導流片對Y型網式過濾器性能的影響

周理強，韓 棟，喻黎明，李 娜※，郭歡歡，王作恒

（1. 昆明理工大學農業與食品學院，昆明 650500；2. 武漢三江航天遠方科技有限公司，武漢 430038；3. 農業農村部工程建設服務中心，北京 100081；4. 黃石新興管業有限公司，黃石 435005）

0 引 言

微灌技術自上個世紀70年代實現商業化應用開始，就獲得了快速發展[1-2]，目前網式過濾器成為國內外應用最廣泛的過濾器之一，是保證整個微灌系統正常運行的核心設備。隨著過濾器的廣泛應用，濾網堵塞問題[3-7]越來越突出，已成為工程技術人員、科研學者關注的熱點問題。濾網堵塞直接影響過濾器的工作效率，嚴重時甚至會造成微灌系統的報廢，這已成為亟待解決的問題，也是中國引進微灌技術40余年以來，微灌事業不能迅速發展[8-9]的重要原因之一，因此，提高過濾性能、解決濾網堵塞難題對現代微灌系統的發展意義重大。

目前，國內外對網式過濾的優化研究主要集中在工作環境優化、宏觀結構改進上。Adin等[10]通過試驗發現濾網堵塞率取決于過濾速度、有機物含量這些變量。Capra等[11]建議過濾廢水時需經稀釋和沉淀處理，使用可靠廢水過濾以降低堵塞風險。Duran-Ros等[12]指出給定高效反沖洗需要的工作壓力，可以減少過濾器循環堵塞的次數。王新坤等[13]采用多孔介質模型對過濾器筒體形狀、進出口位置和進出口角度進行優化，改善了過濾器內部流場分布，使濾網使用壽命延長。陶洪飛等[14]認為在實際運行中選擇合適的濾網孔徑以減少濾網需要承受的壓強差使其不易破損。Wu等[15]提出在濾網結構設計中應選擇合適的進出口內徑，以減少沿程水頭損失和局部水頭損失。

為提高過濾器的抗堵塞性能，已有研究對既定的模型進行了大量的探索與優化分析。但他們都著眼于過濾器的宏觀水力性能，未對網式過濾器存在導流片時的影響進行研究，也未對網面流量、沙粒在型腔內的運動及在網面上的分布等進行微觀分析，難以得出直觀的結論。而對抗堵塞性能的研究，需要從根本上分析不同工況下水力性能與泥沙運動分布之間的內在聯系，不能單對試驗結果推測或流場分布來判斷。本文通過CFD-DEM[16-17]（Computational Fluid Dynamics, CFD; Discrete Element Method, DEM）耦合模擬導流片對Y型網式過濾器內部流態和沙粒運動分布規律的研究，對比有、無導流片時網面流量的變化情況，分析流量對網面沙粒分布的影響，探討過濾器內部流態與堵塞之間的關系，提出改善局部堵塞和過濾性能的措施，為過濾器產品的優化提供思路。

1 數值計算及試驗驗證方法

1.1 數值計算方法

1.1.1 過濾器結構

Y型網式過濾器（以下簡稱過濾器）的結構示意圖如圖 1所示，主要由筒體、濾芯以及堵頭組成。其中，濾芯（圖 1b）為復合結構，由可拆卸的支撐筒和濾網組成，方便渾水試驗結束后對濾網面上的沙粒分布情況進行觀察；濾網用細金屬絲編制而成，起到過濾泥沙介質作用。堵頭起到固定濾芯與密封作用，通過螺紋活動連接在筒體上，方便濾芯的拆裝。

圖1 Y型網式過濾器結構示意圖Fig.1 Structural diagram of Y-screen filter

1.1.2 模型的建立與邊界條件

為了說明導流片對過濾器存在的影響，對有、無導流片的過濾器進行數值模擬。導流片安置于過濾器出口處，其對稱軸與過濾器中截面相重合。2種過濾器除有、無導流片差異外，其他結構尺寸均相同，濾芯通用，均采用80目（0.18 mm）濾網，濾網孔徑為197.5μm，支撐架沖孔孔徑為1.785 mm，其他幾何參數如圖2所示。

