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        全自動(dòng)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器內(nèi)部清水流場(chǎng)特性數(shù)值分析

        2017-06-05 23:08:04滕曉靜陶洪飛朱玲玲鄭文強(qiáng)胡建強(qiáng)
        南水北調(diào)與水利科技 2017年2期
        關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬流場(chǎng)流量

        滕曉靜 陶洪飛 朱玲玲 鄭文強(qiáng) 胡建強(qiáng) 俞竣豪

        摘要:采用Fluent軟件中的Realizable k-ε湍流模型與多孔介質(zhì)階躍面對(duì)不同流量下全自動(dòng)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的清水流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:數(shù)值計(jì)算中進(jìn)、出口間水頭損失同物理試驗(yàn)的吻合程度較高,選擇的數(shù)學(xué)模型具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)比不同流量下的計(jì)算結(jié)果可知,流量不同時(shí)過(guò)濾器內(nèi)速度分布規(guī)律相同,壓強(qiáng)分布規(guī)律也相同,但流量越大,水頭損失越大,濾網(wǎng)內(nèi)外側(cè)的速度差、壓強(qiáng)差也就越大;過(guò)濾器內(nèi)的速度和壓強(qiáng)分布越不均勻,結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化。

        關(guān)鍵詞:全自動(dòng)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器;數(shù)值模擬;水頭損失;流量;流場(chǎng)

        中圖分類(lèi)號(hào):TV14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1672-1683(2017)02-0176-09

        根據(jù)過(guò)濾原理,過(guò)濾器可分為砂石過(guò)濾器、離心過(guò)濾器、網(wǎng)式過(guò)濾器、疊片過(guò)濾器;而組合過(guò)濾器能綜合兩個(gè)過(guò)濾器的優(yōu)點(diǎn);楊勝敏就過(guò)濾器選型進(jìn)行了研究,在他給出的過(guò)濾器類(lèi)型及組合方式的選擇建議中,網(wǎng)式過(guò)濾器都是作為最末級(jí)過(guò)濾器,因此網(wǎng)式過(guò)濾器的性能好壞對(duì)整個(gè)微灌系統(tǒng)十分重要。

        全自動(dòng)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器是在傳統(tǒng)網(wǎng)式過(guò)濾器的基礎(chǔ)上提出的一種滿足低壓排沙要求的新型過(guò)濾器,其具有結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能率高、自清洗不斷供水以及水沙分離效率高等特點(diǎn)。但關(guān)于魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的研究尚處于起步階段,尤其是該過(guò)濾器中的流場(chǎng)分布規(guī)律。當(dāng)前,很難通過(guò)現(xiàn)有的測(cè)試手段(如PIV或LDP)來(lái)測(cè)量速度場(chǎng),因此選擇正確的數(shù)學(xué)模型對(duì)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器中的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬不失為一種有效的方法。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)容量的增大,目前仿真模擬流動(dòng)具有很高的可靠性和準(zhǔn)確度。已有許多學(xué)者將數(shù)值模擬運(yùn)用到過(guò)濾器的研究中,如姚卓飛利用Realizable k-ε湍流模型對(duì)陶瓷過(guò)濾器進(jìn)行模擬,并且涉及到氣-固兩相流的分離以及流體穿越多孔介質(zhì)等復(fù)雜的過(guò)程;李景海等人采用Eulerian模型作為石英砂濾層反沖洗數(shù)值模擬模型,對(duì)濾層的反沖洗過(guò)程進(jìn)行了瞬態(tài)模擬;王忠義等人合理簡(jiǎn)化了管道過(guò)濾器濾芯,將其平面化并結(jié)合多孔介質(zhì)模型將濾芯的阻力特性轉(zhuǎn)換為邊界條件。另外還有許多針對(duì)網(wǎng)式過(guò)濾器的數(shù)值模擬,王新坤以AZUD公司一款進(jìn)口直徑為50 mm的普通微灌網(wǎng)式過(guò)濾器為研究對(duì)象,利用數(shù)值模擬得到該過(guò)濾器的流場(chǎng)特性,并對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;李浩等人以AZUD-M 100網(wǎng)式過(guò)濾器為樣品,分別采用3種不同湍流模型對(duì)過(guò)濾器流場(chǎng)進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)基于多孔介質(zhì)模型的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型或Realizable k-ε模型更適合過(guò)濾器的數(shù)值模擬;宗全利、于旭永、駱秀萍等人針對(duì)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器進(jìn)行了多方面的研究,得到該過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)特性的相關(guān)資料。

