不同工況下Y型網(wǎng)式過濾器流場數(shù)值模擬分析

喻黎明 劉凱碩 韓 棟 仵 峰 李 娜 崔寧博

(1.昆明理工大學農(nóng)業(yè)與食品學院， 昆明 650500； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部工程建設(shè)服務中心， 北京 100081； 3.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室， 成都 610065)

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)水資源的短缺以及對微灌技術(shù)認知度的提高，微灌技術(shù)得到了快速的推廣與發(fā)展[1]。網(wǎng)式過濾器作為維持微灌系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的核心設(shè)備被廣泛應用，其具有結(jié)構(gòu)簡單、價格較低、使用方便等優(yōu)點，但濾網(wǎng)堵塞問題較為嚴重[2-5]，網(wǎng)式過濾器在過濾懸浮物時，會在網(wǎng)面形成網(wǎng)孔堵塞和懸浮物堆積堵塞，首先會造成網(wǎng)孔堵塞，然后在高流量區(qū)域網(wǎng)孔堵塞后會產(chǎn)生懸浮物堆積堵塞，過濾器過濾效率和水力性能受到直接影響。因此，將堵塞作為過濾器的核心問題，改善過濾器的濾網(wǎng)堵塞情況，提高過濾器的水力性能將是微灌系統(tǒng)發(fā)展的重點。

目前國內(nèi)外學者對過濾器的研究主要集中在兩方面：水力性能和實際應用。文獻[6-8]利用量綱分析總結(jié)了不同類型過濾器的水頭損失公式和主要影響因素；文獻[9-11]在無堵塞和堵塞條件下進行了水力性能試驗，得出泥沙粒徑和濾網(wǎng)的關(guān)系，水頭損失和流量以及堵塞程度之間的變化規(guī)律；宗全利等[12]在渾水試驗中總結(jié)了濾網(wǎng)的堵塞規(guī)律，并找到了影響濾網(wǎng)堵塞的主要因素；周理強等[13]在網(wǎng)式過濾器內(nèi)部增加導流片，從而提高過濾器的抗堵性能。為了提高過濾器的過濾效率及壽命，需要從內(nèi)部流場情況以及水流特性兩方面對過濾器的水力性能進行優(yōu)化，但微灌系統(tǒng)運行時，過濾器處于封閉狀態(tài)，不能通過物理試驗進行研究分析，因此將Fluent軟件應用到過濾器中，對其進行流場的數(shù)值模擬，研究其內(nèi)部流態(tài)以及流場情況[14]。駱秀萍[15]、陶洪飛等[16-18]對不同流量、尺寸、角度下的魚雷網(wǎng)式過濾器進行流場分析，總結(jié)其變化規(guī)律，為過濾器提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化依據(jù)；文獻[19-22]對網(wǎng)式過濾器進行全流場數(shù)值模擬分析，為進一步的過濾器渾水研究提供理論基礎(chǔ)。

上述研究表明，可以通過數(shù)值模擬的方法對過濾器進行內(nèi)部流場以及水流特性分析，但現(xiàn)有研究并未從微觀角度對濾網(wǎng)網(wǎng)面進行分析，因此本文選用1∶1模型對Y型網(wǎng)式過濾器進行全流場數(shù)值模擬，探究濾網(wǎng)網(wǎng)面流量分布情況，分析濾網(wǎng)目數(shù)以及入口流速對網(wǎng)面流量分布的影響，為研究過濾器內(nèi)部泥沙運動提供參照和過濾器濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)；同時分析濾網(wǎng)目數(shù)以及入口流速對內(nèi)部流場的影響，為過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供設(shè)計方案和理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬計算方法與試驗驗證

1.1 計算方法

Y型網(wǎng)式過濾器內(nèi)部水流可以視為黏性不可壓縮的流體，定常流動，考慮重力對水流的影響，忽略表面張力的影響。

水相的連續(xù)性方程和動量方程[23]分別為

(1)

(2)

