張 凱，喻黎明，劉凱碩，曹東亮，李 娜，仵 峰

網(wǎng)式過濾器攔截率計(jì)算及其影響因素分析

張 凱，喻黎明，劉凱碩，曹東亮，李 娜※，仵 峰

（昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，昆明 650500）

為了使網(wǎng)式過濾器在工程應(yīng)用中既保持濾網(wǎng)良好滲透率又提高濾網(wǎng)攔截率，該研究通過試驗(yàn)，分析了5種不同入口壓強(qiáng)（0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 MPa）、7種濾網(wǎng)孔徑（125、150、180、210、250、300和350m）及其與砂粒中值粒徑的關(guān)系對(duì)過濾器攔截率的影響。結(jié)果表明：當(dāng)濾網(wǎng)孔徑與砂粒中值粒徑的比值小于一個(gè)閾值（∈[1.80,1.88]）時(shí)，攔截率隨著濾網(wǎng)孔徑增大而增大，當(dāng)該值大于此閾值時(shí)，攔截率隨著濾網(wǎng)孔徑的增大而減?。贿^濾器的入口壓強(qiáng)越大，過濾器攔截率越大，入口壓強(qiáng)對(duì)過濾器攔截率有顯著影響，被攔截砂粒在出口側(cè)分布越集中；入口壓強(qiáng)從0.02 MPa提高到0.10 MPa，250m濾網(wǎng)攔截率提升38.49%，而125m濾網(wǎng)攔截率提升88.94%；250m濾網(wǎng)在0.10 MPa入口壓強(qiáng)下15 min末出水砂粒粒徑組成與180m、0.02 MPa下初始出水砂粒粒徑組成相似，在短時(shí)間的灌溉應(yīng)用上，可調(diào)整入口壓強(qiáng)而不需要調(diào)整設(shè)備來滿足灌溉要求，研究為實(shí)際灌溉工程中提高過濾器攔截率和過濾效果提供了參考。

壓強(qiáng)；過濾器；灌溉；攔截率；濾網(wǎng)孔徑；中值粒徑；攔截位置

0 引 言

隨著大規(guī)模高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的建設(shè)，微灌節(jié)水灌溉系統(tǒng)將被大規(guī)模推廣。過濾器是保證微灌系統(tǒng)正常運(yùn)行，防止其堵塞，延長其使用壽命的核心設(shè)備之一[1-2]。網(wǎng)式過濾器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用便利、制造成本低、使用效益高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于微灌系統(tǒng)中。

近年來，學(xué)者們針對(duì)網(wǎng)式過濾器開展了大量研究并取得可觀成果。在水力性能方面，宗全利等[3]研究表明，過濾器的局部水頭損失變化受到過濾流量、過濾時(shí)間、水源含沙量的影響；李曼等[4]分析了進(jìn)水流量與水頭損失的定量關(guān)系；秦天云等[5]探究了流量、濾網(wǎng)孔徑與水頭損失的關(guān)系；石凱等[6]探究不同進(jìn)水流量下含沙量對(duì)水力性能的影響；Wu等[7]構(gòu)建出考慮水流流速和濾網(wǎng)孔徑的水頭損失模型；Anthony等[8]認(rèn)為過濾器水頭損失對(duì)流速變化敏感。在堵塞機(jī)理方面，喻黎明等[9]認(rèn)為流速、入口壓強(qiáng)和顆粒粒徑對(duì)濾網(wǎng)局部堵塞有顯著影響；楊洪飛等[10]總結(jié)得出影響濾網(wǎng)堵塞的原因如水源雜質(zhì)、濾網(wǎng)類型等；宗全利等[11]表明，水流流量越大，含沙量越高，濾網(wǎng)孔徑越小則過濾器堵塞速度越快。此外，在過濾性能[12-14]和過濾器的研發(fā)[15-18]方面也有較多成果。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的成熟，已有學(xué)者將此技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場、壓力場、水力性能等的模擬分析[19-23]。綜上，水流流速、壓強(qiáng)、濾網(wǎng)孔徑和顆粒粒徑被認(rèn)為是影響過濾器各項(xiàng)性能的主要因素。在實(shí)際灌溉工程應(yīng)用中，壓強(qiáng)、濾網(wǎng)孔徑和灌溉水中泥沙顆粒粒徑這3個(gè)因素已成為過濾器選型和灌溉參數(shù)設(shè)置時(shí)首先考慮的重要因素，然而，尚未發(fā)現(xiàn)有研究深入分析三者與過濾器泥沙攔截率之間的關(guān)系。