        本文將利用Fluent軟件模擬不同進(jìn)流量下全自動(dòng)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的清水流場(chǎng),并結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),初步探究進(jìn)流量對(duì)該過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)的影響,這將為全自動(dòng)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的進(jìn)一步研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

        1全自動(dòng)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器的介紹

        全自動(dòng)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器(下文簡(jiǎn)稱(chēng)“過(guò)濾器”)由罐體、濾網(wǎng)、魚(yú)雷、自動(dòng)控制器等部分組成,其整體示意圖見(jiàn)圖1(a)。該過(guò)濾器創(chuàng)新之處是在濾網(wǎng)內(nèi)加入魚(yú)雷部件,旨在較小的工作壓力下也能完成過(guò)濾和沖洗工作。魚(yú)雷和濾網(wǎng)的形狀見(jiàn)圖1(b)和(c)。過(guò)濾器罐體、濾網(wǎng)、魚(yú)雷的長(zhǎng)度分別為1.031 m、0.961 m、1.031 m。罐體、濾網(wǎng)、魚(yú)雷的直徑分別為0.254 m、0.2m、0.154m。進(jìn)口和出口直徑均為0.2 m。

        該過(guò)濾器為全自動(dòng)過(guò)濾器,進(jìn)、出水口裝有壓力傳感器,能采集進(jìn)水口和出水口的壓力并反饋給控制器,只需在控制器中預(yù)先設(shè)置好壓差、排污時(shí)間,過(guò)濾器即可自動(dòng)完成反沖洗、排污、停止反沖洗等工作。工作原理為:灌溉水由進(jìn)水管進(jìn)入濾網(wǎng)中,凈水穿過(guò)濾網(wǎng),流向出水口,而污物則會(huì)被截留在濾網(wǎng)內(nèi)。隨著污物的積累,水頭損失逐漸增加,當(dāng)過(guò)濾器出水口壓力與進(jìn)水口壓力達(dá)到預(yù)定壓差值時(shí),控制器便自動(dòng)開(kāi)啟排污閥,此時(shí)一部分水流沖刷濾網(wǎng)上的污物,并攜帶污物從過(guò)濾器尾部的排污管排出;另一部分水流則通過(guò)濾網(wǎng)從出水口排出。當(dāng)排污時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間,控制器自動(dòng)關(guān)閉排污閥,沖洗結(jié)束。

        2全自動(dòng)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

        2.1數(shù)學(xué)模型

        多孔階躍面(porous jump)是多孔介質(zhì)模型的一維簡(jiǎn)化,可用于模擬已知速度_壓降特性的薄膜,多孔階躍面比多孔介質(zhì)模型收斂性更好。多孔介質(zhì)模型通過(guò)在動(dòng)量方程中增加源項(xiàng)來(lái)模擬計(jì)算域中多孔性材料對(duì)流體的流動(dòng)阻力。該源項(xiàng)由兩部分組成,即黏性阻力項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)。

        黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的計(jì)算方法有好幾種,本文采用Ergun方程計(jì)算通過(guò)層床的阻力系數(shù)。該型方程能較好地結(jié)合孔隙形狀和黏性的影響,其具體形式如下:

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        湍流模型選Realizable k-ε模型,與多孔介質(zhì)階躍面耦合求解這種湍流模型的湍動(dòng)能k和耗散率ε的方程見(jiàn)文獻(xiàn)

        2.2坐標(biāo)系的建立及典型面的選取

        為了分析過(guò)濾器流場(chǎng)分布情況,本文選取了若干典型面進(jìn)行分析。圖2是過(guò)濾器的三維坐標(biāo)圖,其中沿過(guò)濾器長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸,沿高度方向?yàn)閅軸,沿寬度方向?yàn)閆軸,坐標(biāo)軸原點(diǎn)坐標(biāo)(0,0,0)在進(jìn)水口中心處。選取的典型面分別是Z=0 m、X=0.2、0.41、0.51、0.61、1.2 m。Z=0 m斷面是沿濾網(wǎng)軸線上的縱斷面,通過(guò)該斷面,可以直觀、全面地觀察過(guò)濾器內(nèi)部速度和壓強(qiáng)的分布規(guī)律。X=0.2m、X=1.2 m分別是沿濾網(wǎng)軸線上魚(yú)雷頭部和尾部的橫斷面,這兩個(gè)斷面能反映出魚(yú)雷部件對(duì)水流的影響。X=0.41、0.51、0.61 m三個(gè)斷面是出水管附近的橫斷面,出水管對(duì)過(guò)濾器的影響可從這三個(gè)斷面中表現(xiàn)出來(lái),其中,X=0.51 m斷面是過(guò)出水管圓心的橫斷面而X=0.41和0.61 m分別是過(guò)出水管沿X軸方向的最的左端和最右端的橫斷面。