式中ρ——水相密度，kg/m3t——時間，s

v——水相速度，m/sp——靜壓，Pa

μ——粘滯系數(shù)，Pa·s

g——重力加速度，m/s2

FP——作用于流體的阻力總和，N/m3

數(shù)值模擬采用標準k-ε模型[24-25]，該模型是半經(jīng)驗公式，主要是基于湍流動能和擴散率。模型中的湍流耗散率ε定義為

(3)

式中v′i——流速分量，m/sxk——流向分量，m

湍流粘度μt定義為

(4)

式中Cμ——湍流模型經(jīng)驗常數(shù)

k——湍流動能，J

標準k-ε模型的湍流動能k方程和耗散率ε方程[26]定義為

(5)

(6)

(7)

式中Gb——浮力引起的湍動能，m2/s2

YM——脈動膨脹引起的湍動能，m2/s2

vi、vj——流速分量，m/s

xi、xj——流向分量，m

Gk——剪切作用引起的湍動能，m2/s2

C1ε、C2ε、C3ε——耗散率經(jīng)驗常數(shù)，采用Fluent中的默認值C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09

σk、σε——湍動能和湍動能耗散率對應的Prandtl系數(shù)，采用默認值σk=1.0、σε=1.3

1.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

Y型網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)參數(shù)為入口直徑20 mm、出口直徑20 mm、濾芯直徑26 mm、濾芯高度40 mm、沖孔直徑2 mm，過濾器由外殼和濾芯部分組成。圖1a為過濾器的殼體模型示意圖，圖1b為過濾器的濾芯模型示意圖和實物圖，濾芯為復合結(jié)構(gòu)，濾芯由濾網(wǎng)和沖孔鋼板組成，濾網(wǎng)由金屬絲編制而成，起到過濾作用，沖孔鋼板起到支撐濾網(wǎng)的作用，本文采用3種不同目數(shù)的濾網(wǎng)，具體參數(shù)見表1。

圖1 網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of screen filter

表1 不同目數(shù)濾網(wǎng)參數(shù)Tab.1 Different mesh filter parameters

為保證數(shù)值模擬的精度以及盡量減少計算時間，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分別對殼體和濾芯進行網(wǎng)格劃分，為保證濾芯計算的準確性，對濾芯進行局部加密并進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗。濾網(wǎng)目數(shù)為60目的過濾器整個計算域網(wǎng)格數(shù)為554 779個，節(jié)點為4.3×105個；濾網(wǎng)目數(shù)為80目的過濾器整個計算域網(wǎng)格數(shù)為712 289個，節(jié)點為5.5×105個；濾網(wǎng)目數(shù)為100目的過濾器整個計算域網(wǎng)格數(shù)為921 779個，節(jié)點為6.5×105個，圖2為過濾器網(wǎng)格模型。

圖2 網(wǎng)式過濾器網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh models of screen filter

過濾器壁面采用標準壁面函數(shù)，入口設(shè)置為速度入口，湍流強度為5%，水力直徑與入口內(nèi)徑相同。出口設(shè)置為壓力出口，壓力為標準大氣壓，回流湍流強度為5%，采用默認湍流黏度比。壓力-速度耦合采用SIMPLE方法，差分格式采用二階迎風格式，壓力松弛因子設(shè)置為0.2，其他松弛因子設(shè)置為默認值，標準殘差為1×10-3。

1.3 試驗設(shè)計與驗證

為驗證過濾器在數(shù)值模擬計算的準確性，通過試驗得到不同濾網(wǎng)目數(shù)以及不同流量下進出口壓力差，并與數(shù)值模擬得到的流量-壓降曲線進行對比，過濾器的流量-壓降曲線遵循水頭損失經(jīng)驗公式[27]

Δh=kQx

(8)

式中 Δh——過濾器的水頭損失(出入口壓降)，m

Q——過濾器總流量，m3/h

k——水頭損失系數(shù)，與過濾器的形狀、濾網(wǎng)的有效面積有關(guān)

x——水頭損失指數(shù)，反映過濾器水頭損失對流量變化的敏感程度

圖3 網(wǎng)式過濾器試驗裝置Fig.3 Schematic of experimental device for screen filter1.潛水泵 2.蓄水池 3.流量計 4.止回閥 5.出水口壓力表 6.Y型網(wǎng)式過濾器 7.入水口壓力表 8.閥門 9、10.水管

