復雜灌溉區懸浮自潔式泵前過濾器優化設計研究

摘要：針對灌溉區復雜的水質環境導致泵前濾網頻繁堵塞需要耗費大量的人力財力等問題，設計一種自動清洗的泵前過濾器。通過濾網出水口壓差?P大于預設壓差P作為自動清洗裝置控制開啟條件，對濾網工作流場進行數學分析，得到控制體體積Q和包圍流體的表面積S等相關變量的數學關系，對懸浮箱進行每間隔150 mm采用50 mm的凸凹特征設計，提高懸浮箱的承載強度，對濾網關鍵參數進行設計，對水泵為濾網出水口提供的6種不同壓強進行數值模擬，獲得濾網出入口壓差?P，為預設壓差P的設置提供參考。最后，對6種不同壓強進行試驗。結果表明，隨濾網出水口壓強降低，自動清洗裝置啟停周期和濾網清洗時間呈現增加的趨勢。隨著濾網出水口壓強降低，濾網出入口壓差不斷減小，濾網內部葉輪受壓力的驅動力減弱，濾網旋轉速度變慢，導致濾網清洗需要更長的時間。通過測試試驗與應用，過濾器能夠有效地阻止砂石和菌藻類生物進入微灌系統，自清洗裝置能有效地清洗黏附在濾網上面的砂石和菌藻類生物，完全實現濾網無人清洗，大幅度地降低勞動力。

關鍵詞：自潔式；泵前過濾器；優化設計；濾網；壓差

中圖分類號：S277.9; TH132" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0291?06

Research on optimization design of suspended self?cleaning pump front filter

in complex irrigation area

Zhao Ying Zhang Shuangxia Wu Yuxiu Jiang Kun

（1. Agricultural Engineering Branch of Xinjiang Agricultural Vocational and Technical College， Changji， 831100， China;

2. Xinjiang Chengkun Water Intelligence Co.， Ltd.， Changji， 831100， China）

Abstract： In response to the complex water quality environment in irrigation areas， which leads to frequent clogging of the pump front filter and requires a lot of manpower and financial resources， an automatic cleaning pump front filter is designed. The automatic cleaning device controls the opening condition by using the pressure difference ?P at the filter outlet greater than the preset pressure difference P. A mathematical analysis was conducted on the working flow field of the filter， and the mathematical relationship between the control volume Q and the surface area S of the surrounding fluid was obtained. The suspension box was designed with a convex concave feature of 50 mm every 150 mm， which improved the bearing strength of the suspension box. The key parameters of the filter were designed， and six different pressures provided by the water pump for the outlet of the filter were numerically simulated. The pressure difference ?P between the inlet and outlet of the filter was obtained， providing a reference for setting the preset pressure difference P. Finally， experiments were conducted on six different pressures， and the results showed that as the pressure at the outlet of the filter decreased， the start stop cycle of the automatic cleaning device and the cleaning time of the filter showed an increasing trend. As the pressure at the outlet of the filter decreases， the pressure difference between the inlet and outlet of the filter continuously decreases. The driving force of the internal impeller of the filter is weakened， and the rotation speed of the filter slows down， resulting in a longer cleaning time for the filter. Through the test experiment and application， the filter can effectively prevent the sand and bacteria and algae organisms from entering the micro?irrigation system， and the self?cleaning device can effectively clean the sand and bacteria and algae organisms adhering to the filter screen， which completely realizes the unmanned cleaning of the filter screen and greatly reduces the labor force.