        2.3網(wǎng)格劃分及計(jì)算方法

        模型的建立和網(wǎng)格的劃分在Gambit2.3中進(jìn)行。建模完成后,將過(guò)濾器的網(wǎng)格按塊劃分:進(jìn)口段因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,采用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格;其余部分結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,故采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格總數(shù)量為12萬(wàn)余個(gè)。數(shù)值模擬采用非定常流二階隱式格式;差分格式采用精度更高的二階迎風(fēng)格式;并且采用基于壓力_速度修正算法(SIM PLE);計(jì)算區(qū)域和基本控制方程的離散采用有限體積法。殘差標(biāo)準(zhǔn)為1.0×103,迭代時(shí)間步長(zhǎng)為1.0×10-4s。統(tǒng)一將迭代2萬(wàn)步的數(shù)據(jù)提取出來(lái)對(duì)比分析。

        2.4邊界條件

        因?yàn)楸疚膬H模擬過(guò)濾狀態(tài)下的流場(chǎng),過(guò)濾時(shí)過(guò)濾器尾部的排污口處于關(guān)閉狀態(tài),所以排污口可視為固壁。過(guò)濾器的罐體、管道內(nèi)壁及魚(yú)雷也均按固壁定律進(jìn)行處理。入口屬于孔口進(jìn)水,可近似視為均勻流取來(lái)流方向與x軸正向一致進(jìn)口邊界條件取為:U=u,Y=0,W=0,進(jìn)口斷面平均流速u(mài)由進(jìn)口流量和進(jìn)口面積算出。過(guò)濾器出水管為壓力出口邊界條件,為了能更好的同物理實(shí)驗(yàn)對(duì)比,進(jìn)口流速、出口壓強(qiáng)的設(shè)置均同物理試驗(yàn)(具體物理實(shí)驗(yàn)見(jiàn)第3節(jié)),具體數(shù)值見(jiàn)表1。

        3物理試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

        物理試驗(yàn)裝置按實(shí)際模型1:1制造,試驗(yàn)系統(tǒng)由供水設(shè)備、過(guò)濾設(shè)備及控制設(shè)備等構(gòu)成。供水設(shè)備為蓄水池,由離心泵向過(guò)濾器供水;控制設(shè)備由變頻裝置和閘閥組成,共同控制試驗(yàn)系統(tǒng)的流量大小。通過(guò)控制設(shè)備調(diào)節(jié)不同進(jìn)水口流量值(50、100、150、200、250、300及350 m3/h)。由于清水試驗(yàn)時(shí)過(guò)濾器不會(huì)產(chǎn)生堵塞,故系統(tǒng)過(guò)流量及水頭損失比較穩(wěn)定,監(jiān)測(cè)10 min后,記錄過(guò)濾器的進(jìn)水口壓力表及出水口壓力表的數(shù)值,停機(jī)結(jié)束本次試驗(yàn)。最后整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算水頭損失。

        表2是全自動(dòng)魚(yú)雷網(wǎng)式過(guò)濾器不同工況下的物理試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果。從表中可以看出:(1)水頭損失與進(jìn)流量有關(guān),進(jìn)流量越大水頭損失越大;(21物理試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的最大相對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為8.58%和5.23%,表明數(shù)值模擬具有較好的吻合性。

        4水流流動(dòng)路徑

        圖3(a)為Z=0 m斷面的流線圖。圖中可以觀察到:水流從進(jìn)水管進(jìn)入濾網(wǎng),遇到魚(yú)雷頭部后,四散開(kāi)來(lái)。魚(yú)雷上部的水流先是向魚(yú)雷尾部流去,而后又折回向出水管流去。魚(yú)雷下部的水流和魚(yú)雷上部的水流運(yùn)動(dòng)狀況不同。在魚(yú)雷下部流線大體可分為兩種,一是靠近魚(yú)雷表面的水流越過(guò)出水管流向魚(yú)雷尾部,然后掉頭沿著罐體流向出水口;二是離魚(yú)雷較遠(yuǎn)的水流直接流向出水管,流線呈弧形,并因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)突變,造成水流紊亂,在出水管中產(chǎn)生明顯的漩渦。圖3(a)為X=0.51 m斷面的流線圖。圖中,水流離開(kāi)魚(yú)雷表面,沿著罐體流向出水管,左右兩股水流在出水管中間匯合。

