滴灌系統(tǒng)疊片過濾器離散型流道結(jié)構(gòu)水力性能試驗及內(nèi)部流場模擬

徐 鑫， 張金珠， 王振華， 王 欽

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院， 新疆 石河子 832000； 2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點實驗室，新疆 石河子 832000； 3.兵團(tuán)工業(yè)技術(shù)研究院， 新疆 石河子 832000)

1 研究背景

隨著水資源日益短缺，發(fā)展微灌技術(shù)已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前提[1-2]。滴灌具有節(jié)水增效的特點，是最常用的微灌技術(shù)之一[3]。灌水器作為滴灌系統(tǒng)的一部分，由于其流道結(jié)構(gòu)尺寸較小，在過濾器過濾雜質(zhì)時，需保證灌水器不被堵塞[4-5]。疊片過濾器是常見的微灌過濾器之一，其由多個大小相同的疊片疊加在一起形成過濾濾芯，相鄰疊片表面溝槽交錯形成復(fù)雜的立體式過濾通道，對水流進(jìn)行過濾[6]。傳統(tǒng)疊片流道結(jié)構(gòu)多為直線型，過濾時水頭損失增長率較大[7-8]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者從疊片過濾器的類型、材料、組合方式出發(fā)，對其水力性能和過濾性能進(jìn)行了大量研究[9-11]。Zitterell等[12]使用量綱分析法預(yù)測過濾器的水頭損失，發(fā)現(xiàn)水頭損失預(yù)測值與實測值的相關(guān)性達(dá)99.5%，進(jìn)而建立了預(yù)測水頭損失的數(shù)學(xué)模型。Puig-Bargués等[13]通過建立回歸方程，對疊片過濾器的水力性能進(jìn)行預(yù)測，并將預(yù)測數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。王君等[14]研發(fā)了一種水動活塞式單體疊片過濾器，通過水力性能試驗，得出單體疊片過濾器適用于低壓管道系統(tǒng)的結(jié)論。秦天云等[15]將同等大小的網(wǎng)式過濾器與疊片過濾器進(jìn)行水力性能對比，發(fā)現(xiàn)相同流量時疊片過濾器的水頭損失小于網(wǎng)式過濾器。李浩等[16]用CFD(computational fluid dynamics)軟件對疊片過濾器全流場進(jìn)行模擬，得出過濾器水平管路與斜筒的夾角為30°左右時，水力性能最佳。楊培嶺等[17]以分形理論為基礎(chǔ)，設(shè)計了分形流道疊片且疊片上帶有緩沖槽，通過物理試驗得出水頭損失較傳統(tǒng)疊片過濾器減小12%～20%，過濾性能提高11%～54%。崔瑞等[8]將一級直線型流道優(yōu)化為兩級進(jìn)行水力性能試驗，二級流道目數(shù)為一級流道目數(shù)的2倍，發(fā)現(xiàn)二級過濾流道水頭損失小于一級流道。

以上的研究多為對疊片過濾器外部結(jié)構(gòu)及疊片流道的改進(jìn)和對水頭損失的預(yù)測，其研究結(jié)果對提高疊片過濾器水力性能有一定作用。疊片流道是影響疊片過濾器工作性能的重要因素，但目前對其內(nèi)部流場的研究較為少見。因此，本文自主設(shè)計了一種離散型流道疊片，以物理試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，將離散型流道疊片過濾器與傳統(tǒng)直線型流道疊片過濾器的水頭損失進(jìn)行試驗對比研究，并借助CFD軟件對兩種疊片流道內(nèi)部水流特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析流道內(nèi)水流的速度場，解釋物理試驗所得結(jié)果，論證離散型流道疊片在疊片過濾器應(yīng)用上的可行性，旨在為流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及提高疊片過濾器水力性能提供理論指導(dǎo)。

2 疊片流道設(shè)計與試驗方法

2.1 疊片過濾器離散型流道設(shè)計

試驗采用離散型流道新型疊片，將其裝入疊片過濾器內(nèi)，形成疊片濾芯，過濾疊片及疊片濾芯設(shè)計如圖1所示。新型疊片的特點是：改變了傳統(tǒng)疊片的直線型溝槽流道，由大小相同的凸臺排列形成離散型流道，凸臺間距沿徑向逐漸減小，形成梯級過濾(圖1(b))。過濾時，大顆粒雜質(zhì)被外側(cè)相鄰?fù)古_攔截，小顆粒雜質(zhì)被內(nèi)側(cè)相鄰?fù)古_攔截，被攔截雜質(zhì)與疊片凸臺共同作用，產(chǎn)生類似于石英砂過濾的效果，同時又有利于反沖洗。

