臥式自清洗網(wǎng)式過濾器過濾及排污過程的數(shù)值模擬

謝炎，劉貞姬*，李潔，宗全利,2，金瑾，石凱

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109）

隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的大力發(fā)展，微灌技術(shù)成為緩解水資源短缺和促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的有效途徑之一。而微灌水源由于含有雜質(zhì)和泥沙，如果不進(jìn)行過濾處理，易引起滴灌系統(tǒng)的堵塞，縮短其使用壽命[1?4]，因此，過濾器在節(jié)水灌溉中起著至關(guān)重要的作用。自清洗網(wǎng)式過濾器在新疆地區(qū)應(yīng)用較為廣泛，其適用于含沙率較低的二次過濾水源，對于泥沙含量較高的微灌水源需要經(jīng)沉淀池進(jìn)行預(yù)處理[5?6]。

自清洗網(wǎng)式過濾器在運(yùn)行過程中罐體封閉，水力性能較為復(fù)雜，其內(nèi)部的水流狀況不能直觀地通過物理試驗(yàn)進(jìn)行觀察[7?8]，所以，目前常采用數(shù)值模擬的方法對網(wǎng)式過濾器的水力性能進(jìn)行研究。王新坤等[9]采用計(jì)算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics, CFD）方法對阿速德（Azud）普通網(wǎng)式過濾器的進(jìn)出口位置、角度和罐體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善了內(nèi)部流場分布，降低了水頭損失；喻黎明等[10]通過CFD?離散元（discrete element method,DEM）耦合方法模擬了Y 型網(wǎng)式過濾器中不同沙粒粒徑的運(yùn)動及分布情況，發(fā)現(xiàn)粒徑與濾網(wǎng)孔徑相近時，沙粒容易附著于濾網(wǎng)上；陶洪飛等[11]以全自動網(wǎng)式過濾器為研究對象，采用Fluent 軟件中的多孔階躍模型對濾網(wǎng)進(jìn)行模擬，分析3 種不同濾網(wǎng)孔徑下的速度云圖、壓強(qiáng)云圖及湍流云圖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，濾網(wǎng)孔徑越小，過濾器水頭損失越大，濾網(wǎng)承受的壓強(qiáng)越大；李浩等[12]利用Fluent 軟件對基于多孔介質(zhì)下的AZUD?M100 微灌網(wǎng)式過濾器采用3種不同的湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與重整化k?ε模型相比，標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型和可實(shí)現(xiàn)的k?ε模型的模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的誤差更小。但現(xiàn)有的研究主要是關(guān)于網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)對過濾器內(nèi)部流場影響的數(shù)值模擬分析，而針對進(jìn)水流速對過濾器過濾過程和排污過程中整個流場變化的數(shù)值模擬研究較少，并且針對自清洗網(wǎng)式過濾器排污系統(tǒng)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬研究也相對較少。因此，本文利用ICEM?CFD 軟件分別建立臥式自清洗網(wǎng)式過濾器罐體和排污系統(tǒng)的三維模型，并通過Fluent 軟件對自清洗網(wǎng)式過濾器在清水條件下的過濾和排污過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其在不同進(jìn)口流速下，過濾器罐體和排污系統(tǒng)內(nèi)部壓強(qiáng)場和速度場以及與水頭損失的關(guān)系，旨在為臥式自清洗網(wǎng)式過濾器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 臥式自清洗網(wǎng)式過濾器的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1A～B所示，臥式自清洗網(wǎng)式過濾器主要包括罐體、一級過濾室（粗過濾網(wǎng)過濾）、二級過濾室（細(xì)過濾網(wǎng)過濾）及排污系統(tǒng)。其中，排污系統(tǒng)主要由吸沙組件、旋噴管和排沙管組成，2個旋噴管開口方向相反，并與排沙管軸線垂直，3個吸沙組件呈120°在排沙管上交錯排列。排污系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 排污系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表Table 1 Summary table of design parameters of sewage system and filtration system

圖1 自清洗網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)示意圖及過濾和排污過程流程圖Fig.1 Structural diagram of self-cleaning mesh filter and flow chart of filtration and sewage processes

