不同尺寸魚雷網(wǎng)式過濾器內(nèi)流場數(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，對過濾器型號(尺寸)及過濾流量大小的需求不同[1-3]。

若過濾器流量過少，會引起水泵產(chǎn)生干吸現(xiàn)象或損壞水泵；若過濾器流量過大，則引起水頭損失大，導(dǎo)致濾網(wǎng)變形，影響過濾器壽命[4-6]。所以在滴灌工程中選用合適尺寸和流量的過濾器是至關(guān)重要。劉飛等[7]在研究自清洗網(wǎng)式過濾器時(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]等在研究過程中，根據(jù)魚雷網(wǎng)式過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。

微灌用魚雷網(wǎng)式過濾器是一種新型的除沙設(shè)備，在泥沙處理和延長過濾時(shí)間方面創(chuàng)造了革命性的變革[10-12]。國內(nèi)有關(guān)魚雷網(wǎng)式過濾器的試驗(yàn)研究較少，阿力甫江等通過試驗(yàn)和實(shí)踐應(yīng)用觀測得到了一些研究成果[13-15]。本研究基于8寸魚雷網(wǎng)式過濾器的物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的對比分析，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)尺寸的魚雷網(wǎng)式過濾器。經(jīng)過不同4種尺寸魚雷網(wǎng)式過濾器的數(shù)值模擬，分析其內(nèi)流場變化情況。所得結(jié)果為魚雷網(wǎng)式過濾器結(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 魚雷網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)及原理

微灌用魚雷網(wǎng)式過濾器主要由筒體、過濾網(wǎng)、魚雷網(wǎng)芯、自動控制器及排污裝置等部分組成，其核心部件是魚雷和濾網(wǎng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于魚雷部件的存在，魚雷網(wǎng)式過濾器的內(nèi)流場與其他網(wǎng)式過濾器有所不同。與其他網(wǎng)式過濾器一樣，魚雷網(wǎng)式過濾器的工作過程包括過濾過程和自動清洗過程等2個(gè)階段。過濾過程中濾網(wǎng)開始堵塞，水頭損失逐漸增大，當(dāng)過濾器水頭損失達(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，控制器自動開啟排污閥通向大氣進(jìn)行排污。排污同時(shí)過濾依然進(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)，排污閥自動關(guān)閉，過濾器再次進(jìn)入正常過濾狀態(tài)。

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

2 魚雷網(wǎng)式過濾器的數(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寸魚雷網(wǎng)式過濾器的三維模型，如圖2所示。過濾器的長度方向?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)過濾器。對建立的幾何模型，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，對網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。將過濾器分塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于過濾器頭部端、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 魚雷網(wǎng)式過濾器模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 邊界條件及模型求解

過濾器邊界條件主要分為進(jìn)口邊界、出口邊界、過濾器罐體及魚雷部件表面邊界。本研究中過濾器進(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為過濾器進(jìn)水口斷面的平均流速。過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。過濾器罐體及魚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)模型就是在動量方程中增加了一個(gè)能代表多孔介質(zhì)對流體的阻力項(xiàng)—動量源項(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為動量方程附加動量源項(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)果的最小相對誤差是1.41%，最大相對誤差為5.99%，說明數(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)果對比

根據(jù)所得結(jié)果求出過濾器流量-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)測壓降對比

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

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

3 不同尺寸魚雷網(wǎng)式過濾器的數(shù)值模擬

邊界條件和模型設(shè)計(jì)與8寸魚雷網(wǎng)式過濾器相同的情況下，分別對4寸、6寸及10寸魚雷網(wǎng)式過濾器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過推出適合不同流量的魚雷網(wǎng)式過濾器尺寸，讓魚雷網(wǎng)式過濾器不僅在農(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濾器的示意圖：圖4(a)為4寸魚雷網(wǎng)式過濾器，進(jìn)出口直徑0.1 m，過濾器罐體長度0.516 m，罐體直徑0.129 m，濾網(wǎng)直徑0.1 m，魚雷直徑0.077 m；圖4(b)為6寸魚雷網(wǎng)式過濾器，進(jìn)出口直徑0.14 m，過濾器罐體長度0.687 m，罐體直徑0.172 m，濾網(wǎng)直徑0.14 m，魚雷直徑0.103m；圖4(c)為10寸魚雷網(wǎng)式過濾器，它的進(jìn)出口直徑0.27 m，過濾器罐體長度1.375 m，罐體直徑0.342 m，濾網(wǎng)直徑為0.27 m，魚雷直徑為0.204 m。