物理試驗裝置如圖3所示，由蓄水池、潛水泵、攪拌機、Y型網(wǎng)式過濾器、壓力表、電子流量計、蝶閥、球閥、不銹鋼管以及各種管道聯(lián)接組成。過濾器為市面上常見的不銹鋼Y型網(wǎng)式過濾器，通過更換濾芯來改變?yōu)V網(wǎng)目數(shù)。

過濾器額定流量為3.5～4.0 m3/h，折合成平均流速為2.43～2.78 m/s。試驗在清水狀態(tài)下進行，首先使?jié)撍迷谧畲筘摵蔂顟B(tài)下運轉(zhuǎn)，記錄對應的流速，然后以0.25 m/s為梯度，通過調(diào)節(jié)閥門使得流速逐漸減小。在此過程中讀取對應流速下的過濾器進出口壓力，更換不同目數(shù)的濾芯后，重復操作。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

用式(8)擬合60、80、100目過濾器的流量-壓降曲線，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖4所示。3種濾網(wǎng)目數(shù)下試驗與數(shù)值模擬的水頭損失系數(shù)k分別相差7.38%、6.98%、8.6%，均小于10%。水頭損失指數(shù)x分別相差0.2%、0.7%、0.8%，決定系數(shù)R2分別相差0.02%、0.04%、0.04%，因此采用CFD對網(wǎng)式過濾器進行數(shù)值模擬分析可行[28]。

圖4 過濾器數(shù)值模擬壓降與實測壓降對比曲線Fig.4 Simulated pressure drop of filter compared with measured pressure drop

由圖4中擬合公式可知，水頭損失系數(shù)k決定同一流量下的水頭損失。與60目相比，數(shù)值模擬中80、100目的水頭損失系數(shù)的增長率分別為3.4%、18.7%；水頭損失系數(shù)的增長率分別為3.7%、17%。即在入口流量相同的情況下目數(shù)越大水頭損失越大。

2.2 內(nèi)部流速

2.2.1流速分布

圖5 流速分布圖Fig.5 Velocity profile

圖5為網(wǎng)式過濾器中心軸剖面的流速分布圖。如圖5所示，水流在腔體內(nèi)運動可分為4個區(qū)域：1表示出口側(cè)加速區(qū)，該區(qū)域水流受射流和重力作用后流速增加。2表示出口側(cè)減速區(qū)，該區(qū)域水流與出口側(cè)濾網(wǎng)碰撞后的流速減小。3表示堵頭回流區(qū)，水流與堵頭碰撞后產(chǎn)生回流，在入口側(cè)流速先增加后減小。4表示漩渦區(qū)，該區(qū)域水流較小，流速趨近于0 m/s。

流速場主要呈現(xiàn)以下幾種現(xiàn)象：出、入口流速分布不均勻是由于水流存在射流效應以及重力作用；漩渦區(qū)是由于水流在堵頭處產(chǎn)生的回流以及循環(huán)流所致；在過濾器堵頭部分還存在著低流速區(qū)域，而這部分低流速區(qū)域稱為死水區(qū)，這是因為水流與堵頭發(fā)生碰撞時部分水流碰撞在了堵頭兩側(cè)，無法流向入口側(cè)濾網(wǎng)。

2.2.2不同入口流速下流速分布

圖6為60目過濾器在3種入口流速的流速分布圖。由圖可知，入口流速分別為0.5、1.5、2.5 m/s時，腔體內(nèi)最大流速靠近出口側(cè)濾網(wǎng)中心處(階段1末尾位置)，流速分別為1.2、3.6、6 m/s，最大流速區(qū)域面積分別為9.9、11.4、13 mm2，即最大流速是入口流速的2.4倍，最大流速區(qū)域面積分別增大15%、31%，其區(qū)域位置沒有發(fā)生改變。入口側(cè)濾網(wǎng)處(階段3末尾位置)最大流速分別為0.8、2.5、3.5 m/s，由于水流在堵頭中產(chǎn)生的回流并不規(guī)律，所以入口側(cè)濾網(wǎng)的最大流速只會隨著入口流速的增大而增大，并沒有相應規(guī)律。堵頭處的死水區(qū)流速趨于0 m/s，隨著入口流速的增大而略微增大，其位置不會發(fā)生改變。