1.2 運(yùn)行原理

1）過濾過程。如圖1A 所示，灌溉水源由過濾器進(jìn)水口進(jìn)入，先后經(jīng)過粗過濾網(wǎng)和細(xì)過濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，最后由出水口流出。粗過濾網(wǎng)主要對挾有較大粒徑泥沙或者長絮狀雜質(zhì)的水流進(jìn)行初步過濾，濾網(wǎng)的孔徑較大，過濾精度不高，并需要取出進(jìn)行人工清洗。細(xì)過濾網(wǎng)依靠孔徑較小的濾網(wǎng)進(jìn)行二次過濾，此階段可以將水流中的泥沙和較大的有機(jī)質(zhì)截留在細(xì)濾網(wǎng)表面，泥沙和有機(jī)質(zhì)不斷地積聚，使細(xì)濾網(wǎng)內(nèi)外形成壓差。

2）排污過程。如圖1B所示，當(dāng)細(xì)濾網(wǎng)內(nèi)外壓差達(dá)到預(yù)設(shè)值時，電磁閥會自動關(guān)閉出水閥并打開排污閥。此時，水流只能由吸沙組件的矩形吸沙口進(jìn)入，經(jīng)排沙管由開口相反的旋噴管的出口噴出，旋噴管在水流形成的力偶作用下帶動整個排污系統(tǒng)轉(zhuǎn)動。在壓差作用下吸沙組件產(chǎn)生強(qiáng)勁吸力，從而可以吸附積聚在細(xì)濾網(wǎng)表面的泥沙和有機(jī)質(zhì)。同時，由于排污系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)，吸力能夠覆蓋整個細(xì)濾網(wǎng)表面。隨著排污過程的進(jìn)行，細(xì)濾網(wǎng)內(nèi)外壓差逐漸降低，當(dāng)內(nèi)外壓差降低到一定值時，排污閥自動關(guān)閉，出水閥打開，排污過程結(jié)束。

2 臥式自清洗網(wǎng)式過濾器流體力學(xué)建模

2.1 物理模型

利用ICEM?CFD 軟件進(jìn)行建模及網(wǎng)格劃分。由于過濾過程和排污過程在實(shí)際工況中單獨(dú)運(yùn)行，即排污時不進(jìn)行過濾，過濾時不進(jìn)行排污，因此，為了便于分別研究排污系統(tǒng)內(nèi)部和罐體內(nèi)部的流場變化，分別對排污系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)進(jìn)行建模。圖2為罐體和排污系統(tǒng)三維模型的網(wǎng)格劃分情況。

圖2 罐體（A）及排污系統(tǒng)（B）三維模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division of three-dimensional models of tank (A)and sewage system(B)

在過濾過程中，由于清水條件下濾網(wǎng)對水頭損失的影響較小[13]，故本文主要研究過濾器在清水條件下進(jìn)水流速對內(nèi)部流場的影響?？紤]到模型的復(fù)雜性以及減少數(shù)值模擬計(jì)算的工作量，直接采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格單元；另外，為了保證計(jì)算的精度，在模型的進(jìn)口和出口處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

2.2 數(shù)學(xué)模型

自清洗網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場滿足連續(xù)性方程和動量守恒方程，即

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；ui、uj為i、j方向上的流速分量，m/s；xi、xj為i、j方向上的流向分量；p為流體靜壓力，N/m2；u'iu'j為雷諾應(yīng)力，N/m2；μ為流體動力黏度，（N·s）/m2。

采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型，計(jì)算模型的控制方程[14]如下：

式中：k為湍流動能，m2/s2；ρ為流體密度，kg/m3；μ為流體動力黏度，（N·s）/m2；μt為湍流黏性系數(shù)，（N·s）/m2；ε為單位質(zhì)量流體的湍流波動率，m2/s3；Gk為湍流動能平均速度梯度產(chǎn)出項(xiàng)，m2/s2；Gb為由浮力引起的湍流動能，m2/s2；YM為湍流脈動膨脹對總耗散率的影響；Sk、Sε為廣義源項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε為耗散率經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk、σε分別為湍流動能和湍動耗散率對應(yīng)的普朗特?cái)?shù)。各經(jīng)驗(yàn)常數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[15]確定：Gb=YM=0；C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2.3 邊界條件