圖2 Y型網式過濾器幾何參數示意圖Fig.2 Diagram of geometry parameters for Y-screen filter

網格劃分對數值模擬計算（以下簡稱數模）結果至關重要，本算例對實際模型進行了適當簡化，模型采用六面體結構化網格，為了保證計算的準確性，在濾網交接處加密網格以提高精度，并進行網格無關性檢驗，即把模型節點數分別提高1.5、2、3倍，數模結果均在收斂誤差允許范圍內，故最終選取無、有導流片過濾器的計算域網格節點數為 9.4×105、1.1×106。

由于過濾器內部存在回流與射流現象[13,18]，故采用標準k-ε模型[19]。進口設置為速度入口條件，水相與沙粒相均采用相同的入口速度1 m/s，湍流強度為5%，入口水力直徑為24 mm，形狀為圓形，出口采用壓力出口條件，壓力為標準大氣壓，回流湍流強度取默認值，壁面采用標準壁面函數。

1.1.3 數學模型及其原理

過濾器內水流視為粘性不可壓縮的流體，考慮濾芯壁面粗糙度的影響，忽略表面張力的作用[20]，沙粒所占體積分數不到1%，故忽略其對水相的作用而采用歐拉—拉格朗日模型，所設的模型參數參考文獻[21]，兩相流控制方程與沙粒平衡方程的計算公式參照文獻[22-23]。在數模時有、無導流片過濾器參數設置均相同，均從 0時刻開始并投放沙粒，投放速率為每秒5 000個，沙粒直徑為220μm。

1.1.4 沙粒統計分析

水流夾雜著沙粒進入過濾器內腔，濾網的篩分效應使粒徑大于孔徑的沙粒被攔截，并分布在濾網的各個區域。考慮到過濾器內部沙粒運動復雜、分布范圍廣且具有隨機性，本文采用區域劃分方法，統計落在不同區域上的沙粒數，并用相對標準偏差Sr作為衡量指標[24]，輔助分析濾網面上沙粒分布的均勻性，Sr能反映不同條件下不同區域的沙粒分布情況。

式中N為區塊數；zi為該區域內沙粒數；為區域平均沙粒數。Sr越小表明沙粒分布越均勻。

1.2 試驗材料與方法

1.2.1 試驗材料與裝置

試驗用清水為普通自來水，同時為了排除水源其他雜質（如有機物等）影響，自制待過濾液。渾水水樣所用土樣為取自中國云南的一種常見紅壤土。將泥沙基于Zeier等[25-26]對沙?？讖奖鹊脑O置（0.34～1.5和1.15～2.7）進行分級過篩，根據過濾器的精度（197.5μm）選取篩分度在 125～355μm 之間的篩網對原始土樣進行篩選，再配置土樣質量分數為0.3‰的試驗用渾水。

試驗在昆明理工大學農業與食品學院實驗室內（室溫條件下）進行。試驗裝置由蓄水池、潛水泵、網式過濾器、流量計、壓力表以及各類管道配件組成（如圖3）。

圖3 網式過濾器試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental device for screen filter

整個試驗裝置可以認為是一個完整的循環過濾系統。試驗開始時，在蓄水池中注入足量的清水（或渾水），潛水泵完全浸沒在蓄水池的水中，潛水泵在離心力的作用下，使水流由蓄水池經進水管、調節閥、壓力表流入過濾器，再經水管、壓力表、止回閥、流量計、出水管口流回蓄水池。流回蓄水池的水又在潛水泵的作用下進行下一個循環。

1.2.2 試驗方法

參照數模將試驗分為清水與渾水兩部分，對過濾器進行不同入口流量的清水水頭損失試驗和渾水堵塞試驗。清水試驗用于計算過濾器的水力性能并與數模中過濾器流量-壓降曲線對比分析，通常網式過濾器的流量-壓降曲線遵循[27]。

式中Δh為進出口之間的壓降，m；Q為總流量，L·h-1；k為壓降系數，x為流態指數。

渾水試驗用于觀察沙粒在濾網面上的分布情況，對比有、無導流過濾器之間的差異，并與數模中的結果形成對比。本試驗采用80目（0.18 mm）濾網，試驗結束后將濾芯卸下，把濾網取出并展開，用相機拍攝沙粒在濾網面的分布圖與數模中沙粒分布圖進行對比。

由于沙粒平均粒徑超過270μm容易沉積在水箱底部從而影響試驗效果，因此在進行渾水試驗時，需要人工不斷攪拌蓄水池中的渾水，防止沙粒沉淀在蓄水池底部，同時，在過濾系統不斷的循環下，回流渾水也能起到摻混的作用。