圖6 不同入口流速的流速分布圖Fig.6 Velocity distributions of different inlet velocities

圖7 不同目數(shù)的流速分布圖Fig.7 Velocity distribution maps with different mesh numbers

2.2.3不同濾網(wǎng)目數(shù)下的流速分布

圖7為入口流速為1.5 m/s的3種濾網(wǎng)目數(shù)的平均流速分布圖，由圖可知，濾網(wǎng)目數(shù)為60、80、100目時，腔體內(nèi)最大流速為3.6 m/s，該區(qū)域面積分別為11.40、11.96、11.20 mm2；以流速1.5 m/s為等值線，將腔體和堵頭處流速區(qū)域分為兩部分，腔體內(nèi)流速大于1.5 m/s的流速區(qū)域所占面積分別為63.83%、64.50%、64.90%，堵頭內(nèi)流速大于1.5 m/s區(qū)域所占面積分別為31.86%、32.00%、30.38%。即隨著目數(shù)的提高，腔體內(nèi)大于入口流速的區(qū)域面積會有所增大；但最大流速、最大流速區(qū)域面積、堵頭處大于入口流速區(qū)域面積基本不發(fā)生改變。這說明濾網(wǎng)目數(shù)并不影響內(nèi)部速度場的分布。

2.3 內(nèi)部壓力

2.3.1壓力分布

圖8 不同入口流速的壓力分布圖Fig.8 Pressure distributions of different inlet velocities

圖8、9為網(wǎng)式過濾器正剖面的壓力分布圖。由圖可知，過濾器腔體內(nèi)壓力以漩渦區(qū)為中心向外階梯式遞增。出口處的壓力分布不均勻是由于出口邊界條件設(shè)置的影響以及水流的射流效應所致。出口側(cè)濾網(wǎng)下端以及入口側(cè)濾網(wǎng)內(nèi)、外壓差較小且分布較為均勻，這是因為水流通過濾網(wǎng)被壁面阻擋，產(chǎn)生的水頭損失較小。在堵頭處壓力較大，這是由于堵頭處存在水流的死水區(qū)，水流在死水區(qū)流速變化較小所導致。

2.3.2不同入口流速下壓力分布

圖8為60目的網(wǎng)式過濾器在3種不同入口流速的壓力分布圖。如圖所示，3種入口流速的壓力變化規(guī)律基本相同，但入口流速影響著整體壓力，當入口流速分別為0.5、1.5、2.5 m/s時，過濾器的壓降分別為4.2、37.6、104.2 kPa，出口側(cè)上端濾網(wǎng)的內(nèi)外兩側(cè)壓降分別為3.6、33、91 kPa，其中出口側(cè)上端的濾網(wǎng)壓降占總壓降的百分比分別為85%、87%、87%，即壓降主要集中在出口側(cè)上端濾網(wǎng)且占總壓降的87%左右。在過濾器腔體內(nèi)漩渦區(qū)的壓力最小，分別為3.3、31.0、85.5 kPa，分別占總壓降的78%、82%、82%。這說明壓力在腔體內(nèi)雖然呈階梯狀分布，但變化在80%左右，且不會因為流速而發(fā)生變化。

圖9 不同目數(shù)的壓力分布圖Fig.9 Pressure distribution maps with different mesh numbers

2.3.3不同濾網(wǎng)目數(shù)下壓力分布

圖9為入口流速為1.5 m/s的網(wǎng)式過濾器在3種不同目數(shù)下的壓力分布圖。如圖所示，當濾網(wǎng)目數(shù)分別為60、80、100目時腔體內(nèi)壓力最小值分別為31.0、32.3、39.7 kPa；壓力最大值分別為36.5、39、46 kPa，腔體內(nèi)壓力最大值和最小值都呈現(xiàn)出遞增的規(guī)律。3種目數(shù)下壓力最大值的位置在出口側(cè)濾網(wǎng)邊角處，壓力最小值位于腔體中心處，且兩者位置都不會隨著濾網(wǎng)目數(shù)的改變而變化。