1）過濾過程中邊界條件設(shè)置。入口邊界類型采用速度入口，速度垂直于入口截面，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為進(jìn)水管內(nèi)徑；出口邊界類型設(shè)為壓力出口，回流湍流強(qiáng)度為5%，回流水力直徑為出水管內(nèi)徑，壓力采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。表2 為進(jìn)出口邊界條件。為了避免排污系統(tǒng)對過濾器過濾過程的影響，將排污系統(tǒng)吸沙組件的矩形吸沙口和旋噴管的出口設(shè)為內(nèi)部面邊界（interior）。

表2 進(jìn)出口邊界條件Table 2 Boundary conditions of the inlet and outlet

2）排污過程中邊界條件設(shè)置。為模擬不同進(jìn)口流速對排污效果的影響，將入口邊界類型設(shè)為速度入口，流速分別設(shè)置為1.0、5.0和10.0 m/s，速度垂直于入口截面，湍流強(qiáng)度為5%。在排污系統(tǒng)的出口處由于流動速度和壓強(qiáng)都未知，所以將出口邊界類型設(shè)為自由出流。雖然水力旋噴管存在2個出流邊界，但是由于每個邊界上出流的流量是總流量的1/2，所以將出流邊界的流量權(quán)重設(shè)定為1。

由于本文只研究清水條件下的內(nèi)部流場變化，且過濾器為臥式結(jié)構(gòu)，故不考慮重力的影響。流體介質(zhì)為清水，流體密度為1 000 kg/m3。本研究的計(jì)算區(qū)域和控制方程的離散化處理均采用有限體積法；選用SIMPLEC 算法，連續(xù)性方程和動量方程收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)為1×10－4。

3 過濾過程和排污過程數(shù)值模擬結(jié)果與討論

3.1 清水條件下過濾過程數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

通過水力性能試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠度。在試驗(yàn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，使用便攜式超聲波流量計(jì)測定過濾器進(jìn)水口的流量，并讀取相應(yīng)流量條件下進(jìn)出口壓力表示數(shù)，通過對過濾器的進(jìn)出口列能量方程計(jì)算得到水頭損失大小[16?18]。將試驗(yàn)計(jì)算得到的水頭損失與數(shù)值模擬得到的水頭損失進(jìn)行對比驗(yàn)證。從表3 中可以看出，二者相對誤差均不超過10%。說明數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較高的吻合度。

表3 數(shù)值模擬與物理試驗(yàn)的水頭損失結(jié)果對比Table 3 Result comparisons of head loss between numerical simulation and physical test

3.2 自清洗網(wǎng)式過濾器過濾過程數(shù)值模擬

3.2.1 不同流速下的壓強(qiáng)場分析

從圖3A～C可以看出，進(jìn)水口與出水口存在明顯的壓強(qiáng)差。這是由于受到進(jìn)出口邊界條件、罐體以及3 個圓形分流口的影響，過濾過程中會產(chǎn)生沿程水頭損失和局部水頭損失，但是因?yàn)榫W(wǎng)式過濾器管長較短，水頭損失主要考慮局部水頭損失，在動能和位能一定的情況下，進(jìn)水口的壓強(qiáng)要明顯大于出水口的壓強(qiáng)。在進(jìn)水流速為0.695、1.366和2.083 m/s 時，進(jìn)出水口的壓強(qiáng)差分別為7 310.0、11 910.0和20 450.0 Pa，故進(jìn)水流速越大，過濾器進(jìn)出水口壓強(qiáng)差越大，其水頭損失也就越大。同時，過濾器一級過濾室與二級過濾室也存在較大的壓強(qiáng)差，在3種進(jìn)水流速下一級過濾室與二級過濾室壓強(qiáng)差分別為1 040.1、2 440.0 和3 780.4 Pa，進(jìn)水流速越大，一級過濾室與二級過濾室壓強(qiáng)差越大。水流由一級過濾室進(jìn)入二級過濾室時會受到3個分流口的影響，導(dǎo)致一級過濾室內(nèi)的壓強(qiáng)較大，而在二級過濾室存在出水口的邊界，其壓強(qiáng)較小，所以分流口在保證排污系統(tǒng)穩(wěn)定的同時應(yīng)盡可能地增大其水流通過面積，以減小一級過濾室的壓強(qiáng)，從而增加粗濾網(wǎng)的使用壽命。從圖3C中可以看出，二級過濾室下部的壓強(qiáng)大于上部的壓強(qiáng)，進(jìn)水流速越大，二級過濾室內(nèi)壓強(qiáng)變化越明顯。這是由于二級過濾室上部直接與出水管相連，越接近出水管壓強(qiáng)就越小。進(jìn)水流速對過濾器出水管的影響較大，當(dāng)進(jìn)水流速較小時，出水管的壓強(qiáng)基本呈拋物線型下降，而當(dāng)進(jìn)水流速增大時，出水管壓強(qiáng)增大，但在邊壁處存在低壓區(qū)，這會導(dǎo)致過濾器出水管壁形成空蝕。另外，進(jìn)水流速越大，罐體所承受的壓強(qiáng)也就越大，提高了對濾網(wǎng)承載能力的要求。