        5不同工況流場(chǎng)對(duì)比

        本文選取較能代表過(guò)濾器運(yùn)行狀態(tài)的兩個(gè)物理量進(jìn)行分析,它們分別是:速度和壓強(qiáng)。限于篇幅,只對(duì)比分析三種工況:100.7 m3/h、201.1 m3/h、299.8 m3/h進(jìn)流量下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

        5.1速度場(chǎng)分析

        5.1.1Z=0 m斷面速度場(chǎng)分析

        圖4為Z=0 m斷面的速度云圖。從圖4可以看出不同工況時(shí)該斷面的速度流場(chǎng)分布規(guī)律比較相似:(1)過(guò)濾器內(nèi)沿X軸流速大小分布不均勻;(2)水流均勻地從進(jìn)水管進(jìn)入濾網(wǎng),當(dāng)水流運(yùn)動(dòng)至魚(yú)雷頭部(X=0.2 m)時(shí),受其阻擋,魚(yú)雷頭部中心點(diǎn)處流速很小。(3)水流沿著魚(yú)雷運(yùn)動(dòng),因?yàn)V網(wǎng)中裝有魚(yú)雷,大大減小了過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,由液體連續(xù)方程可知,當(dāng)流量為定值時(shí),過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減小,流速將會(huì)增大;X=0.25 m處過(guò)水?dāng)嗝婷娣e最小,所以該處的流速最大。(4)水流繼續(xù)沿著魚(yú)雷表面前進(jìn),此時(shí)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e雖然沒(méi)有變化,但流速卻逐漸減小。受排污口固體邊界的影響,沿X軸正方向運(yùn)動(dòng)的液體質(zhì)點(diǎn),與沿X軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)的液體質(zhì)點(diǎn)相互碰撞、摩擦和混摻,從而消耗大量的能量造成水流流速減小。(5)出水管垂直于濾網(wǎng),水流受到出口邊界條件的影響,沿X軸的分速度會(huì)逐漸減小,而Y方向的分速度逐漸增大,所以在出水管拐彎處出現(xiàn)了一段弧形的高流速區(qū)域。在高流速區(qū)域左側(cè),還產(chǎn)生了漩渦。

        不同工況下,Z=0 m斷面速度云圖在局部又有所不同,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)水流在經(jīng)過(guò)魚(yú)雷頭部后,流量越大,魚(yú)雷頭部對(duì)水流的加速效果越明顯。如圖4(a)所示,當(dāng)流量為100.7 m3/h時(shí),流速?gòu)倪M(jìn)水管的1 m/s左右,增加至2 m/s左右;當(dāng)流量為201.1 m3h(圖4b)時(shí),流速?gòu)倪M(jìn)水管的1.8m/s左右,增加至3.8 m/s左右;當(dāng)流量為299.8m3/h(圖4(c))時(shí),流速?gòu)倪M(jìn)水管的2.5 m/s左右,增加至5.5 m/s左右。即當(dāng)流量為100 7、201.1、299.8 m3/h時(shí),水流經(jīng)過(guò)魚(yú)雷頭部后,流速分別增加了約1、2、3 m/s。魚(yú)雷的存在,能明顯增加濾網(wǎng)內(nèi)部水流的流速,這不僅能降低沖洗壓力,還能提高過(guò)濾器的沖洗效率,流量越大,沖洗時(shí)的效果會(huì)越明顯。(2)當(dāng)X>0.086 m時(shí),流量越大,魚(yú)雷上表面的高速水流(為便于比較,文中的“高速水流”是相對(duì)于進(jìn)口水流的流速而言,并不是流速絕對(duì)值的大小,下同1所能持續(xù)的位移越短。因?yàn)榱髁吭酱螅魉僭酱?,在排污管邊界條件(視為固壁)的影響下,沿X軸負(fù)向的液體與正向流動(dòng)的液體相互碰撞所消耗能量也越大,從而高速水流所持續(xù)的位移也就越短。當(dāng)流量為100.7、201.1、299.8 m3/h時(shí),高速水流持續(xù)的位移分別為0.54、0.48、0.4 m。而魚(yú)雷下表面則相反,流量越大,高速水流所能持續(xù)的位移越長(zhǎng),雖然同樣受排污管邊界條件影響下,過(guò)濾器尾部的水流會(huì)沿X軸負(fù)向流動(dòng),但大部分水流并沒(méi)有與沿X軸正向流動(dòng)的水流發(fā)生碰撞,而是直接流向出水管,因此能量損失小,所持續(xù)的位移也就越長(zhǎng)。(3)在出水口拐彎處流量越大弧形的高流速區(qū)域也越大。(4)從圖4可看出,當(dāng)流量為100.7 m3/h時(shí),出水口處的水流流速分布很均勻;當(dāng)流量為201.1m3/h,出水口處的水流流速分布比較均勻;當(dāng)流量為290.8 m3/h時(shí),出水口處的水流流速分布不均勻。造成這些差異的原因是Y=-0.1 m處結(jié)構(gòu)突變,水流方向從沿X正方向運(yùn)動(dòng)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檠豗軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng),造成出水口處水流紊亂出水管固壁會(huì)迫使紊亂的水流完全轉(zhuǎn)變?yōu)檠豗軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)。而流量越大沿X軸方向的流速就越大水流紊亂就越厲害。圖3(a)中因流量小,紊流在很短的一段距離后消除,而圖3(c)中因?yàn)榱髁看?,紊流在出水口處仍未消除?