因此，本文以微灌系統(tǒng)中廣泛使用的Y型網(wǎng)式過濾器為研究對(duì)象，試驗(yàn)分析過濾器入口壓強(qiáng)、濾網(wǎng)孔徑和砂粒中值粒徑與過濾器攔截過程，攔截率和濾網(wǎng)攔截位置的關(guān)系，以期為灌溉工程應(yīng)用中合理使用過濾器以提升過濾性能提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)用Y型式過濾器為一種常用過濾器，購自上海悉邁自控閥門有限公司，型號(hào)為SY11-(16-64)，其結(jié)構(gòu)和尺寸見圖1。過濾器運(yùn)行原理如下：承壓含沙水從A端進(jìn)入，經(jīng)濾芯入口B進(jìn)入濾芯，經(jīng)過濾從出口面C和過濾器D端流入下級(jí)管道，而無法通過濾網(wǎng)的沙粒則被攔截在濾芯中。

云南省內(nèi)金沙江石鼓水文站統(tǒng)計(jì)金沙江多年平均含沙量為0.60 kg/m3，南盤江小龍?zhí)端恼窘y(tǒng)計(jì)南盤江多年平均含沙量為0.59 kg/m3。喻黎明等[9,11]研究中試驗(yàn)用水含砂量為0.60 kg/m3。

使用城市自來水和石英砂配制灌溉用水。石英砂具有性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，可以保證進(jìn)入管道和過濾器的砂粒粒徑不受攪拌器和離心泵等試驗(yàn)裝置的影響，因而購買石英砂配制灌溉水泥沙用于本研究。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

過濾器孔徑設(shè)計(jì)：試驗(yàn)選擇了微灌系統(tǒng)中使用最廣泛、最具代表性的孔徑（125～250m），在此之上稍做浮動(dòng)以擴(kuò)大研究范圍，最終設(shè)計(jì)了7種過濾器濾網(wǎng)孔徑，分別為125、150、180、210、250、300和355m，對(duì)應(yīng)的濾網(wǎng)目數(shù)分別為120、100、80、60、70、50和45。

壓強(qiáng)設(shè)計(jì)：試驗(yàn)用過濾器為微灌系統(tǒng)的中、末級(jí)過濾器，滴灌時(shí)工作水頭常低于10 m，涌泉灌常為4～8 m，故設(shè)計(jì)入口壓強(qiáng)為0.02～0.10 MPa。

灌溉水中砂粒粒徑設(shè)計(jì)：灌溉水末級(jí)管道中沙粒粒徑小于125m，中級(jí)管道小于250m，適當(dāng)擴(kuò)大研究范圍，確定中值粒徑取值范圍為60～300m，分別為60、80、100、120、140、150、160、180、210、230、250、270、300m。

圖2展示了50（即累積體積為50%時(shí)的對(duì)應(yīng)粒徑）為180m的試驗(yàn)用砂級(jí)配，其10（即累積體積為10%時(shí)的對(duì)應(yīng)粒徑）對(duì)應(yīng)63.84m，75）累積體積為75%時(shí)的對(duì)應(yīng)粒徑）對(duì)應(yīng)261.11m，90（即累積體積為90%時(shí)的對(duì)應(yīng)粒徑）對(duì)應(yīng)344.56m。180m中值粒徑試驗(yàn)中砂粒粒徑主要集中分布在65～500m，其中65～280m粒徑的砂粒量占總砂量的70%。其余試驗(yàn)用砂的粒徑組成隨中值粒徑變化等值變化。

開展全因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，全因素試驗(yàn)通過輪流控制1個(gè)因素不變對(duì)另外2個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)，分別探究各因素對(duì)過濾器攔截率的影響、分析攔截過程和攔截率成因、探究攔截位置形成的規(guī)律；三因素三水平正交試驗(yàn)旨在分析各因素對(duì)攔截率影響的程度，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。各處理均進(jìn)行3次重復(fù)。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

1.3 試驗(yàn)過程

在昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院農(nóng)業(yè)水利實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。供水裝置為圓柱形不銹鋼蓄水桶，高0.6m，直徑0.6m，總?cè)莘e為0.17m3，水桶內(nèi)裝有攪拌器以保證進(jìn)水含砂均勻穩(wěn)定。離心泵揚(yáng)程為35m，提供穩(wěn)定的水流，調(diào)節(jié)導(dǎo)水管和回流管上的球閥實(shí)現(xiàn)入口壓強(qiáng)和水流流速的控制。壓力表測量范圍是0～0.10 MPa。使用內(nèi)徑為20 mm導(dǎo)水鋼管和軟管將上述設(shè)備按圖3順序連接組裝。

