高度方向?yàn)閅坐標(biāo)，水流沿X軸正方向流進(jìn)過(guò)濾器。對(duì)建立的幾何模型，用Gambit 2.4進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為減少數(shù)值模擬的計(jì)算工作量和保證計(jì)算精度，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。將過(guò)濾器分塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于過(guò)濾器頭部端、末端和出口鏈接端結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，其余部分均采用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，如圖2所示。網(wǎng)格總數(shù)為227 354個(gè)，分別生成網(wǎng)格后調(diào)入Fluent 14.5進(jìn)行計(jì)算。

圖2 魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 邊界條件及模型求解

過(guò)濾器邊界條件主要分為進(jìn)口邊界、出口邊界、過(guò)濾器罐體及魚(yú)雷部件表面邊界。本研究中過(guò)濾器進(jìn)口設(shè)為流速進(jìn)口，水流方向與X軸正方向一致，設(shè)置進(jìn)口邊界條件為U=u，V=W=0，u為過(guò)濾器進(jìn)水口斷面的平均流速。過(guò)濾器出水管為壓力出口邊界條件，出口壓力與物理試驗(yàn)出口壓力相同。過(guò)濾器罐體及魚(yú)雷均按照固壁定律處理。

2.3 多孔介質(zhì)模型

本文引入多孔介質(zhì)模型將替代濾網(wǎng)計(jì)算，將濾網(wǎng)部分計(jì)算域定義為多孔介質(zhì)區(qū)域。多孔介質(zhì)模型就是在動(dòng)量方程中增加了一個(gè)能代表多孔介質(zhì)對(duì)流體的阻力項(xiàng)—?jiǎng)恿吭错?xiàng)Si。源項(xiàng)由兩部分組成，一部分是黏性損失項(xiàng)(Darcy)，另一個(gè)是慣性損失項(xiàng)。

(1)

式中：Si為動(dòng)量方程附加動(dòng)量源項(xiàng)，N/m3；μ為流體黏度，Pa.s；C2為慣性阻力系數(shù)。

當(dāng)流體流速較高時(shí)(湍流狀態(tài))，常忽略黏性損失項(xiàng)，只保留慣性損失項(xiàng)，則流體通過(guò)多孔介質(zhì)3個(gè)方向上的壓力降可表示為：

(2)

式中：Δpi為流體流過(guò)多孔介質(zhì)上的壓力降，Pa；Δni為多孔介質(zhì)在3個(gè)坐標(biāo)方向的厚度，m。

在計(jì)算多孔介質(zhì)模型時(shí)，需要在計(jì)算前設(shè)定兩個(gè)參數(shù)，即黏性阻力系數(shù)C1(即1/α)和慣性阻力系數(shù)C2，本文采用以下經(jīng)驗(yàn)公式確定以上參數(shù)：

(3)

(4)

(5)

式中：α為滲透率，m2；C1為阻力系數(shù)，m-2；C2為慣性損失系數(shù)，m-1；D為濾網(wǎng)的孔直徑，mm；ε為孔隙比，%。

根據(jù)物理試驗(yàn)中采用的濾網(wǎng)參數(shù)，即80目濾網(wǎng)的孔直徑D=0.212 7 mm，孔隙比ε=33%，絲徑d=0.116 2 mm，根據(jù)給定的參數(shù)值，可計(jì)算得到α=6.63×10-11m2，C1=1.508×1010m-2，C2=137 711 m-1。

2.4 模型驗(yàn)證

為了保證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的可靠性，將數(shù)值模擬結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。本次試驗(yàn)由清水作為水源進(jìn)行試驗(yàn)并得到不同流量下進(jìn)出口壓力降(也就是水頭損失)關(guān)系，表1為物理試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的水頭損失對(duì)比情況，從表中可知，進(jìn)水流量為210～390 m3/h的工作流量范圍時(shí)，數(shù)值計(jì)算與物理試驗(yàn)結(jié)果的最小相對(duì)誤差是1.41%，最大相對(duì)誤差為5.99%，說(shuō)明數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

表1 試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

根據(jù)所得結(jié)果求出過(guò)濾器流量-水頭損失關(guān)系曲線(如圖3所示)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果擬定出過(guò)濾器流量與水頭損失的關(guān)系式為：Hw=0.000 09Q1.840 5，其中，Hw為水頭損失，m；Q為流量，m3/h；試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的指數(shù)相差不大，水頭損失系數(shù)相差很小，可忽略不計(jì)；水頭損失擬合經(jīng)驗(yàn)公式相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99。