        5.1.2X=0.2 m斷面速度場(chǎng)分析

        圖5為X=0.2 m斷面的速度場(chǎng)。從圖5中可知,不同流量下魚(yú)雷頭部的流速均是從中心向外逐漸增加,在到達(dá)魚(yú)雷四周邊壁處,即靠近罐體的位置,流速又快速減小。這是由于魚(yú)雷頭部流線型的形狀,具有分流作用,越靠近魚(yú)雷流速越?。煌瑫r(shí)受到過(guò)濾器罐體邊界條件的影響,流速又快速減小。

        從圖5可見(jiàn)進(jìn)流量越大,該斷面最大流速也就越大,如進(jìn)水流量為100.7 m3/h時(shí),水流的最大流速為1.3 m/s,而流量為201.1、299.8 m3/h時(shí)水流的最大流速分別為2 6、3.8 m/s。

        5.1.3X=0041 m和X=0.61 m斷面速度場(chǎng)分析

        圖6、圖7分別為X=0.41、0.61 m斷面的速度云圖。從這兩個(gè)斷面來(lái)看,流場(chǎng)十分相似,流量的不同對(duì)流場(chǎng)的影響十分微小。不管進(jìn)流量是多少,X=0.41、0.61 m斷面中,魚(yú)雷上部的流速均小于魚(yú)雷下部的流速。魚(yú)雷上表面沿y軸正方流速先增大后減?。涸隰~(yú)雷表面流速較小,離開(kāi)魚(yú)雷一段距離后,流速開(kāi)始增大,并保持高流速一直到濾網(wǎng)附近(Y=0.1 m),液體穿過(guò)濾網(wǎng)后能量有所損失,流速開(kāi)始減小,直到頂部罐體附近,流速降到最小。而在魚(yú)雷下表面沿Y軸負(fù)方向,流速也是先增大后減小,只是流速減小并不是因?yàn)榇┻^(guò)濾網(wǎng),而是在受下面罐體固體邊界影響才減小。對(duì)比圖6(a)和圖7(a)(或圖6(b)和圖7(b)或圖6(c)和圖7(c)),過(guò)水?dāng)嗝婷娣e一樣,但是速度卻相差很大,由恒定總流的連續(xù)方程可知,通過(guò)斷面X=0.41 m的流量大于通過(guò)斷面X=0.61 m的流量,因?yàn)椴糠炙魍ㄟ^(guò)斷面X=0.41 m后直接從出口流出。另外從5.1.1節(jié)的分析中可知,X=0.41 m斷面正處于魚(yú)雷頭部對(duì)水流加速的區(qū)域,魚(yú)雷下表面高流速區(qū)域的范圍也很大。因此斷面X=0.41 m的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于斷面X=0.61 m的流速。