全因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)均在室溫條件下進(jìn)行，使用相同的設(shè)備。試驗(yàn)裝置是一個(gè)完整的循環(huán)過濾系統(tǒng)，試驗(yàn)前，預(yù)設(shè)水流入口壓強(qiáng)、流速，安裝濾網(wǎng)。試驗(yàn)時(shí)，水流在離心泵的作用下從蓄水桶進(jìn)入導(dǎo)水管和分壓管，進(jìn)入分壓管的水流直接回到蓄水桶中，進(jìn)入導(dǎo)水管中的水經(jīng)過濾器后流入回流管，然后回到蓄水桶中進(jìn)行下個(gè)循環(huán)。30 min后，關(guān)閉系統(tǒng)，打開過濾器取出濾芯，記錄濾網(wǎng)上砂粒攔截位置，并將濾網(wǎng)內(nèi)攔截下來的砂粒完全沖洗至燒杯內(nèi)。試驗(yàn)期間，攪拌器需持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)以保證砂粒在蓄水桶中均勻分布。

此外，全因素試驗(yàn)還需在每組試驗(yàn)開始后，每隔5min通過取水口取500mL出水水樣，共7瓶水樣，測定水樣砂粒級(jí)配用于分析攔截過程。所有被攔截下來的砂粒在粒徑分析和稱干質(zhì)量后重新放回到蓄水桶中，以保證蓄水桶中試驗(yàn)用水含砂量基本不變。

1.4 指標(biāo)測定和計(jì)算

1.4.1 流速和總過流量

采用HQLDE-25SM1F110-12電磁流量計(jì)（江蘇紅旗儀表有限公司）測定流速和總過流量，流速測量范圍在0.04～15m/s，流速分辨率為0.5mm/s。

1.4.2 含沙量、泥沙級(jí)配及粒徑分布

通過烘干法測得泥沙干質(zhì)量。使用Malvern激光粒度分析儀2000（MalvernInstrumentsLtd.，UK）分析泥沙級(jí)配及粒徑分布，粒度分析儀的測量范圍為0.02～2 000m。顆粒尺寸按升序排列，當(dāng)累積體積為10%、25%、50%、75%和90%時(shí)，測得沉積物中的最大粒徑分別表示為10、25、50、75和90。試驗(yàn)用砂為石英砂，具有良好親水性，且石英砂粒子相互之間粘合力較小無法在水中聚集粘合，通過超聲震蕩就可以很好地形成懸濁液，所以使用激光粒度儀分析粒徑時(shí)無需加入分散劑。

1.4.3 攔截率

本文將本應(yīng)通過但未通過濾網(wǎng)的砂粒被攔截的現(xiàn)象稱為攔截現(xiàn)象，則本應(yīng)通過但未通過濾網(wǎng)的砂粒質(zhì)量與總應(yīng)通過濾網(wǎng)砂粒質(zhì)量的比值即攔截率。

=/()×100%（1）

式中為攔截率，%；為通過激光粒度儀分析得到小于網(wǎng)孔尺寸的砂粒質(zhì)量占全部被攔截砂粒質(zhì)量的百分比，%；為干燥處理后被攔截砂粒的質(zhì)量，kg；為蓄水桶含砂水中小于濾網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸砂粒質(zhì)量占桶中全部砂粒質(zhì)量的百分比，%；為試驗(yàn)過程中的總過流量，m3；為試驗(yàn)用水含砂量，kg/m3。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel軟件編輯公式計(jì)算攔截率；使用Origin軟件作圖，分析過濾器攔截過程和各因素對(duì)攔截率的影響；正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Design-Expert軟件進(jìn)行分析；使用Matlab軟件編程進(jìn)行擬合、誤差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 過濾器攔截過程分析

對(duì)不同時(shí)段出水水樣進(jìn)行粒度分析，發(fā)現(xiàn)不同孔徑和壓強(qiáng)條件下出水砂粒徑隨時(shí)間變化有類似規(guī)律。故以250和150m濾網(wǎng)，0.02 MPa入口壓強(qiáng)試驗(yàn)組為樣本，闡述0～30 min內(nèi)不同時(shí)段出水砂粒粒徑組成，分析過濾器攔截過程，如圖4所示。

試驗(yàn)運(yùn)行的初始狀態(tài)，小于過濾器網(wǎng)孔孔徑的砂?？梢皂樌ㄟ^濾網(wǎng)。如圖4a，試驗(yàn)開始時(shí)，出水砂粒50為111.37m、75為171.75m、90為235.85m，100為250m，圖4b中顯示砂粒體積百分?jǐn)?shù)峰值粒徑為144.01m，此時(shí)出水砂粒粒徑各特征值（50、75、90）較大，與水源砂粒粒徑比較，只有大于濾網(wǎng)孔徑的砂粒被濾網(wǎng)截留。