圖3 模擬壓降和實(shí)測(cè)壓降對(duì)比

計(jì)算結(jié)果和物理試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明所選模型及參數(shù)合理。

8寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明可以利用fluent軟件對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，并得到的結(jié)果在實(shí)際過(guò)濾器研究中提供參考。

3 不同尺寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的數(shù)值模擬

邊界條件和模型設(shè)計(jì)與8寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器相同的情況下，分別對(duì)4寸、6寸及10寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過(guò)推出適合不同流量的魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器尺寸，讓魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器不僅在農(nóng)業(yè)灌溉地里工作，而且普遍使用在不同面積的果園，私人花園及草坪等跟人類生活密切有關(guān)的小面積區(qū)域內(nèi)。以下給出不同尺寸過(guò)濾器的示意圖：圖4(a)為4寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器，進(jìn)出口直徑0.1 m，過(guò)濾器罐體長(zhǎng)度0.516 m，罐體直徑0.129 m，濾網(wǎng)直徑0.1 m，魚(yú)雷直徑0.077 m；圖4(b)為6寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器，進(jìn)出口直徑0.14 m，過(guò)濾器罐體長(zhǎng)度0.687 m，罐體直徑0.172 m，濾網(wǎng)直徑0.14 m，魚(yú)雷直徑0.103m；圖4(c)為10寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器，它的進(jìn)出口直徑0.27 m，過(guò)濾器罐體長(zhǎng)度1.375 m，罐體直徑0.342 m，濾網(wǎng)直徑為0.27 m，魚(yú)雷直徑為0.204 m。

圖4 不同尺寸的魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器

3.1 水頭損失計(jì)算結(jié)果

通過(guò)在不同過(guò)濾流量工況下對(duì)4寸、6寸、10寸的魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的數(shù)值計(jì)算，表2為對(duì)4寸過(guò)濾器在20、50、80、100、120、150 m3/h等6種不同流量工況下進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，出口壓強(qiáng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)為179 kPa。計(jì)算穩(wěn)定后過(guò)濾器的水頭損失hw分別為0.347、1.756、4.161、6.314、10.324、15.823 m。

表2 4寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器數(shù)值模擬結(jié)果

同樣的方法，對(duì)6寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器在50、100、150、200、250、300 m3/h等6種不同流量工況下進(jìn)行數(shù)值模擬的計(jì)算，出口壓強(qiáng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)為179 kPa。計(jì)算穩(wěn)定后的過(guò)濾器水頭損失hw分別為0.525、1.805、3.816、6.530、10.084、14.383 m。對(duì)10寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器在350、400、450、500、550、600 m3/h等6種不同流量工況下進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，穩(wěn)定后的過(guò)濾器水頭損失hw分別為1.634、2.086、2.599、3.203、3.686、4.448 m。

根據(jù)對(duì)不同尺寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的數(shù)值模擬結(jié)果，綜合考慮灌溉面積、水泵耗能等因素，試驗(yàn)研究確定的各魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器適宜的流量范圍為：4寸過(guò)濾器流量范圍20～80 m3/h;6寸過(guò)濾器的為80～200 m3/h；8寸過(guò)濾器的為200～400 m3/h；10寸過(guò)濾器的為400～600 m3/h比較好。

3.3 流場(chǎng)分析

本研究對(duì)不同尺寸的魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器進(jìn)行了不同流量的數(shù)值模擬計(jì)算，以下各尺寸的魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器在選定流量下的情況進(jìn)行分析。4寸過(guò)濾器選擇進(jìn)水流量為80 m3/h，進(jìn)口流速為2.83 m/s；6寸過(guò)濾器選擇進(jìn)水流量150 m3/h，進(jìn)口流速2.71 m/s；8寸過(guò)濾器選擇進(jìn)水流量為300 m3/h，進(jìn)口流速為2.654 m/s；10寸過(guò)濾器選擇進(jìn)水流量為500 m3/h，進(jìn)口流速為2.427 m/s。