過濾疊片為圓環(huán)狀，正反兩面均分布流道(圖1(a))，傳統(tǒng)疊片為三角形凹槽流道，流道三角形底邊長為0.33 mm，高0.23 mm，相鄰三角形間距離為0.20 mm，流道走向與疊片半徑方向的夾角為12°。本試驗中將傳統(tǒng)疊片做為對照，除流道結(jié)構(gòu)不一致外，尺寸與傳統(tǒng)疊片均保持一致。離散型流道中，凸臺由三角形倒圓角拉伸而成，凸臺由邊長為1 mm的等邊三角形倒圓角拉伸而成。

圖1 離散型流道過濾疊片及疊片濾芯設(shè)計(單位：mm)

2.2 試驗裝置與方法

試驗裝置由蓄水池(長1.6 m,寬1.6 m,高0.6 m)、水泵、疊片過濾器(25.4 mm傳統(tǒng)疊片過濾器外殼，濾芯替換為離散型流道結(jié)構(gòu)疊片)、高精度壓力表(精密等級為0.25級)和流量計組成，管道進(jìn)、出口尺寸為32 mm，如圖2所示。

注：1.蓄水池 2.潛水泵 3.流量調(diào)節(jié)閥 4.球閥 5.高精度壓力表 6.疊片過濾器 7.球閥 8.流量計

試驗過程中，水流由潛水泵從蓄水池吸水，流經(jīng)管道、過濾器回到蓄水池，實現(xiàn)循環(huán)過濾。本次試驗不摻雜泥沙顆粒，使水流保持純凈狀態(tài)，通過流量調(diào)節(jié)閥3、球閥4控制疊片過濾器流量。開啟潛水泵后，觀測流量計讀數(shù)，使過濾器流量達(dá)到設(shè)定值，穩(wěn)定運行5 min后，觀測疊片過濾器進(jìn)出口壓力表讀數(shù)，分析疊片過濾器水頭損失隨流量的變化情況。試驗中控制最大流量為2.7 m3/h，最小流量為0.5 m3/h，以0.25 m3/h為梯度進(jìn)行試驗，共計10組試驗。

3 疊片流道CFD數(shù)值模型

3.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

本文將兩疊片壓緊后，對通過的水流進(jìn)行數(shù)值模擬。經(jīng)模擬計算，疊片的截取量對結(jié)果無影響，為減小計算量，更加直觀清晰地分析疊片內(nèi)部流場，截取疊片的1/13進(jìn)行模擬，根據(jù)公式(1)、(2)可實現(xiàn)兩層疊片間過流量與疊片過濾器過流量的轉(zhuǎn)換。

q=Q·ρ

(1)

(2)

式中：q為質(zhì)量流量，kg/s；Q為體積流量，m3/h；ρ為水的密度，kg/m3；n為過濾器內(nèi)部疊片數(shù)量。

采取NX10.0進(jìn)行仿真建模，利用ICEM CFD19.0劃分網(wǎng)格，同時對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。網(wǎng)格生成以后，導(dǎo)入Fluent19.0進(jìn)行計算。為減小網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量對流場模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，本文對Q=1.5 m3/h工況下的離散型過濾流道進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，檢測指標(biāo)為出水口流量。圖3為網(wǎng)格數(shù)量與出水口流量變化量的關(guān)系，由圖3可以看出，網(wǎng)格數(shù)量在500×104～870×104時，流量變化趨近于0，不同網(wǎng)格大小下流量模擬相對差值小于5%，說明網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果影響較小，綜合考慮計算時間和計算結(jié)果，確定網(wǎng)格大小為0.04 mm，網(wǎng)格數(shù)為5 098 411。

圖3 網(wǎng)格數(shù)量與出水口流量變化量的關(guān)系(Q=1.5 m3/h)

3.2 邊界條件

對疊片流道進(jìn)口、出口、壁面設(shè)置邊界條件。疊片流道內(nèi)部伴隨著回流，故采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型[18]。設(shè)置流道進(jìn)水口條件為壓力入口、出口為壓力出口，設(shè)定值與試驗實測值一致。對離散型流道在Q=1.5 m3/h時進(jìn)行內(nèi)部流場計算，此時設(shè)定進(jìn)口壓強(qiáng)為12 kPa，出口壓強(qiáng)為7 kPa。同理，設(shè)置流量為0.5、1.0、2.0、2.5 m3/h時對應(yīng)的壓強(qiáng)值，輸出質(zhì)量流量并將其轉(zhuǎn)換為過濾器內(nèi)部流量與試驗設(shè)定流量進(jìn)行對比。其余部分以標(biāo)準(zhǔn)壁面邊界條件設(shè)置[19]。