2 結果分析

2.1 導流片對水力性能的影響

2.1.1 流量與壓降

計算試驗和數模不同流量增量下過濾器兩端壓降，并根據式（2）對數據點進行擬合，得到流量-壓降曲線圖4。

圖4 清水狀態下的流量-壓降曲線Fig.4 Flow rate-pressure drop curve of filter with clean water

有、無導流片過濾器的數值模擬與其試驗測試之間的壓降系數差異分別為8.94%與9.32%，是因為濾網結構不完全相同所致，濾芯由支撐筒與橫豎交替的金屬絲編制網（圖 5a）組成，兩者之間的重疊導致部分網孔不完整且形狀難以判斷，同時，由于濾網制造水平的限制導致網孔大小往往不一，而數值模型（圖 5b）對濾網進行適當的簡化，忽略部分重疊的網孔與重疊金屬絲厚度，并將所有網孔視為標準大小，所以結果存在一定的差異[28]。若完全按照1:1模型，則網格化的過程極其復雜，而數模中為減少網格數量簡化了實際濾網，使常規的工作站能夠運算，數模濾網中流體運動環境更加理想，因而相同流量下實測過濾器的水頭損失會更大。

數值模擬和試驗測試中決定系數為R2分別為 1、0.999 1和0.998 9，說明試驗和數模中水力性能遵循過濾器的壓降變化規律，并通過t檢驗法對其結果的準確度驗證[29]，得到兩者之間的壓力值無顯著性差異，因此結果具有可靠性。

過濾器的壓降系數k與流態指數x，均與過濾器的結構相關[30]。內置導流片改變了過濾器原始結構，影響了過濾網內流體運動規律導致系數k發生變化，從圖4可知，有導流片與無導流片的過濾器相比，試驗結果擬合得到的壓降系數k增大了 17.92%，數模擬合k值增大了18.33%，說明有導流片時過濾器水頭損失較無導流片時大。因為導流片擋在無導流片時主要的出流區域，改變了水流方向，增加了水流在網腔內的流動，從而增加了過濾器內的能耗，增大了總壓損失；壓降系數越大也即相同壓差下過流量更小，而有導流片過濾器壓降系數明顯較大，也即在相同壓差下過流量更小。

圖5 濾網結構圖Fig.5 Structural diagram of filter screen

2.1.2 流場分布

圖 6為清水狀態下過濾器的中截面流線圖，無導流片過濾器水流可以直接從出水口處流出，而有導流片過濾器中，水流在導流片的導流作用下直接向前滑移，說明導流片改變了水流的方向與分布，使得過濾器內的水流分布更趨于合理，避免水流過于集中某個位置，致使局部位置水流過大。

圖 5表明，過濾器型腔內會產生回流現象，且在拐角明顯，此時，若在拐角處進行合理結構優化，把“尖角”設計為一定大小的圓角，可以減小或避免回流的產生。拐角處阻礙了水流流動，增大了水流與內壁面的摩擦造成動能損失，讓更多水流回流或滯留于此，不利于水流保持原來水勢繼續流動，增大了水流損失。拐角處讓更多的動能轉換為勢能，使局部壓強變大，當壓力高達一定值時容易造成過濾器破損。另外，回流的存在致使部分泥沙處于死循環狀態，增加了應該通過而沒有通過過濾器的泥沙數量，降低了整體過濾效率。

圖6 過濾器中截面流線圖Fig.6 Streamline diagram of section in filter

以濾網出口處的對稱軸（Z軸）為展開軸，得到網面流量分布如圖 7所示。流量整體從中間位置向兩側不斷下降，高、中、低速流量區對應于濾網面出口側、進出口中側、進口側。由等值線 13 L/h圍成的有導流片、無導流片過濾器高速流量區域面積分別為 252.4、476.6 mm2，減小了47.05%，說明導流片可以減少過濾器高速流量區的面積，因為導流片阻礙了出口處濾網水流的流出，讓原本高速流量區流速變小形成中低速流量區，從而改變了各區域流量分布。

圖7 網面流量分布圖Fig.7 Flow rate distribution of screen

由圖 7可知，過濾器網上流量分布極為不均，有、無導流片流量最值比（最大流量比最小流量的值）分別為4.1、4.9，表1為網面流量結果，其中有導流片較無導流片時最大流量減小了4.78%，最小流量增大了10.75%，表明過濾器中加了導流片后，網面流量分布更加均勻。導流片具有導流性和分配特性，可以讓網面水流進出更加平穩。