        5.1.4X=1.2 m斷面速度場(chǎng)分析

        圖8為X=1.2 m斷面下的速度云圖。從圖8可知,不同流量下魚(yú)雷尾部的速度流場(chǎng)相似,即魚(yú)雷尾部處的水流流速非常小,流速在10-2m/s數(shù)量級(jí)。濾網(wǎng)周?chē)魉倜黠@小于其他區(qū)域的流速,且固體邊界對(duì)流速的影響也變得十分明顯。

        5.2壓強(qiáng)場(chǎng)分析

        5.2.1Z=0m斷面壓強(qiáng)場(chǎng)分析

        圖9為Z=0m斷面的壓強(qiáng)云圖。從圖9可以看出不同工況時(shí)該斷面的壓強(qiáng)場(chǎng)分布規(guī)律大致相同:(1)過(guò)濾器內(nèi)部的壓強(qiáng)大小沿x軸分布不均勻;(2)進(jìn)水管處壓強(qiáng)較大,魚(yú)雷頭部中心部位壓強(qiáng)是整個(gè)斷面上壓強(qiáng)最大的;魚(yú)雷頭部對(duì)水流有阻擋,該處承受很大的壓強(qiáng),且由5.1.1節(jié)分析可知,魚(yú)雷頭部中心處速度很小,由能量守恒定律可知速度越小,則壓強(qiáng)越大。(3)魚(yú)雷尾部壓強(qiáng)相對(duì)出口較大,且較均勻。(4)出水管壓強(qiáng)較小,其中產(chǎn)生漩渦的區(qū)域壓強(qiáng)是整個(gè)斷面上最小的。

        不同工況下,Z=0 m斷面壓強(qiáng)云圖的不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)魚(yú)雷頭部中心壓強(qiáng)明顯高于進(jìn)水口壓強(qiáng),且流量越大,壓強(qiáng)差也越大。(2)該斷面上,濾網(wǎng)的位置為Y=0.1 m(上濾網(wǎng))和Y=-0.1 m(下濾網(wǎng)),在X=0.2~0.6 m處,濾網(wǎng)內(nèi)外側(cè)有很大的壓強(qiáng)差,尤其是下濾網(wǎng)。當(dāng)流量為100.7 m3/h時(shí),壓強(qiáng)差約為3~4 kPa;當(dāng)流量為201.1 m3/h時(shí),壓強(qiáng)差為約為6~10 kPa;當(dāng)流量為299.8 m3/h,壓強(qiáng)約為15~20 kPa。由此可見(jiàn),流量越大,濾網(wǎng)承受的壓強(qiáng)差越大。較大的壓強(qiáng)差固然有利于提高過(guò)濾和沖洗效率,但是也容易將大粒徑的顆粒物沖出濾網(wǎng),進(jìn)入管道系統(tǒng),從而堵塞灌水器,還可能造成濾網(wǎng)變形,降低濾網(wǎng)壽命。另外壓差沿濾網(wǎng)分布不均勻,在濾網(wǎng)前半段壓強(qiáng)差大,后半段壓強(qiáng)差小,容易造成污物快速在壓差大的區(qū)域聚積,而壓差小的區(qū)域堆積的污物就少很多。大壓差區(qū)域網(wǎng)孔被堵塞后,水頭損失陡增,達(dá)到控制器的閾值時(shí),便開(kāi)始沖洗,頻繁的沖洗將降低工作效率。由于出水口位置對(duì)壓強(qiáng)影響很大,故可通過(guò)改變出水口位置來(lái)優(yōu)化過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)。

        5.2.2X=0.2 m斷面壓強(qiáng)場(chǎng)分析

        圖10為X=0.2 m斷面魚(yú)雷頭部的壓強(qiáng)云圖。從圖10可知,不同流量下壓強(qiáng)分布規(guī)律是相同的,即壓強(qiáng)都是從中心向外逐漸減小,但該斷面的最大壓差則不一樣,當(dāng)流量為100.7 m3/h時(shí),最大壓差為4 kP a(如圖10(a)所示),而流量為201.1 m3/h時(shí),最大壓差為14 kPa(如圖10(b)所示),流量為299.8 m3/h時(shí),最大壓差為26 kPa(如圖10(c)所示),可知流量越大,造成魚(yú)雷尾部的壓差也就越大。