圖4 不同尺寸的魚雷網(wǎng)式過濾器

3.1 水頭損失計(jì)算結(jié)果

通過在不同過濾流量工況下對4寸、6寸、10寸的魚雷網(wǎng)式過濾器的數(shù)值計(jì)算，表2為對4寸過濾器在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寸魚雷網(wǎng)式過濾器數(shù)值模擬結(jié)果

同樣的方法，對6寸魚雷網(wǎng)式過濾器在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)定后的過濾器水頭損失hw分別為0.525、1.805、3.816、6.530、10.084、14.383 m。對10寸魚雷網(wǎng)式過濾器在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)對不同尺寸魚雷網(wǎng)式過濾器的數(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)研究確定的各魚雷網(wǎng)式過濾器適宜的流量范圍為：4寸過濾器流量范圍20～80 m3/h;6寸過濾器的為80～200 m3/h；8寸過濾器的為200～400 m3/h；10寸過濾器的為400～600 m3/h比較好。

3.3 流場分析

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

不同尺寸魚雷網(wǎng)式過濾器的速度矢量圖如圖5所示。由圖5可知：①不同尺寸的過濾器內(nèi)流場變化情況基本一致。從進(jìn)口流進(jìn)的水流到了罐體頭部時(shí)遇到魚雷，過水?dāng)嗝婷娣e突然變小，此時(shí)少一部分水開始穿過濾網(wǎng)，其他水流往罐體尾部流動，并與過濾器尾部折返回來的水流混摻而流速逐漸變慢；②從進(jìn)水口流進(jìn)的部分水流穿過濾網(wǎng)后往出水口流動，其他水流往魚雷尾部流動，帶著泥沙顆粒的水流從魚雷尾部的8個(gè)小孔流進(jìn)魚雷內(nèi)腔，讓顆粒沉淀在魚雷內(nèi)部，清水從魚雷頭部的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)往前流動的過程旋渦流逐漸消失，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)場分析

在相應(yīng)的進(jìn)水流量情況下，繪制不同尺寸的過濾器在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。

過濾器頭部斷面的壓強(qiáng)分布情況如圖7所示。在過濾器罐體頭部段(也就是魚雷前孔存在的斷面)魚雷內(nèi)部壓強(qiáng)最大，濾網(wǎng)外側(cè)的壓強(qiáng)最小。魚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，過濾器罐體末端(也就是魚雷后孔存在的段)斷面壓力分布云圖可以看出，濾網(wǎng)內(nèi)外和魚雷內(nèi)部的壓強(qiáng)幾乎相同，沒有明顯差異。這是因?yàn)檫^濾器末端回流區(qū)里泥沙沉積，水流流速緩慢，濾網(wǎng)及魚雷內(nèi)外壓強(qiáng)基本穩(wěn)定。

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

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

圖8 不同尺寸過濾器在魚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寸魚雷網(wǎng)式過濾器的內(nèi)部流場，模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，可用fluent軟件對魚雷網(wǎng)式過濾器進(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，可確定不同尺寸魚雷網(wǎng)式過濾器的最佳進(jìn)水流量范圍為：4寸過濾器流量范圍20～80 m3/h;6寸過濾器80～200 m3/h；8寸過濾器200～400 m3/h；10寸過濾器為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寸魚雷網(wǎng)式過濾器在額定進(jìn)水流量條件下流速場變化情況與內(nèi)部壓強(qiáng)分布規(guī)律基本一致。

基于不同尺寸魚雷網(wǎng)式過濾器內(nèi)流場的數(shù)值模擬進(jìn)一步解釋其運(yùn)行規(guī)律，為后續(xù)的魚雷網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)改進(jìn)提供技術(shù)依據(jù)。國內(nèi)關(guān)于微灌過濾器尺寸對其運(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]等研究過濾器出水口位置對其功效的影響，但目前的研究層次還沒深化，缺乏足夠的數(shù)值模擬和實(shí)踐試驗(yàn)對比研究。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)一步深化過濾器結(jié)構(gòu)方面研究。