表1 網面流量Table 1 Flow rate on the screen

2.2 導流片對沙粒分布的影響

2.2.1 沙粒在過濾器型腔內的分布

有無導流片時沙粒隨時間在型腔內分布位置變化如圖 8所示。無導流片時沙粒分布較為分散，在過濾網面出口處、過濾室兩側和堵頭上均有較多積聚。因為沙粒在很大程度上受到局部流速的影響，局部流速越大單位時間內通過流量越大，沙粒隨水流流入的數量越多，攔截在濾網中沙粒就越多，對照流量圖7，這正好與沙粒分布現象相對應。而有導流片時沙粒主要集中在堵頭內，少部分在過濾網出口側的軸線上，其它位置較少且分布均勻、分散。因為有導流片過濾器在開始工作時，入口的水流先撞擊在導流片上，通過導流片的導流作用使水流滑移沖向堵頭，沙粒在水流作用下沖向了堵頭，所以沙粒集中在堵頭位置，隨著水流的回流及分散，沙粒也分散到各處，由于濾網出口側軸線上的流量較大，所以沙粒在出口側沿軸線分布。過濾時長t=1～3 s時，濾網面出口處、過濾室兩側的沙粒隨時間增大而沉積變多，而t=4 s時，濾網面出口處、過濾室兩側沙粒分布規律隨時間增大再無明顯變化，故不再考慮后續過程。

圖8 不同過濾時長的沙粒在過濾器型腔內的分布圖Fig.8 Sand distribution in filter cavity at different times

沙粒在型腔和堵頭內垂向分布結果如表2。隨著過濾時長的增加，有、無導流片過濾器的型腔沙粒數、堵頭沙粒數都在增加，但增加的速率不同。在運行時間1～4 s內，無導流片時堵頭內沙粒與沙?？倲当仁窃黾拥?，每增加1 s，各時刻的占比分別為27.22%、40.36%、47.05%和50.98%，即4 s時，型腔內沙粒數與堵頭內沙粒數非常接近；而有導流片時，在開始堵頭內沙粒數就超過型腔內沙粒數，1～4 s內，堵頭內沙粒數占總數比分別為68.80%、83.00%、87.55%和90.07%，即過濾時間越長，到堵頭內的沙粒數越多。

表2 過濾器內的沙粒數Table 2 Number of sand in filter

由表 2可知，導流片讓更多沙粒隨水流流向堵頭，讓較少沙粒分布在過濾室內，為了讓更多沙粒滯留堵頭中，設計過濾器時建議合理加大堵頭尺寸。當過濾系統運行后，水流在動能和勢能的作用下，一部分水流順著濾芯內壁面向下滑移向堵頭；當水流撞到堵頭內壁面時，由于慣性水流保持繼續前移趨勢，而堵頭阻礙其前移，致使水流在堵頭內產生回流，沙粒也隨著水流產生回流。雖然在堵頭內產生回流，但回流沒有把所有沙粒卷到過濾室內，仍然有許多沙粒滯留在堵頭上，一方面由于水流沿過濾器內壁面滑移至堵頭的過程中，摩擦、湍流等作用使水頭損失嚴重，再者水流行程較長導致動能大量衰減，所以此時回流力非常小，沒有足夠的動能使大部分沙?；亓髦吝^濾器型腔內；另一方面，堵頭有一定的高度，相比沙粒尺寸非常大，此時堵頭內側壁面將會阻礙沙粒向過濾室內推進。所以加大堵頭尺寸，可以加大水流行程減小回流能力，更重要的是，加大堵頭尺寸直接阻礙水流流出，使水流在堵頭內產生回流并滯留于此（沙粒也滯留于此），減少沙?；亓髦吝^濾器室與濾網面接觸并附著其上而導致的堵塞概率，間接提高了過濾器的抗堵塞性能與過流能力。但是堵頭尺寸過大會影響過濾器外形安裝尺寸，也增加了材料成本，因此，合理設計堵頭可以提高過濾器的抗堵塞性能。

2.2.2 沙粒在濾網面上的分布

有、無導流片時沙粒在濾網展開面上隨時間變化分布如圖9所示。

圖9 不同過濾時長的沙粒在過濾器網面上的分布圖Fig.9 Sand distribution on the screen of filter at different times