Keywords： self?cleaning; pump front filter; optimization design； filter screen; differential pressure

0 引言

灌溉技術是確保新疆農業灌區良性運行和實現新疆農業高質量發展的重要基石，泵前過濾器是有效阻止砂石和菌藻類生物進入微灌系統，防止砂石和菌藻類生物堵塞微灌系統，是確保微灌系統正常穩定運行的關鍵部件[1]。

目前，大量學者對無壓和微壓濾網過濾效率進行了研究，特別是在過濾器濾網設計與優化方面，相關學者做了大量的理論分析和試驗工作[2]。宗全利等[3]通過試驗分析建立了濾網濾孔清潔與通過濾網流體壓力損失的數學關系。黃玲艷等[4]研究了介質與濾網堵塞面積的耦合關系。喻黎明等[5]對濾網濾芯局部堵塞過程進行了數值模擬。張凱等[6]通過試驗法分析砂粒直徑、濾網孔徑等物理量與攔截率之間的關系。陶洪飛等[7]研究了影響過濾器過濾效率的主要因素，為后期濾網設計奠定了理論基礎。綜上可知，大部分學者研究主要集中在濾網的設計與優化方面，面對復雜的水質環境不能根本上解決濾網頻繁堵塞以及濾網需要人工清洗等根本問題。

本文在前人研究的基礎上提出一種自潔式懸浮泵前過濾器的設計方法，分別從自潔原理、懸浮裝置數學建模、流場數值計算、濾網出水口壓差仿真進行系統研究，并通過試驗驗證其正確性和合理性。

1 過濾器自潔機理及結構設計

富有黏性的有機物和砂石在濾網兩側壓力差作用下吸附在濾網的表面是導致泵前過濾器濾網堵塞的主要原因。因此在過濾器工作過程中需要對濾網兩側同時進行高壓噴射沖洗，同時保證沖洗過程濾網持續旋轉才能實現濾網無死角清洗。經分析采用如圖1所示的設計方案。

機架在整個裝置中起連接支撐作用。懸浮自潔式泵前過濾器通過兩個懸浮箱提升裝置在水中的浮力，使整個過濾裝置漂浮于水面。過濾裝置在正常運行狀態時，水由濾網孔進入，水中大量雜質被濾網攔截在濾網外側。被過濾的水從入水口流入過濾器形成流場推動驅動葉輪旋轉，葉輪通過驅動軸將扭矩傳遞給濾網筒實現濾網筒勻速旋轉。在自潔水泵的作用下，通過直徑DN25的水管將已經過濾水輸送到自潔外噴頭和自潔內噴頭結合濾網筒勻速旋轉實現對濾網內外側的清洗。去雜質的水進入濾網筒后通過濾網出水口流向主泵。

過濾器濾網自動清洗控制邏輯如圖2所示，過濾器工作中，濾網內外側會形成壓差?P，當壓力差值?P≤控制閥預設壓力P時，自動清洗裝置不啟動。當壓力差值?Pgt;控制閥預設壓力P時，電控器輸出信號，水力控制閥門的驅動電機工作，自清洗內外噴頭高壓噴水清洗旋轉的濾網，當清洗時間達到預設清洗時間t且大于預設壓力P時，過濾網自潔裝置將按照以上控制邏輯重復執行，直到出入水口壓力差?Plt;預設壓力差P，自動清洗裝置才停止工作。

2 流場數值計算與關鍵部件參數優化

2.1 流場數值計算方法

對過濾器在自潔和工作過程中進行分析，流場控制數學模型主要包括動量方程和連續方程，動量方程和連續方程分別如式（1）～式（3）所示。

自潔式過濾器是通過濾網兩側的壓力差達到壓力差，自動清洗裝置才會啟動，完成濾網的清洗工作。內部流場的合理性關系到自動清洗裝置預壓差值[ρ]水的設置，它是影響自潔裝置是否合理啟動的關鍵參數，因此對濾網內部流場動網格模型的研究尤為重要。

經分析內部流場的動網格模型遵循體積守恒、動量守恒和質量守恒，且滿足方程（4）～方程（6）。

體積守恒方程

2.2 懸浮箱參數優化

懸浮箱是保證過濾器懸浮于水中，防止大量砂石和菌藻類深入進入過濾裝置的重要部件。在材料選擇具有耐腐蝕和耐水性較好的聚乙烯（PE）材料，懸浮箱選擇圓弧形截面且對撐布局，在水中具有良好的漂浮穩定性，可得式（7）。