        5.2.3X=0.41 m和X=0.61 m斷面壓強(qiáng)場(chǎng)分析

        圖11、圖12分別為X=0.41 m和0.61 m斷面的壓強(qiáng)云圖。圖11、圖12中,壓強(qiáng)分布有幾個(gè)特點(diǎn):(1)濾網(wǎng)內(nèi)部壓強(qiáng)大于濾網(wǎng)外部壓強(qiáng);(2)斷面上半部分壓強(qiáng)明顯大于下半部分壓強(qiáng);(3)壓強(qiáng)最小的位置在斷面的最下面(Y=-0.1~-0.128 m左右),該處正好緊挨著出水管,因此離出水管越近,壓強(qiáng)越小;(4)通過(guò)對(duì)比不同流量同一斷面上最大壓強(qiáng)差發(fā)現(xiàn),流量越大壓強(qiáng)差越大。流量為100.7 m3/h時(shí)最大壓強(qiáng)差為4 kPa,流量為201.1 m3/h、299.8m3/h時(shí)最大壓強(qiáng)差分別為10 kPa、22 kPa;(5)對(duì)比同一流量,X=0.41 m斷面和X=0.61m斷面濾網(wǎng)內(nèi)部壓強(qiáng),當(dāng)流量為100.7 m3/h時(shí)(即對(duì)比圖11(a)、圖12(a)),濾網(wǎng)內(nèi)部壓強(qiáng)分布較均勻,且斷面X=0.41、0.61 m差別不大。當(dāng)流量為201.1 m3/h時(shí)(即對(duì)比圖11(b)、圖12(b)),斷面X=0.41 m濾網(wǎng)內(nèi)部壓強(qiáng)分布較均勻,而斷面X=0.61 m濾網(wǎng)內(nèi)部壓強(qiáng)上小下大,壓強(qiáng)差約為2 kPa。當(dāng)流量為299.8 m3/h時(shí)(即對(duì)比圖11c、圖12(c)),斷面X=0.41 m濾網(wǎng)內(nèi)部壓強(qiáng)上大下小,而斷面X=0.61 m濾網(wǎng)內(nèi)壓強(qiáng)上小下大,壓強(qiáng)差均為2 kPa??梢?jiàn),流量較小時(shí),濾網(wǎng)內(nèi)部壓強(qiáng)分布均勻;隨著流量增加,斷面X=0.41 m濾網(wǎng)內(nèi)部壓強(qiáng)仍然保持均勻分布,斷面X=0.61 m濾網(wǎng)內(nèi)部壓強(qiáng)開(kāi)始發(fā)生變化:下側(cè)壓強(qiáng)逐漸大過(guò)上側(cè)壓強(qiáng);流量進(jìn)一步增大,斷面X=0.41 m濾網(wǎng)內(nèi)部壓強(qiáng)也開(kāi)始發(fā)生變化,上側(cè)壓強(qiáng)逐漸大過(guò)下側(cè)壓強(qiáng)斷面X=0.61 m濾網(wǎng)內(nèi)部壓強(qiáng)則繼續(xù)保持上小下大的狀態(tài)。當(dāng)流量過(guò)大時(shí),濾網(wǎng)內(nèi)壓強(qiáng)有上大下?。ㄈ鐢嗝鎄=0.41 m)也有上小下大(如斷面X=0.61 m)這對(duì)過(guò)濾器的穩(wěn)定運(yùn)行較為不利。

        5.2.4X=1.2 m斷面壓強(qiáng)場(chǎng)分析

        圖13為X=1.2 m斷面的壓強(qiáng)云圖。從圖13可看出魚(yú)雷尾部處濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)的壓強(qiáng)大于濾網(wǎng)外側(cè)的壓強(qiáng),進(jìn)流量越大,對(duì)應(yīng)的濾網(wǎng)內(nèi)外壓強(qiáng)差越大,但總體壓強(qiáng)差很小,僅為1 kPa左右。

        6結(jié)論

        (1)不同進(jìn)流量下過(guò)濾器的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果吻合程度較高,最大相對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為8.58%和5.23%,這表明Realizablek-ε模型和多孔介質(zhì)階躍模型能很好的模擬過(guò)濾器過(guò)濾狀態(tài)的清水流場(chǎng)。

        (2)流量越大,清水的水頭損失也就越大。

        (3)不同流量下,速度和壓強(qiáng)分布規(guī)律大致相同,但流量越大,濾網(wǎng)內(nèi)、外側(cè)的流速差和壓強(qiáng)差也就越大。

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