網面上的沙粒沿中心軸線成對稱分布，隨著時間的推移，在濾網面上積聚的沙粒越來越多，在網面中心線中上部位及兩側流量較大的位置積聚了大量沙粒，甚至出現了濾餅層，尤其是在無導流片情況下非常明顯，結合表 3沙粒數統計可知，隨著時間的延長，濾網面上沙粒數量越來越多，比較有、無導流片情況，在1～4 s時間內，無導流片時濾網上的沙粒均值是有導流片時的4.25倍，相比1 s時刻，4 s時刻時無導流片時濾網面上沙粒數增加了54.47%，而有導流片時僅增加了30.14%，說明無導流片時更多沙粒滯留在濾網面上，不利于水流快速通過，降低了過濾器的工作效率。

表3 網面上的沙粒數Table 3 Number of sand on the screen

由表3中，有無導流片時網面沙粒數Sr值隨著時間增加而增大，且每個時刻無導流片的Sr值都明顯大于有導流片的Sr值，其Sr均值增大了1.49倍。根據式（1）Sr的定義，Sr值越大表明沙粒分布越不均勻，網面沙粒團聚位置更多、聚集面積更廣（圖8），在過濾過程中，沒有通過濾網的沙粒在濾孔孔隙上方形成架橋，使之成為形成較厚濾餅的基礎，且隨著濾渣的逐漸堆積，在濾網上逐漸形成較厚濾餅層，讓原來由濾網面截留懸浮沙粒變成由逐漸增厚的濾餅層繼續截留，將二維截留轉變為三維截留，增大了過濾阻力，使之能截留遠小于濾孔尺寸的沙粒，讓原本能通過濾網的沙粒也截留在濾網上，使過濾器堵塞更嚴重。所以Sr值越大，越容易使沙粒發生“架橋現象”，因此無導流片過濾器堵塞更為嚴重，且較有導流片過濾器先堵死。

2.3 導流片提高過濾性能的試驗驗證

為了驗證數模在2.2.1、2.2.2節中得出的結論，用渾水試驗對有無、導流片過濾器進行過濾性能測試。由圖10a可知，隨著過濾時長的推移，有無導流片過濾器的總流量不斷增大，但在相同時間內有導流片過濾器的流量較無導流片時的大，過濾效率更高。圖10b 為總流量-流速下降比圖，有無導流片過濾器在初始狀態下流速相等，隨流量增加，攔截沙粒逐步增加，流量增量變小（流速變慢），且無導流片時的流速降幅大，在流量0.52 m3時，無導流片過濾器流速迅速降到初始速度 70%，而有導流片過濾器流速降低至 87%，說明有導流片過濾器的流速損失小，水頭損失也小有利于渾水過濾。在流量0.52 m3以后，無導流片過濾器流速不再降低，過濾器已完全堵塞，而此時有導流片過濾器流速還有繼續下降趨勢，過濾器還沒有完全堵死，通過對比得出，有導流片過濾器較無導流片過濾器抗堵塞性能好。

總流量為0.5 m3時，濾網上沙粒分布如圖11所示，盡管在水泵停機后可能存在退水過程中的干擾而導致部分沙粒脫離，但仍能保存沙粒附著在濾網上的大致形狀，與數模結果（圖9）分布的規律基本一致。

圖10 渾水試驗結果Fig.10 Results of muddy water test

圖11 試驗的網面沙粒分布Fig.11 Sand distribution of screen of experiments

3 結 論

1）清水試驗時，有導流片壓降系數較無導流片增大了17.92%，不利于水流過流；而渾水時情況相反，有導流片壓降系數較無導流片小，有利于渾水過濾。

2）無導流片時，過濾器網面上流量分布極不均勻，最大值與最小值差4.9倍，有導流片時則改變了水流運動方向與分布，讓濾網面上水流分布更趨于均勻，與無導流片相比，最大流量下降了 4.78%，最小流量增加了10.75%，流速較高且大于 13 L/h流量區的面積縮小了47.05%，減少了過流集中的現象。

3）有導流片時，90.07%的泥沙都到了堵頭內，無導流片時僅50.98%的泥沙在堵頭內，導流片讓更多沙粒隨水流流向堵頭，減少了在濾網面上的堆積，提高了過濾器的抗堵塞性能。

4）濾網上沙粒主要分布在網面中心線上及兩側流量較大的位置上，有導流片時，濾網面上沙粒增長較慢，過濾器流速下降比變化平緩，過流能力明顯強于無導流片的過濾器，與數模結論一致。