圖3 在不同流速下自清洗網(wǎng)式過濾器不同平面的壓強(qiáng)云圖Fig.3 Pressure cloud diagrams of different planes of the selfcleaning mesh filter at different flow rates

3.2.2 不同流速下的速度場分析

從圖4A～C中可以看出，當(dāng)水流經(jīng)進(jìn)水管流入罐體時，在一級過濾室內(nèi)流速從上到下逐漸減小。這是由于從進(jìn)水口進(jìn)入的水流受到過濾器下壁的阻擋而反向流動，從而與后面的來水相互抵消，流速降低。在一級過濾室下部水流流速最小，甚至為0，易于造成泥沙淤積，但進(jìn)水流速越大，一級過濾室內(nèi)流速為0區(qū)域面積越小。水流流速在二級過濾室內(nèi)從左到右逐漸降低，最右側(cè)水流流速基本為0，在出水口水流流速又逐漸增大。進(jìn)水流速越大，過濾器內(nèi)部水流紊動越劇烈。從圖4C中可以看出，當(dāng)進(jìn)水流量為151 m3/h 時，對一級過濾室和二級過濾室紊動影響較大，增大了二級過濾室內(nèi)水流流速。圓形分流口對水流流速也會產(chǎn)生較大影響，當(dāng)進(jìn)水流速為0.695、1.366和2.083 m/s時，分流口平均流速分別為0.184、0.372 和0.535 m/s，表明進(jìn)水流速越大，分流口流速越大。但圓形分流口壁前后都有流速為0 的區(qū)域，可能會造成泥沙在附近沉積且不易沖洗，必要時需要人工清洗。由圖4可見，在進(jìn)水管右側(cè)和出水管左側(cè)有較大的水流流速，而且進(jìn)水流速越大，對兩側(cè)的影響越大，管壁受到水流的沖擊就越嚴(yán)重。因此，可將過濾器拐角處設(shè)計(jì)成圓弧狀或改變進(jìn)出管角度，以減少水頭損失和對邊壁的沖擊。另外，進(jìn)水流速越小，進(jìn)出管內(nèi)流速分布越不均勻，對過濾器的穩(wěn)定性也會造成一定的影響。

圖4 不同進(jìn)口流速下自清洗網(wǎng)式過濾器不同平面的速度云圖Fig.4 Velocity cloud diagrams of different planes of the selfcleaning mesh filter at different inlet flow rates