5min末出水砂粒50為98.54m、75為152.25m、90為209.34m，砂粒體積百分?jǐn)?shù)峰值粒徑為134.36m，相較初始狀態(tài)，5min末出水砂粒各特征值有所減小。是因?yàn)樵谠囼?yàn)的0～5 min內(nèi)，更多的砂粒隨著水流進(jìn)入過濾器，其中大于濾網(wǎng)孔徑的砂粒被攔截下來，一部分堵在濾網(wǎng)網(wǎng)孔上，一部分在水流壓力下附著在濾網(wǎng)出口面；另外，一些大小與網(wǎng)孔孔徑相似的砂粒由于形態(tài)不規(guī)則，前小后大，前窄后寬，其頭部通過網(wǎng)孔尾部無法通過而嵌在濾網(wǎng)上堵塞網(wǎng)孔。此時(shí)取出濾網(wǎng)觀察可以看到網(wǎng)孔堵塞現(xiàn)象，濾網(wǎng)開始初步堵塞，出水砂粒粒徑組成開始變小，砂粒體積分?jǐn)?shù)峰值對(duì)應(yīng)的粒徑開始變小，部分小于濾網(wǎng)孔徑但粒徑較大的砂粒開始被攔截。

5～15min越來越多大于濾網(wǎng)孔徑的砂粒被攔截，濾網(wǎng)已經(jīng)形成初步堵塞，此時(shí)取出濾網(wǎng)觀察發(fā)現(xiàn)這些砂粒一部分可能是直接以“架橋”的形式覆蓋在原本通暢的網(wǎng)孔上面使其無法繼續(xù)發(fā)揮過濾作用，另一部分在水流壓力和顆粒間的粘合力共同作用下開始在網(wǎng)面上進(jìn)行堆積，并固定在濾網(wǎng)表面。堵塞部分由于砂粒的堆積和“架橋”其實(shí)際過水通道尺寸已經(jīng)小于濾網(wǎng)孔徑，部分小于網(wǎng)孔孔徑但大于實(shí)際過水通道尺寸的砂粒被攔截下來，此時(shí)攔截率開始變大，而未被堵塞的部分發(fā)揮正常的過濾作用并且開始重復(fù)上述堵塞過程。

15～30min，更多砂粒被攔截在濾網(wǎng)表面，砂粒之間聚集層疊使實(shí)際過水通道尺寸進(jìn)一步變小，濾網(wǎng)只能通過更小的砂粒，大部分較大粒徑砂粒被攔截下來，從而形成穩(wěn)定的濾餅，出水砂粒級(jí)配較初始狀態(tài)大幅減小并趨于穩(wěn)定。此時(shí)過濾器的攔截效果顯著。如圖4a，30min末出水砂粒50為57.58m、75為87.98m、90為119.98m，圖4b顯示15 min末砂粒體積百分?jǐn)?shù)峰值粒徑為75.94m，對(duì)比初始狀態(tài)，30min末出水粒徑的50、75、90分別減少48.30%、48.77%、49.13%，砂粒體積百分?jǐn)?shù)峰值粒徑減少47.27%，粒徑最大值從250m下降至230m。圖4c和圖4d中顯示出同樣的變化規(guī)律?？芍?，在濾網(wǎng)的攔截作用下，過濾器的實(shí)際過濾精度大于其期望過濾精度，過濾效果更好。

2.2 攔截率計(jì)算數(shù)值分析

全試驗(yàn)中濾網(wǎng)孔徑、入口壓強(qiáng)和砂粒中值粒徑與過濾器攔截率的關(guān)系如圖5所示。

從圖5a可以看出，濾網(wǎng)孔徑和中值粒徑確定時(shí)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)過濾器攔截率隨著入口壓強(qiáng)的增大而增大。對(duì)入口壓強(qiáng)進(jìn)行方差分析得=0.006，對(duì)欄截率影響極為顯著。125m濾網(wǎng)在入口壓強(qiáng)為0.02 MPa時(shí)濾網(wǎng)攔截率為23.42%，0.10 MPa壓強(qiáng)下則為44.25%，比0.02 MPa時(shí)提升88.94%。250m濾網(wǎng)在入口壓強(qiáng)為0.02 MPa時(shí)攔截率為47.59%，0.10 MPa壓強(qiáng)時(shí)則為65.91%，比0.02 MPa壓強(qiáng)時(shí)提升38.49%。355、300、210、180和150m濾網(wǎng)則分別提升44.18%、39.11%、49.06%、56.12%和58.89%。