為了保證整個裝置懸浮的穩定性，長度L要略大于機架的長度，N不大于180°。

綜上分析，過濾器和懸浮器總重量約300 kg，這里取L為1 500 mm，N為180°，K為1.3，懸浮器的數量為2，代入式（1）可得R為237 mm。懸浮箱壁厚采用3 mm等厚設計，設計材料為ABS。

按照以上參數建模并對1個懸浮箱采用NX NASTRAN DESIGN數值仿真求解，部件材料定義為ABS，四面體網格類型為CTETRA（10），對懸浮箱弧面和兩側面約束固定，對懸浮箱上表面施加垂直與表面的壓力1 470 N。求解結果如圖3所示，懸浮箱上表面最大位移—節點為3.914 mm，最大應力—節點為2.904 MPa，最大應變—節點為2.171×10-3 mm/mm，且最大位移、最大應力和最大應變都集中在懸浮箱的上表面位置。因此，需要對懸浮箱結構進行優化，來提高懸浮箱的支撐強度。對懸浮箱的上表面進行每間隔150 mm采用50 mm凹凸特征設計進行優化，采用相同的邊界調節數值仿真分析，仿真如圖4所示，雖然最大位移、最大應力和最大應變都集中在懸浮箱的表面，但是最大位移—節點為1.272 mm，最大應力—節點為1.597 MPa，最大應變—節點為1.490×10-3 mm/mm。優化后最大位移、最大應力和最大應變有明顯改善，且能滿足懸浮箱的強度要求。

2.3 濾網關鍵參數優化

過濾速度、過濾面積、濾網凈面積系數和過濾器的設計流量是過濾器設計的關鍵參數，并存在如式（8）和式（9）所示的數學關系。

3 仿真與測試實驗

自潔裝置啟動需要合理地設置預壓值P，如果預壓值P值≤濾網兩側的壓力差?P，則自潔裝置會頻繁啟動或一直處于工作狀態，如果預壓值P值過大，則自潔裝置啟動延遲，濾網上黏性過多的有機物和砂石，甚至會導致濾網堵塞，因此濾網兩側壓力差?P的獲得對于自潔裝置預壓參數P的設置至關重要，對濾網進行工況下數值流體仿真，獲得濾網進水口和出水口壓力差具有極其重要的意義[8?10]。

采用ANSYS2021R1 Fluent對濾網六種工況進行數值流體仿真，由于濾網輪廓尺寸較大而濾孔尺寸又很小，為了保證分析質量并兼顧計算速度采用了如圖5所示的網格劃分方法，其他部分采用自適應劃分，在濾孔和濾孔附近的流體進行局部加密的方式可以提高計算精度。流體材料定義為water-liquid，將濾網孔表面定義為入口，濾網出水口定義為出口，其他表面定義為壁面。由于濾網出水口與水泵連接，分別對水泵為濾網出水口提供的6種不同壓強進行數值模擬，濾網出水口濾網出水口壓強參數設置如表1所示。

仿真結果如圖6所示，圖6（a）濾網出水口壓強值為0.4 MPa，入水口壓強值為-0.037 5 MPa；圖6（b）濾網出水口壓強值為0.35 MPa，入水口為-0.035 1 MPa；圖6（c）濾網出水口壓強值為0.3 MPa，入水口為-0.033 2 MPa；圖6（d）濾網出水口壓強值為0.25 MPa，入水口為-0.029 5 MPa；圖6（e）濾網出水口壓強值為0.2 MPa，入水口為-0.080 9 MPa；圖6（f）濾網出水口壓強值為0.15 MPa，入水口為-0.080 9 MPa。經分析，濾網6種不同工況在入水口局部都出現負壓現象，這是濾網入水口處水流速度較快所致。壓差分析如表1所示，由于濾網入水口出現了負壓現象，濾網出入口兩側壓差都大于出口壓差值。為了防止自潔裝置頻繁啟動，預壓值的設定應該略大于濾網兩側的壓力差?P[11?14]。