2.4 網(wǎng)面流量分布

濾網(wǎng)在過濾器內(nèi)為圓柱形，定義X=0 m為出口側(cè)濾網(wǎng)中心軸頂端，以X=0 m為軸將濾網(wǎng)展開，從X=-5 m到X=5 m為出口側(cè)濾網(wǎng)，其余部分為入口側(cè)濾網(wǎng)。從圖10可以看出，網(wǎng)面流量分布并不均勻，高流量區(qū)域主要集中在出口側(cè)濾網(wǎng)。水流進入腔體后，與出口側(cè)濾網(wǎng)進行碰撞，由于受到入口水流射流以及循環(huán)流的影響，網(wǎng)面流量最大的位置并不是在出口側(cè)濾網(wǎng)上端中心(X=0 m，Y=5 m)，而是出現(xiàn)在兩側(cè)(X=±1.5 m，Y=4 m)；在堵頭處產(chǎn)生回流后，水流朝著入口側(cè)濾網(wǎng)流動，由于水流在向上流動的過程中流速不斷減小，從而在入口側(cè)濾網(wǎng)上端(X=±9 m，Y=1 m)出現(xiàn)流量最低點。

圖10 不同入口流速的網(wǎng)面流量分布Fig.10 Flow rates distribution on screen with different inlet velocities

2.4.1不同入口流速網(wǎng)面流量分布

圖10為60目的網(wǎng)式過濾器在3種不同入口流速的網(wǎng)面流量分布。由圖可知，3種流速的網(wǎng)面流量分布都以X=0 m為對稱軸，從網(wǎng)面流量最大位置處向外階梯遞減。結(jié)合表2可知，入口流速從0.5 m/s增大到1.5 m/s時，網(wǎng)面上最大流量以及最小流量增大了300%，最大與最小流量的流量差值在3.3倍左右；當入口流速增至2.5 m/s時，網(wǎng)面最大流量和最小流量增大500%，且流量差值在3.3倍左右。在X=0 m，Y=5 m的位置，理論上流量應大于36 L/h，但實際流量卻小于36 L/h，這是由于流速增大，在腔體內(nèi)的循環(huán)流對從入口進入的水流產(chǎn)生沖擊所導致。

表2 60目過濾器網(wǎng)面流量Tab.2 Flow distribution of 60 meshes filter

以網(wǎng)面流量的中值為界限，將大于中值的流量區(qū)域定義為高流量分布區(qū)域。入口流速為0.5、1.5、2.5 m/s的高流量分布區(qū)域分別為大于5、15、25 L/h；區(qū)域面積分別為1 046、1 066、1 070 mm2，高流量區(qū)域面積的增大意味著高流速水流的沖擊面變大，即當水流中存在泥沙時，入口流速越大濾網(wǎng)所接觸的高流量區(qū)域越大，濾網(wǎng)堵塞也越快。

2.4.2不同濾網(wǎng)目數(shù)網(wǎng)面流量分布

圖11 不同目數(shù)的網(wǎng)面流量分布Fig.11 Flow rates on screen with different mesh numbers

圖11為入口流速為2.5 m/s的網(wǎng)式過濾器在3種不同濾網(wǎng)目數(shù)下的網(wǎng)面流量分布。結(jié)合表3可知，從60目提升至80目，濾網(wǎng)過水面積降低11.66%，網(wǎng)面最大流量降低了8.8%，網(wǎng)面最小流量增大了3.4%，最大與最小流量相差3.1倍，其位置坐標不變。從60目提升至100目，即濾網(wǎng)過水面積降低30%，網(wǎng)面最大流量降低了23.35%，網(wǎng)面最小流量增大了10.75%，最大與最小流量相差2.3倍，且兩者位置均向兩側(cè)偏移，縱坐標不變，橫坐標從1.5 m變成2.5 m以及從9 m變成8 m。