3.3 自清洗網(wǎng)式過濾器排污過程數(shù)值模擬

3.3.1 不同進(jìn)水流速下排污系統(tǒng)壓強(qiáng)場分析

自清洗網(wǎng)式過濾器排污系統(tǒng)內(nèi)的壓強(qiáng)分布對排污效果有較大的影響。從圖5 中可以看出，排污系統(tǒng)中入口的壓強(qiáng)最大，從入口到出口壓強(qiáng)逐漸降低，在水力旋噴管處產(chǎn)生了最小壓強(qiáng)。在進(jìn)水流速為1.0、5.0 和10.0 m/s 3 種條件下，進(jìn)出水口的水頭損失分別為3 490.4、23 830.0 和55 730.0 Pa。進(jìn)水流速越大，進(jìn)出口的壓強(qiáng)差越大，越有利于將泥沙從矩形吸沙口挾帶到水力旋噴管的出口，減少泥沙在排污系統(tǒng)內(nèi)的積聚。進(jìn)水流速越小，吸沙組件內(nèi)的壓強(qiáng)分布越不均勻，對泥沙的吸附能力會有所降低，而且可能導(dǎo)致泥沙在吸沙組件兩端積聚，影響排污效果。另外，在排沙管最左側(cè)也存在較大壓強(qiáng)，而且進(jìn)水流速越大其壓強(qiáng)也就越大，可能對排污系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。由于排污系統(tǒng)依靠過濾器濾網(wǎng)堵塞而產(chǎn)生內(nèi)外壓強(qiáng)差，矩形吸沙口可以吸附堆積在細(xì)濾網(wǎng)上的泥沙和雜質(zhì)，所以在不同流速狀態(tài)下，排污系統(tǒng)清理泥沙和雜質(zhì)的能力也有所不同。進(jìn)口流速越大，排污系統(tǒng)內(nèi)壓強(qiáng)差越大，排污效果越好。

圖5 不同流速下排污系統(tǒng)壓強(qiáng)云圖Fig.5 Pressure cloud diagrams of the sewage system at different flow rates

3.3.2 不同進(jìn)水流速下排污系統(tǒng)速度場分析

從圖6 中可以看出，矩形吸沙口處產(chǎn)生較高的流速，但由于局部水頭損失的作用，水流在進(jìn)入排沙管后流速有所降低。根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知，進(jìn)口流速與吸沙口吸力成正比，所以進(jìn)水流速越大，矩形吸沙口的吸力越大，越有利于清除濾網(wǎng)上的泥沙。吸沙組件內(nèi)的流速呈對稱分布，并逐漸向兩側(cè)減小，進(jìn)水流速越小，流速為0 的區(qū)域面積就越大，易于造成泥沙的沉積。由于3 個吸沙組件的影響，排沙管內(nèi)的流速分布不均勻，進(jìn)水流速越大，排沙管內(nèi)流速分布越不均勻。另外，在排沙管最左側(cè)和最右側(cè)以及水力旋噴管的兩端流速基本為0，易造成泥沙淤積；但隨著進(jìn)水流速增大，排沙管和旋噴管內(nèi)流速為0 的區(qū)域面積逐漸減小，有利于泥沙的排出。在實(shí)際應(yīng)用中可考慮減小矩形吸沙口寬度，以增大排污系統(tǒng)進(jìn)水流速，減少系統(tǒng)內(nèi)泥沙淤積。

圖6 不同流速下排污系統(tǒng)速度云圖Fig.6 Velocity cloud diagrams of the sewage system at different flow rates

4 結(jié)論

1）過濾過程中從進(jìn)水管到出水管，壓強(qiáng)逐漸降低，一級過濾室與二級過濾室存在較大的壓強(qiáng)差，進(jìn)水流速越大，進(jìn)出水口及一級過濾室和二級過濾室壓強(qiáng)差越大；過濾器內(nèi)的水流速度呈先減小后增大的變化趨勢，且進(jìn)出水口處流速最大。進(jìn)水流速越大，過濾室內(nèi)的壓強(qiáng)越大，水流紊動越劇烈，可減少泥沙淤積。

2）排污過程中吸沙組件的矩形吸沙口處壓強(qiáng)最大，水力旋噴管處壓強(qiáng)最小，隨著進(jìn)水流速的增大，二者的差值也不斷增大。排污系統(tǒng)的進(jìn)水流速越大，系統(tǒng)內(nèi)的水流摻混越劇烈，內(nèi)部流速分布越不均勻，水頭損失也越大。但隨進(jìn)水流速增大，水流挾沙能力增強(qiáng)，吸口吸力增大，有助于清除濾網(wǎng)上的泥沙，提高過濾器的自清洗能力。