4 測試試驗及應用效果

4.1 測試試驗

根據以上研究對自潔式泵前過濾器進行試制，并針對仿真分析的6種工況在同一水域進行試驗測試（圖7）。6種工況下濾網出水口和濾網入水口壓差分別設為0.45 MPa、0.4 MPa、0.35 MPa、0.3 MPa、0.25 MPa和0.2 MPa。測試結果如表2所示，6種不同工況自動清洗裝置隨濾網出水口壓強降低，自動清洗裝置啟停周期和濾網清洗時間呈現增加的趨勢。

濾網出水口壓強高，水中富有黏性的有機物和砂石更容易吸附在濾網上面，導致濾網出水口和進水口壓差增加較快，出現自動清洗裝置啟停較頻繁的現象。試驗發現，針對6種不同工況，隨著濾網出水口壓強降低，濾網出入口壓差不斷減小，濾網內部葉輪受壓力的驅動力減弱，濾網旋轉速度變慢，導致濾網清洗需要更長的時間。

4.2 應用效果

按照以上設計對懸浮自潔式泵前過濾器進行了制作，圖8是懸浮自潔式泵前過濾器在某地區的使用現場，用戶在使用過程中，過濾器能夠有效地阻止砂石和菌藻類生物進入微灌系統，自清洗裝置能有效地沖洗粘附在濾網上面的砂石和菌藻類生物，完全實現了濾網無人清洗，大幅度的降低了勞動力。

5 結論

1） 通過濾網兩側壓差變化判斷濾網工作狀態并觸發控制裝置是實現濾網自動清洗行之有效的辦法。

2） 完成濾網流場分析的數學建模，分析控制體體積Q和包圍流體的表面積S的數學關系。

3） 每間隔150 mm，采用50 mm凹凸特征設計可以有效地提升懸浮箱的強度。

4） 試驗表明，隨濾網出水口壓強降低，自動清洗裝置啟停周期和濾網清洗時間呈現增加的趨勢。濾網出水口壓強較高時，濾網上面更容易吸附水中富有黏性的有機物和砂石，導致濾網出水口和進水口壓差增加較快，出現自動清洗裝置啟停較頻繁的現象。

參 考 文 獻

[ 1 ] 宗全利， 劉貞姬， 井河義， 等. 微灌系統泵前無壓網式過濾器過濾效率研究[J]. 水資源與水工程學報， 2023， 34（5）： 207-214.

Zong Quanli， Liu Zhenji， Jing Heyi， et al. Filtration efficiency of pre?pump pressureless screen filters in micro?irrigation system [J]. Journal of Water Resources and Water Engineering， 2023， 34（5）： 207-214.

[ 2 ] 趙金輝， 孔清杰， 范習超， 等. 自潔式組合真空泵前置過濾器設計與實驗測試[J]. 真空科學與技術學報， 2022， 42（9）： 658-662.

Zhao Jinhui， Kong Qingjie， Fan Xichao， et al. Self?cleaning combined vacuum pump pre?filter design and experimental testing [J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technolog， 2022， 42（9）： 658-662.

[ 3 ] 宗全利， 楊洪飛， 劉貞姬， 等. 網式過濾器濾網堵塞成因分析與壓降計算[J]. 農業機械學報， 2017， 48（9）： 215-222.

Zong Quanli， Yang Hongfei， Liu Zhenji， et al. Clogging reason analysis and pressure drop calculation of screen filter [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2017， 48（9）： 215-222.

[ 4 ] 黃玲艷， 劉貽雄， 唐強， 等. 低溫過濾器堵塞工況下的壓降特性研究[J]. 流體機械， 2018， 46（7）： 9-13.

Huang Lingyan， Liu Yixiong， Tang Qiang， et al. Research on pressure drop characteristics of cryogenic filter under clogging condition [J]. Fluid Machinery， 2018， 46（7）： 9-13.