圖5a也顯示125～300m孔徑的濾網(wǎng)在入口壓強(qiáng)一定時(shí)，攔截率隨著濾網(wǎng)孔徑增大而增大，但濾網(wǎng)孔徑達(dá)到355m時(shí)，攔截率反而有了大幅度下跌，濾網(wǎng)孔徑的方差分析=0.043，影響顯著。圖5b顯示在入口壓強(qiáng)一定時(shí)，隨著沙粒中值粒徑增大，各孔徑條件下的攔截率先是在某個(gè)水平波動(dòng)，然后在某個(gè)特定區(qū)間陡增，然后再次進(jìn)入相對(duì)平穩(wěn)的波動(dòng)狀態(tài)，平穩(wěn)區(qū)間中值粒徑的方差分析=0.59，即中值粒徑對(duì)攔截率影響不顯著。

但對(duì)陡增區(qū)間分析發(fā)現(xiàn)此變化的關(guān)鍵在于濾網(wǎng)孔徑-中值粒徑比（）。計(jì)算所有陡增區(qū)間兩端值發(fā)現(xiàn)，對(duì)于180m孔徑和100m中值粒徑，值為1.80，300m孔徑和160m中值粒徑的值為1.88。1.80～1.88區(qū)間條件下的濾網(wǎng)孔徑-中值粒徑比符合圖5b的陡增條件，即小于該區(qū)間時(shí)，攔截率處于較低水平，高于該區(qū)間處于較高水平。因此，對(duì)濾網(wǎng)孔徑-中值粒徑比建模探究各因素與攔截率的關(guān)系。

2.3 各因素與攔截率的關(guān)系

由2.2節(jié)可知，濾網(wǎng)孔徑與中值粒徑50的比值為即=/50，對(duì)攔截率劇變有影響，0<<（為常數(shù)且∈[1.80,1.88]）時(shí)，攔截率隨增大而增大，>變化相反。為確定入口壓強(qiáng)、和攔截率的關(guān)系，使用Matlab編程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，在0<<，入口壓強(qiáng)為0.06 MPa時(shí)：

=?6.89×10-63+4.43×10-32?0.729+70.9 (2=0.99) （2）

式中為攔截率，%；為濾網(wǎng)孔徑，m。

改變?nèi)肟趬簭?qiáng)擬合后發(fā)現(xiàn)式（2）中常數(shù)項(xiàng)取值不同。使用250m濾網(wǎng)，對(duì)0.02～0.10 MPa入口壓強(qiáng)和常數(shù)項(xiàng)1進(jìn)行擬合得其表達(dá)式為

1=2.36×102+56.7 (2=0.94)（3）

將式（3）代入式（2）得

=?6.89×10-63+4.43×10-32?0.729+2.36×102+56.7（0<<）（4）

當(dāng)>，入口壓強(qiáng)0.06 MPa時(shí)，不同孔徑濾網(wǎng)和350m濾網(wǎng)在0.02～0.10 MPa入口壓強(qiáng)下的擬合關(guān)系式為

=5.25×10-63?2.57×10-32+0.271+1.64×102+22.8 （5）

綜上，入口壓強(qiáng)、濾網(wǎng)孔徑與攔截率關(guān)系如下：

使用0.05 MPa入口壓強(qiáng)，120m中值粒徑試驗(yàn)組數(shù)據(jù)均值，對(duì)比攔截率計(jì)算值，結(jié)果見表2。對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，相對(duì)誤差絕對(duì)值平均為3.20%，2為0.94，模型準(zhǔn)確度較高，具有可靠性。

表2 基于式（6）的攔截率計(jì)算值和試驗(yàn)值比較

2.4 入口壓強(qiáng)對(duì)攔截率的影響

入口壓強(qiáng)對(duì)攔截率有極顯著的影響，對(duì)比250m濾網(wǎng)不同入口壓強(qiáng)出水砂粒徑，分析入口壓強(qiáng)對(duì)攔截率影響成因。

圖6a中，0.02 MPa入口壓強(qiáng)條件下出水砂粒體積累積百分?jǐn)?shù)曲線隨時(shí)間變化比較均勻，0～20min內(nèi)不同時(shí)間曲線差值穩(wěn)定，最后10min曲線差值急劇變小。圖6b顯示的出水砂粒體積百分?jǐn)?shù)曲線和峰值對(duì)應(yīng)的粒徑的變化規(guī)律與圖6a相同。圖6a中當(dāng)累積百分?jǐn)?shù)達(dá)到100%時(shí)，20min開始曲線在239.8m粒徑處重疊，此重疊點(diǎn)為臨界點(diǎn)，即20 min后過濾效果穩(wěn)定，出水粒徑最大值為239.8m。說明在此條件下濾網(wǎng)堵塞較慢，前20min濾餅在濾網(wǎng)上逐漸堆積造成了出水砂粒粒徑分布均勻變化的現(xiàn)象，20min后形成濾餅，出水粒徑分布開始穩(wěn)定。