3.3 模型驗證

根據(jù)模擬結(jié)果繪制離散型流道水頭損失Δh與流量Q的關(guān)系曲線并與實測數(shù)據(jù)對比，其結(jié)果見圖4。由圖4可知，試驗值與模擬值最大相對誤差為4.8%，驗證了模型及參數(shù)設(shè)定的合理性。

圖4 離散型流道水頭損失Δh與流量Q的關(guān)系模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

4 結(jié)果與分析

4.1 清水條件下水頭損失對比

圖5為兩種流道結(jié)構(gòu)疊片過濾器流量與水頭損失關(guān)系曲線。由圖5可看出，兩種疊片過濾器流量與水頭損失呈正相關(guān)，離散型流道疊片水頭損失整體優(yōu)于直線型流道疊片，離散型流道疊片最大水頭損失為0.99 m，直線型流道疊片最大水頭損失為1.25 m。離散型流道疊片過濾器與直線型流道疊片過濾器相比，最大流量下水頭損失降幅為20.8%。

圖5 兩種疊片過濾器流量與水頭損失關(guān)系曲線 圖6 兩種疊片流量與水頭損失差值關(guān)系曲線

水頭損失差值即直線型流道疊片過濾器水損減去離散型流道疊片過濾器水損，由圖6流量與水頭損失差值關(guān)系曲線可看出，水頭損失差值隨流量的增大而增大，兩者呈正相關(guān)，離散型流道疊片的水頭損失要明顯小于直線型流道疊片。

形成上述差異的原因是離散型流道和直線型流道結(jié)構(gòu)的不同。兩種疊片的徑向流道長度一致，水流在直線型流道中運動時，由于流道結(jié)構(gòu)呈直線型，水流始終與壁面接觸摩擦，耗能較多，故水頭損失較大；在離散型流道中，凸臺呈分離式排列，當(dāng)水流進(jìn)入疊片時，平均過流面積較大，與凸臺的接觸次數(shù)減少，此時消耗的能量減小，故離散型流道疊片過濾器水頭損失小于直線型流道疊片過濾器。兩種流道結(jié)構(gòu)水頭損失存在差異也與內(nèi)部流場有關(guān)，下面將具體對兩種流道結(jié)構(gòu)的速度場和壓強(qiáng)場進(jìn)行分析。

4.2 流速場分析

圖7為Q=1.5 m3/h時兩種流道結(jié)構(gòu)的速度分布云圖及流線細(xì)部圖。

圖7 兩種流道結(jié)構(gòu)流速分布云圖及細(xì)部流線圖(Q=1.5 m3/h)

分析圖7可知，直線型流道中水流在沿徑向運動時速度發(fā)生明顯的變化(圖7(a))，最大速度為0.53 m/s，最小速度為0，水流在流道中運動時呈上下翻滾的狀態(tài)(圖7(b))，水流能量消耗較大，此時產(chǎn)生較大的水頭損失。離散型流道中水流在在L1周向凸臺間隙處流速較大(圖7(c))，在入水口附近，水流由徑向運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹芟蜻\動時，流速大小發(fā)生變化，由0.12～0.18 m/s減小至0～0.06 m/s，周向相鄰?fù)古_間，流速差異較?。豢拷鏊谔?，流速變化趨勢相反，周向流速大，徑向流速小，這是因為出水口附近的凸臺間距減小，則過水?dāng)嗝婷娣e減小，故流速變大，此處產(chǎn)生的局部水頭損失較大。離散型流道內(nèi)，水流繞凸臺流動，沒有上下翻滾的狀態(tài)，由此產(chǎn)生的沿程水頭損失較小。沿圖7(a)、7(c)虛線提取水流通過時沿程位置的流速值，共提取7組周向曲線上的水流流速，并取每組流速的平均值計算該處有效過流斷面面積A(流量與平均流速的比值)，將周向上不同位置分別命名為L1～L7，繪制出兩種流道結(jié)構(gòu)不同周向位置(L1～L7)的有效過流斷面面積A，如圖8所示。

圖8 兩種流道結(jié)構(gòu)不同周向位置的有效過流斷面面積(Q=1.5 m3/h)