[ 5 ] 喻黎明， 劉凱碩， 韓棟， 等. 不同工況下Y型網式過濾器流場數值模擬分析[J]. 農業機械學報， 2022， 53（2）： 346-354.

Yu Liming， Liu Kaishuo， Han Dong， et al. Numerical simulation analysis of flow field of Y?screen filter under different working conditions [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2022， 53（2）： 346-354.

[ 6 ] 張凱， 喻黎明， 劉凱碩， 等. 網式過濾器攔截率計算及其影響因素分析[J]. 農業工程學報， 2021， 37（5）： 123-130.

Zhang Kai， Yu Liming， Liu Kaishuo， et al. Calculation of interception rate of mesh filter and analysis of its influencing factors [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2021， 37 （5）： 123-130.

[ 7 ] 陶洪飛， 沈萍萍， 周洋， 等. 微灌用泵前微壓過濾器的最佳運行工況研究[J]. 灌溉排水學報， 2022， 41（6）： 72-79.

Tao Hongfei， Shen Pingping， Zhou Yang， et al. Optimizing operating condition of the filters in micro?irrigation pump [J]. Journal of Irrigation and Drainage， 2022， 41（6）： 72-79.

[ 8 ] 杜思琦， 黃修橋， 李浩， 等. 手搖清洗網式過濾器內部流場的數值模擬與性能試驗驗證[J]. 灌溉排水學報， 2022， 41（11）： 59-67.

Du Siqi， Huang Xiuqiao， Li Hao， et al. Numerical simulation and experimental study of water flow in manually?operated cleaning screen filter [J]. Journal of Irrigation and Drainage， 2022， 41（11）： 59-67.

[ 9 ] 陶洪飛， 滕曉靜， 馬英杰， 等. 出水管角度對網式過濾器內部流場影響研究[J]. 節水灌溉， 2017， （8）： 21-25， 29.

Tao Hongfei， Teng Xiaojing， Ma Yingjie， et al. Influence of outlet angle on the internal flow field of screen filter [J]. Water Saving Irrigation， 2017， （8）： 21-25， 29.

[10] 杜飛龍， 黃海松， 唐世灝， 等. 雙葉輪作用下流體速度場特性有限元分析[J]. 組合機床與自動化加工技術， 2019（7）： 1-4.

Du Feilong， Huang Haisong， Tang Shihao， et al. Finite element analysis of fluid velocity field characteristics under the action of double lmpellers [J]. Modular Machine Tool amp; Automatic Manufacturing Technique， 2019（7）： 1-4.

[11] 李可欣， 鄭源， 胡雪原. 基于流體體積模型的葉輪寬徑比對水車性能的影響[J]. 排灌機械工程學報， 2022， 40（12）： 1227-1232， 1240.

Li Kexin， Zheng Yuan， Hu Xueyuan. Effect of width?to?diameter ratio of impellers on waterwheel performance based on volume of fluid model [J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering， 2022， 40（12）： 1227-1232， 1240.

[12] 劉在倫， 王東偉， 侯祎華， 等. 離心泵泵腔和平衡腔液體壓力試驗與計算[J]. 農業機械學報， 2016， 47（8）： 42-47， 324.

Liu Zailun， Wang Dongwei， Hou Yihua， et al. Experiment and calculation of fluid pressure in pump chamber and balance cavity of centrifugal pump [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2016， 47（8）： 42-47， 324.

[13] 梁曉瑜， 毛君， 王鑫. 基于UDF技術的線性壓縮機吸氣裝置雙向流固耦合仿真分析[J]. 機械強度， 2022， 44（4）： 937-944.

Liang Xiaoyu， Mao Jun， Wang Xin. Two?way fluid?structure interaction simulation analysis of suction device of linear compressor based on UDF technology [J]. Journal of Mechanical Strength， 2022， 44（4）： 937-944.

[14] Liu Z J， Shi K， Xie Y， et al. Hydraulic performance of self?priming mesh filter for micro?irrigation in northwest China [J]. Agricultural Research， 2021， 11： 58-67.