表3 入口流速為2.5 m/s時過濾器的網(wǎng)面流量Tab.3 Screen flow rate of filter with inlet velocity of 2.5 m/s

由圖11可知，入口流速為2.5 m/s、濾網(wǎng)目數(shù)為60目時，在X=0 m，Y=5 m的位置，網(wǎng)面流量在該位置降低，圖中等值線呈現(xiàn)出向下凹陷的情況，網(wǎng)面流量為35 L/h；在80目時，在此位置流量變化更加明顯，等值線呈圓形分布，網(wǎng)面流量為31 L/h；濾網(wǎng)目數(shù)為100目時，網(wǎng)面流量分布變得不對稱，在出口側(cè)濾網(wǎng)尤為明顯，在X為1～4 m的位置，網(wǎng)面流量大于其對稱位置，且在X為-4～4 m，Y為4 m的位置，流量區(qū)域連成一片，該區(qū)域流量大于29 L/h。即在入口流速為2.5 m/s時，網(wǎng)面流量分布隨著目數(shù)的提高在出口側(cè)中心開始發(fā)生變化，變化區(qū)域逐漸明顯。

60、80、100目所對應的高流量分布區(qū)域分別為大于25、23、21 L/h；其面積分別為1 070、1 081、1 155 mm2。同一流速下，高流量分布區(qū)域面積隨著濾網(wǎng)目數(shù)的提高而增大，即在渾水狀態(tài)下高流量分布區(qū)域面積越大越容易堵塞。

綜上所述，提高入口流速，可以提高過濾效率；增大過濾器腔體體積，使得濾網(wǎng)過流面積增大，從而改善網(wǎng)面流量的分布，提高過濾器的過濾效率。

3 討論

3.1 濾網(wǎng)模型與水頭損失系數(shù)

本文將濾網(wǎng)模型適當簡化，忽略了實際模型中重疊的網(wǎng)孔與金屬絲，并將所有網(wǎng)孔視為標準尺寸；且在制作實際模型中因工藝問題會使得模型存在尺寸或形狀變形的問題，因此導致水頭損失系數(shù)k相差8%。王新坤等[29]采用多孔介質(zhì)模型模擬過濾器內(nèi)部流場，簡化了濾網(wǎng)網(wǎng)格模型，這能夠有效地解決模型與實際之間存在的偏差，但將濾網(wǎng)視為均勻介質(zhì)只能夠從宏觀的角度分析過濾器內(nèi)部流場，本文采用實際模型從更加微觀的角度分析了濾網(wǎng)的流量分布，能夠更加直觀地反映濾網(wǎng)網(wǎng)孔的流態(tài)變化規(guī)律。可以考慮采用三維掃描數(shù)據(jù)對濾網(wǎng)建立模型[30]，該方法可以在微觀研究的基礎(chǔ)上減少數(shù)值模擬的誤差。

3.2 流場的影響

分析流場可以發(fā)現(xiàn)，腔體內(nèi)最高流速存在于出口側(cè)濾網(wǎng)處，高流速區(qū)域分布較為集中，在濾網(wǎng)兩側(cè)水流較少，流速較小，濾網(wǎng)利用率較低，而濾網(wǎng)目數(shù)并不影響流場，因此可以考慮改變腔體角度[16]，改善過濾器流場分布；增大腔體體積，在入口處設(shè)置導流片，將水流分壓、分流，減少出口側(cè)濾網(wǎng)沖擊力，增加其他區(qū)域濾網(wǎng)利用率，從而提高過濾器的過濾效率及使用壽命。