圖6c，入口壓強(qiáng)為0.06 MPa時(shí)曲線在前15min內(nèi)變化均勻，15min后變化趨勢減緩變化幅度減小。圖6d同樣顯示試驗(yàn)前15min曲線和峰值粒徑變化大且均勻，15 min后曲線密集重疊，變化較小。砂粒體積累積百分?jǐn)?shù)達(dá)到100%時(shí)，15min開始曲線在230.7m處重疊，即15 min過后過濾效果穩(wěn)定，此時(shí)出水粒徑最大值為230.7m。相較0.02 MPa，濾餅形成和堵塞時(shí)間提前，出水砂粒級(jí)配穩(wěn)定后出水粒徑最大值減小。

圖6e，壓強(qiáng)在0.10 MPa時(shí)，曲線在前10min變化明顯、均勻，10min后變化減小，圖6f則顯示在試驗(yàn)10 min后曲線變化小，出水砂粒粒徑分布逐漸穩(wěn)定，砂粒體積累積百分?jǐn)?shù)達(dá)到100%時(shí)，從10 min時(shí)開始曲線在212.9m處重疊，即10min過后過濾效果穩(wěn)定，此時(shí)出水粒徑最大值為212.9m。相較0.02和0.06 MPa，濾餅形成時(shí)間和堵塞時(shí)間最早，穩(wěn)定后出水粒徑最大值最小，攔截效果形成最早，攔截率最大。

對(duì)比分析可知（圖6），形成入口壓強(qiáng)對(duì)攔截率影響顯著的原因一方面是壓強(qiáng)增大流速增大，進(jìn)水量和進(jìn)砂量增大，堵塞加速，濾餅形成速度加快，攔截現(xiàn)象的出現(xiàn)變?cè)?。另一方面，砂粒隨著高壓高速水流進(jìn)入過濾器，濾網(wǎng)出口面由最初的通暢狀態(tài)逐漸堵塞，過濾器內(nèi)部流場由于堵塞產(chǎn)生變化。根據(jù)喻黎明等[19]的研究，水流到達(dá)濾網(wǎng)面后由于網(wǎng)面堵塞一部分水流不會(huì)通過濾網(wǎng)出口面而是改變流向，流往過濾器下端部，最終在過濾器內(nèi)部形成回流區(qū)和旋渦區(qū)。壓強(qiáng)越大流速越大，回流區(qū)越大，一些細(xì)小砂粒隨水流進(jìn)入回流區(qū)和旋渦區(qū)后難以從中脫離，其數(shù)量不斷增加最終在重力作用下進(jìn)入過濾器下端部的滯留區(qū)中從而被過濾器攔截下來。

2.5 入口壓強(qiáng)對(duì)攔截位置的影響

試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束后，拆下濾網(wǎng)觀察濾網(wǎng)表面堵塞情況，見圖7。

觀察250m濾網(wǎng)在不同入口壓強(qiáng)條件下濾網(wǎng)面的堵塞情況。圖7a顯示，在入口壓強(qiáng)為0.02 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)流速為0.98m/s，此時(shí)濾網(wǎng)面上堵塞面積最大，砂粒堵塞位置分布最為分散。圖7b中壓強(qiáng)為0.06 MPa，流速為1.82 m/s時(shí)，濾網(wǎng)面堵塞面積變小，砂粒堵塞位置分布較0.02 MPa條件下集中。圖7c壓強(qiáng)達(dá)到0.10 MPa，流速2.33 m/s時(shí)，濾網(wǎng)面上砂粒堵塞位置最集中，堵塞面積最小?？梢?，入口壓強(qiáng)和流速越大，被攔截在濾網(wǎng)面上的砂粒分布越集中。該現(xiàn)象與喻黎明等[9]的數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

2.6 正交試驗(yàn)攔截率計(jì)算結(jié)果與分析

使用Design-Expert對(duì)正交試驗(yàn)攔截率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析，結(jié)果見表3和表4。

表3 濾網(wǎng)攔截率正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

表4 濾網(wǎng)攔截率正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果

注（Note）：0.05=19.00.01=99

由表3可知，影響濾網(wǎng)攔截率因素的主次順序?yàn)槿肟趬簭?qiáng)、濾網(wǎng)孔徑、砂粒中值粒徑。但根據(jù)表4可知，濾網(wǎng)孔徑和入口壓強(qiáng)對(duì)攔截率影響顯著，且入口壓強(qiáng)對(duì)攔截率影響極為顯著，而中值粒徑影響不顯著。在選取較優(yōu)生產(chǎn)條件時(shí)應(yīng)該在保證灌溉過濾精度和過流量要求，滿足<的前提下，盡量選取較大的流速和較大的濾網(wǎng)孔徑。