分析圖8可知：(1)離散型流道的有效過流斷面面積大于直線型流道，過流面積越大，水流運動時所受的阻力越小，則產(chǎn)生的水頭損失越小，兩種流道均在L1處的有效過流斷面面積最大；(2)直線型流道在L3、L5、L7處的有效過流斷面面積相對較小，這3處水流呈翻滾狀態(tài)，水流流速較大，因此產(chǎn)生的水頭損失較大；(3)流速與水頭損失呈正相關(guān)，這與張守軍[20]、茍歡歡等[21]的研究結(jié)果一致；(4)離散型流道在L2、L5、L6處的有效過流斷面面積較小，這是因為L2、L5、L6處位于凸臺疊加處，凸臺的存在使得有效過流斷面面積減小。因此，對于疊片過濾器的疊片流道而言，流道中有效過流斷面面積越大，水流越容易通過，水頭損失越小。

4.3 壓強(qiáng)場分析

由試驗數(shù)據(jù)可得到疊片過濾器整體水頭損失分布規(guī)律，再通過CFD數(shù)值模擬得出疊片流道內(nèi)部壓強(qiáng)分布規(guī)律。圖9為Q=1.5 m3/h時兩種流道結(jié)構(gòu)的壓強(qiáng)分布云圖及湍動能分布云圖。

圖9 兩種流道結(jié)構(gòu)壓力分布云圖及湍動能分布云圖(Q=1.5 m3/h)

由圖9(a)、9(b)可以看出，壓力變化均表現(xiàn)為從進(jìn)水口到出水口呈圓周逐漸減小趨勢，壓力變化相對平穩(wěn)。離散型流道靠近低壓區(qū)時，壓強(qiáng)變化較為顯著，這是因為徑向上流道逐漸變窄，靠近出水口處凸臺間距離較小，凸臺疊加后壓強(qiáng)變化明顯。由圖9(c)、9(d)可以看出，直線型流道中湍動能變化較為明顯，最大湍動能為0.23～0.29 m2/s2，此時消耗的能量最多；離散型流道中出水口附近湍動能最大，為0.44～0.99 m2/s2，其余部位湍動能保持較低的水平，消耗能量較少。

沿圖9(a)、9(b)中的虛線提取水流通過時沿程的壓強(qiáng)，沿圖9(c)、9(d)中的虛線提取水流通過時沿程的湍動能，繪制水流方向總水頭及湍動能變化曲線，結(jié)果見圖10。

圖10 兩種流道結(jié)構(gòu)沿水流方向總水頭及湍動能變化曲線(Q=1.5 m3/h)

由圖10可見，兩種結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)為由進(jìn)水口到出水口總水頭逐漸減小，且離散型流道總水頭始終大于直線型流道總水頭；直線型流道中總水頭曲線發(fā)生4次波動，且波動較為均勻，湍動能變化也較為均勻；同一位置，水頭越小，湍動能越大，則水頭損失越大；水流在直線型流道中運動時，與兩側(cè)壁面接觸摩擦，消耗的能量較多，沿程水頭損失占主導(dǎo)地位；離散型流道中，從進(jìn)水口到出水口，水頭曲線的波動程度逐漸增加，出水口處水頭曲線的波動最大，說明此時產(chǎn)生的局部水頭損失最大；雖然離散型流道內(nèi)局部水頭損失較大，但凸臺離散排列降低了沿程水頭損失，因此，離散型流道的總水頭損失整體優(yōu)于直線型流道。

5 結(jié) 論

本文以疊片過濾器中的疊片流道為研究對象，對直線型和離散型流道結(jié)構(gòu)的疊片過濾器進(jìn)行試驗測試，并對該兩種流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時分析了疊片過濾器水頭損失大小和流道內(nèi)部流場規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)兩種流道結(jié)構(gòu)疊片過濾器水頭損失與流量呈正相關(guān)。水頭損失差值最大為0.26 m，相同流量時，離散型流道疊片過濾器水頭損失小于直線型流道疊片過濾器。離散型流道疊片過濾器產(chǎn)生的水損與傳統(tǒng)疊片過濾器產(chǎn)生的水損相比，最大流量時降幅為20.8%。

(2)通過分析速度場可得，離散型流道的平均過流斷面面積大于直線型流道，過流面積與流速成反比，故離散型流道疊片過濾器水頭損失小。

(3)通過分析壓強(qiáng)場可得，在直線型流道中，水流與兩側(cè)壁面接觸摩擦產(chǎn)生水頭損失，其沿程水頭損失占主導(dǎo)地位；在離散型流道中，凸臺間距沿流向逐漸減小，局部水頭損失占主導(dǎo)地位，但凸臺分離式排列，降低了沿程水頭損失。因此，離散型流道水頭損失整體優(yōu)于直線型流道。