不同尺寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的速度矢量圖如圖5所示。由圖5可知：①不同尺寸的過(guò)濾器內(nèi)流場(chǎng)變化情況基本一致。從進(jìn)口流進(jìn)的水流到了罐體頭部時(shí)遇到魚(yú)雷，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e突然變小，此時(shí)少一部分水開(kāi)始穿過(guò)濾網(wǎng)，其他水流往罐體尾部流動(dòng)，并與過(guò)濾器尾部折返回來(lái)的水流混摻而流速逐漸變慢；②從進(jìn)水口流進(jìn)的部分水流穿過(guò)濾網(wǎng)后往出水口流動(dòng)，其他水流往魚(yú)雷尾部流動(dòng)，帶著泥沙顆粒的水流從魚(yú)雷尾部的8個(gè)小孔流進(jìn)魚(yú)雷內(nèi)腔，讓顆粒沉淀在魚(yú)雷內(nèi)部，清水從魚(yú)雷頭部的4個(gè)小孔流出；③水流到出水口附近時(shí)流速變快，在出水口直角轉(zhuǎn)彎處出現(xiàn)旋渦區(qū)，水流繼續(xù)往前流動(dòng)的過(guò)程旋渦流逐漸消失，水流均勻地從出水口流出。

圖5 不同尺寸過(guò)濾器在Z=0斷面的流速矢量圖(流速單位：m/s)

3.2 壓強(qiáng)場(chǎng)分析

在相應(yīng)的進(jìn)水流量情況下，繪制不同尺寸的過(guò)濾器在Z=0縱斷面的壓強(qiáng)分布云圖(圖6)。從圖6可看出以下幾點(diǎn)：①4種不同尺寸過(guò)濾器的內(nèi)部壓強(qiáng)分布情況基本相同，進(jìn)水口段壓強(qiáng)最大，出水口段壓強(qiáng)最小，魚(yú)雷部件內(nèi)腔的壓強(qiáng)值基本相等；②進(jìn)水口附近濾網(wǎng)內(nèi)外有一定的壓差，而罐體尾部濾網(wǎng)內(nèi)外壓強(qiáng)值基本相等。

過(guò)濾器頭部斷面的壓強(qiáng)分布情況如圖7所示。在過(guò)濾器罐體頭部段(也就是魚(yú)雷前孔存在的斷面)魚(yú)雷內(nèi)部壓強(qiáng)最大，濾網(wǎng)外側(cè)的壓強(qiáng)最小。魚(yú)雷外部和罐體外殼之間的部分受到進(jìn)出水口的水流作用、濾網(wǎng)阻礙及末端回流的影響，其壓強(qiáng)分布較不均勻。

如圖8所示，過(guò)濾器罐體末端(也就是魚(yú)雷后孔存在的段)斷面壓力分布云圖可以看出，濾網(wǎng)內(nèi)外和魚(yú)雷內(nèi)部的壓強(qiáng)幾乎相同，沒(méi)有明顯差異。這是因?yàn)檫^(guò)濾器末端回流區(qū)里泥沙沉積，水流流速緩慢，濾網(wǎng)及魚(yú)雷內(nèi)外壓強(qiáng)基本穩(wěn)定。

圖6 不同尺寸的魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器在Z=0斷面的壓強(qiáng)分布云圖(壓強(qiáng)單位：kPa)

圖7 不同尺寸過(guò)濾器在魚(yú)雷前孔斷面的壓力分布云圖(壓強(qiáng)單位：kPa)

圖8 不同尺寸過(guò)濾器在魚(yú)雷后孔斷面的壓力分布云圖(壓強(qiáng)單位：kPa)

4 結(jié)論與展望

通過(guò)本次數(shù)值模擬計(jì)算，得到以下結(jié)論。

(1)利用fluent軟件模擬了8寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的內(nèi)部流場(chǎng)，模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，可用fluent軟件對(duì)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，綜合考慮灌溉面積、水泵耗能等因素，可確定不同尺寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的最佳進(jìn)水流量范圍為：4寸過(guò)濾器流量范圍20～80 m3/h;6寸過(guò)濾器80～200 m3/h；8寸過(guò)濾器200～400 m3/h；10寸過(guò)濾器為400～600 m3/h較好。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，4寸、6寸、8寸和10寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器在額定進(jìn)水流量條件下流速場(chǎng)變化情況與內(nèi)部壓強(qiáng)分布規(guī)律基本一致。

基于不同尺寸魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬進(jìn)一步解釋其運(yùn)行規(guī)律，為后續(xù)的魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)改進(jìn)提供技術(shù)依據(jù)。國(guó)內(nèi)關(guān)于微灌過(guò)濾器尺寸對(duì)其運(yùn)行規(guī)律和功效的影響方面的研究較少，阿力甫江[16]，陶洪飛[17]等研究過(guò)濾器出水口位置對(duì)其功效的影響，但目前的研究層次還沒(méi)深化，缺乏足夠的數(shù)值模擬和實(shí)踐試驗(yàn)對(duì)比研究。后續(xù)的有關(guān)研究需數(shù)值模擬和實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)一步深化過(guò)濾器結(jié)構(gòu)方面研究。