3 討 論

本研究使用250m孔徑濾網(wǎng)，在最小入口壓強(qiáng)0.02 MPa條件下，濾餅形成慢，濾網(wǎng)堵塞最慢，20min后出水砂粒級(jí)配開始穩(wěn)定，20～30min出水砂粒級(jí)配變化小，其他濾網(wǎng)孔徑和入口壓強(qiáng)條件下濾餅形成速度和濾網(wǎng)堵塞速度均快于該條件（圖6a），說明試驗(yàn)時(shí)間取30min合理。試驗(yàn)結(jié)束后打開過濾器取出濾芯，在濾網(wǎng)上觀察不到明顯的濾餅，這是因?yàn)槿〕鰹V芯后濾餅失去水流壓力的維持，石英砂之間的相互粘合力又不能夠支撐濾餅自身的質(zhì)量導(dǎo)致其從濾網(wǎng)表面脫落并沉積到過濾器下端部。為了驗(yàn)證上述現(xiàn)象，對(duì)過濾器下部沉積的砂粒進(jìn)行粒度分析，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)上層的砂粒粒徑較大，下層的砂粒粒徑較小，分層位置約在端部2/3處。原因是在試驗(yàn)運(yùn)行中較小的砂粒被水流裹挾進(jìn)入回流區(qū)和旋渦區(qū)，最終逐漸沉積在過濾器下端部的滯留區(qū)內(nèi)，這部分細(xì)小的砂粒率先沉積在下層。試驗(yàn)結(jié)束后，取出濾芯的過程中濾網(wǎng)上攔截的較大砂粒隨著濾餅的脫落最終也落到了過濾器下端部并且覆蓋在之前沉積的較小砂粒上，形成了下端部沉積砂粒上大下小的分層現(xiàn)象。

文棋[24]提出了計(jì)算過濾器過濾介質(zhì)壓降、濾餅壓降和總壓降的計(jì)算公式并詳細(xì)分析了過濾器的過濾機(jī)理。宗全利等[11]通過測量濾餅厚度、濾餅干濕密度和孔隙率分析濾網(wǎng)堵塞和濾餅形成過程，并提出濾網(wǎng)孔徑和含沙量是影響濾網(wǎng)堵塞的重要因素。本文在研究攔截現(xiàn)象時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)了上述研究提出的過濾器的介質(zhì)堵塞和濾餅堵塞現(xiàn)象，濾網(wǎng)孔徑和含沙量對(duì)濾網(wǎng)堵塞的影響也類似于上述研究。但由于試驗(yàn)結(jié)束后取出濾芯的過程中濾餅會(huì)發(fā)生脫落難以直接觀測分析，故本文采用測量試驗(yàn)過程中不同時(shí)段出水砂粒粒徑級(jí)配從而間接分析過濾器運(yùn)行過程中的堵塞過程和濾餅的形成過程，并探究了入口壓強(qiáng)對(duì)濾網(wǎng)堵塞和攔截現(xiàn)象的影響。相較于含沙量和濾網(wǎng)孔徑對(duì)濾網(wǎng)堵塞的影響，入口壓強(qiáng)和流速對(duì)濾網(wǎng)堵塞和攔截現(xiàn)象的影響對(duì)實(shí)際灌溉生產(chǎn)意義更大。在灌溉生產(chǎn)中入口壓強(qiáng)和流速直接影響灌溉水頭、灌溉效率和節(jié)能效果。本文通過探究入口壓強(qiáng)和流速對(duì)攔截率的影響得到入口壓強(qiáng)大的情況下過濾器的實(shí)際過濾精度要高于其期望精度，從而在實(shí)際灌溉生產(chǎn)中，可調(diào)整入口壓強(qiáng)來滿足一定范圍內(nèi)的過濾需求，而不需要調(diào)整設(shè)備。