在分析速度場時發(fā)現(xiàn)，在堵頭處存在死水區(qū)，死水區(qū)的流速低，但不會隨著入口流速和濾網(wǎng)目數(shù)的改變而改變；死水區(qū)的壓力會隨著過濾器的整體流速和壓力增大而增大；兩者區(qū)域位置、面積不會發(fā)生改變。喻黎明等[31]研究表明在渾水試驗中會有大量的泥沙淤積在堵頭處的死水區(qū)。文獻[32]研究表明，過濾器中存在死水區(qū)可以避免水流被直接沖擊而產(chǎn)生顆粒嵌入的情況，更便于反沖洗。因此可以考慮增大堵頭處的死水區(qū)容積，以增大體積為主，使得更多顆粒沉積在死水區(qū)，并在該位置設(shè)置反沖洗結(jié)構(gòu)。

3.3 網(wǎng)面流量分布

在分析網(wǎng)面流量分布時，當濾網(wǎng)目數(shù)為100目時，整個網(wǎng)面流量分布變得不規(guī)則，出口側(cè)濾網(wǎng)上端最為明顯。隨著目數(shù)的提高，網(wǎng)面高流量區(qū)域面積增大，導致水流與濾網(wǎng)發(fā)生碰撞后出口側(cè)濾網(wǎng)面受到水流的沖擊力更大且并不規(guī)則，這使得濾網(wǎng)更容易出現(xiàn)變形、損壞[33]。

在渾水狀態(tài)下，流速越大越容易堵塞，目數(shù)越大越容易堵塞，這是由于主流區(qū)高流量區(qū)域面積變大所導致，過濾器網(wǎng)面高流量分布區(qū)域容易導致泥沙大量累計，產(chǎn)生局部濾網(wǎng)堵塞以及架橋現(xiàn)象，導致水頭損失上升，從而影響過濾器整體的過濾效率，嚴重的甚至會導致濾網(wǎng)破損。周理強等[13]通過安裝導流片改善網(wǎng)面流量分布，從而提高了過濾器的抗堵性能，但導流片會對過濾效率存在影響。因此，可以考慮在濾網(wǎng)上增加環(huán)狀片體[32]，減少水流對主流區(qū)高流量區(qū)域的沖擊，增加水流接觸濾網(wǎng)面積，改善網(wǎng)面流量分布的同時還能夠形成部分死水區(qū)，從而提高過濾器的使用壽命以及過濾效率。

4 結(jié)論

(1)過濾器的水頭損失主要集中在濾芯部分，尤其是濾芯出口側(cè)，該部分占整個過濾器總壓降的87%。

(2)水流在腔體內(nèi)運動分為4個區(qū)域：出口側(cè)加速區(qū)、出口側(cè)減速區(qū)、堵頭回流區(qū)和漩渦區(qū)。腔體內(nèi)最大流速位于出口側(cè)加速區(qū)末端，最大流速與入口流速相差2.4倍；濾網(wǎng)目數(shù)不影響速度場的分布。高流速區(qū)域分布較為集中，濾網(wǎng)利用率較低，建議增大腔體體積，改變腔體角度，入口處增設(shè)導流片，改善流場分布，提高濾網(wǎng)利用率。

(3)腔體內(nèi)壓力場以漩渦區(qū)為中心呈階梯遞減分布，壓力場分布規(guī)律不受入口流速以及濾網(wǎng)目數(shù)的影響，壓力與兩個變量呈正相關(guān)。堵頭中的死水區(qū)流速低、壓力大，泥沙易于沉淀，建議擴大堵頭容積以承接更多的泥沙。

(4)網(wǎng)面流量分布不均勻，高流量區(qū)域主要分布在出口側(cè)，該區(qū)域面積與入口流速和濾網(wǎng)目數(shù)呈正相關(guān)；當入口流速從0.5 m/s增至2.5 m/s的過程中，最大與最小流量均相差3.3倍；濾網(wǎng)目數(shù)為60、80、100目時，最大與最小流量相差3.3、3.1、2.3倍，且濾網(wǎng)目數(shù)增至100目時，最大流量位置向外側(cè)偏移，最小流量位置向內(nèi)側(cè)偏移，高流量區(qū)域面積增大，濾網(wǎng)受到?jīng)_擊力更大。建議優(yōu)化濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，增加環(huán)狀片體，改善網(wǎng)面流量分布，減少水流沖擊，提高使用壽命，提高過濾效率。