本文試驗(yàn)結(jié)果顯示，過濾器入口壓強(qiáng)越大，水流流速越大，過濾器的攔截率越大，攔截效果越好。在高入口壓強(qiáng)條件下由于攔截率大，攔截效果佳，此時(shí)出水含沙粒徑小，清潔度高，使得灌溉系統(tǒng)使用壽命延長，降低設(shè)備更換維護(hù)成本，此外高入口壓強(qiáng)條件下灌溉效率更高，降低了灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行成本。但是在實(shí)際灌溉中入口壓強(qiáng)不可能無限制增大，過高的入口壓強(qiáng)勢必會(huì)造成過濾器堵塞快，沖洗頻率高，水頭損失大，流量損失大，水流通過率減小，濾網(wǎng)破損等矛盾現(xiàn)象。因此在實(shí)際灌溉中可以選擇較大的濾網(wǎng)孔徑配合較大的入口壓強(qiáng)，因?yàn)槿肟趬簭?qiáng)大的情況下過濾器的實(shí)際過濾精度要高于其期望精度，例如250m濾網(wǎng)在0.10 MPa入口壓強(qiáng)的過濾條件下15 min末出水砂粒徑組成與180m濾網(wǎng)0.02 MPa入口壓強(qiáng)條件下初始出水砂粒粒徑組成相似，而此時(shí)的流量損失為8.29%，完全滿足灌溉需求。同時(shí)濾網(wǎng)孔徑大水流通過率高，堵塞慢，沖洗頻率較低，故在參考灌溉要求和過濾精度要求后可以在<的前提下適當(dāng)選取較大孔徑的濾網(wǎng)配合較大的入口壓強(qiáng)，以提高濾網(wǎng)攔截率，增大濾網(wǎng)滲透率，提高灌溉效率，降低濾網(wǎng)沖洗頻率。在大入口壓強(qiáng)條件下濾網(wǎng)堵塞出現(xiàn)集中分布的現(xiàn)象，在砂粒集中分布區(qū)域?yàn)V餅形成速度快，濾網(wǎng)堵塞速度快。因此可以考慮降低出口面骨架密度、將出口段做成前大后小的圓錐或圓弧形狀，以增加過流面積，從而達(dá)到減緩過濾器堵塞速度，提高過濾器使用性能。

4 結(jié) 論

1）在濾網(wǎng)孔徑和砂粒中值粒徑確定時(shí)，網(wǎng)式過濾器的入口壓強(qiáng)越大，其攔截率越大，入口壓強(qiáng)對(duì)過濾器攔截率的影響顯著。在實(shí)際灌溉生產(chǎn)中，可通過調(diào)整入口壓強(qiáng)來滿足一定范圍內(nèi)的過濾精度需求，而不需要調(diào)整設(shè)備。

2）濾網(wǎng)孔徑-中值粒徑比小于常數(shù)（∈[1.80,1.88]）時(shí)，攔截率隨著濾網(wǎng)孔徑的增大而增大。此情況下濾網(wǎng)實(shí)際的過濾精度要高于期望精度。因此在參考灌溉要求和過濾精度后，在此前提下，根據(jù)實(shí)際情況選取濾網(wǎng)孔徑應(yīng)該小于比值常數(shù)與中值粒徑的積，以保證灌溉要求和過濾精度要求的同時(shí)提高過濾器攔截率，提高灌溉效率，降低濾網(wǎng)沖洗頻率。大于常數(shù)時(shí)，攔截率隨著濾網(wǎng)孔徑的增大而減小。此時(shí)由于濾網(wǎng)孔徑過大，濾網(wǎng)對(duì)沙粒的攔截效果下降，實(shí)際灌溉中應(yīng)避免這種情況出現(xiàn)。

3）在過濾過程中水流流速越大，砂粒被攔截的位置越集中，砂粒集中分布在出口側(cè)，從而逐漸堵塞過濾器。因此可以考慮降低出口面骨架密度、將出口段做成前大后小的圓錐形狀或圓弧形狀以增大出口面面積和過流面積，從而達(dá)到減慢過濾器堵塞速度，提高過濾器使用性能的效果。

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Calculation of interception rate of mesh filter and analysis of its influencing factors

Zhang Kai, Yu Liming, Liu Kaishuo, Cao Dongliang, Li Na※, Wu Feng

(,,650500,)

This study analyzed effects of inlet pressure, filter screen aperture and median particle size of sand on interception rates of filters in order to maintain the good permeability of filter screens and improve the interception rate of the filter screen in the engineering application of the screen filter. A full test and a three-factors-and-three-level orthogonal test were conducted. Five different inlet pressures were designed including 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.10 MPa. Seven kinds of filter screen apertures were 125, 150, 180, 210, 250, 300 and 350m. The median particle size was from 60 to 300m. The results showed that the cake produced in the filtration process was the main reason of the interception phenomenon. The larger the inlet pressure of the filter tended to lead to more significant interception phenomenon and the higher interception rate. The inlet pressure had a very significant impact on the interception rate of the filter. The interception rate increased with the increase of the filter screen aperture when the ratio of the filter screen aperture to the median size of sand was less than a critical range from 1.80 to 1.88. However, the interception rate decreased with the increase of the filter screen aperture when the ratio was higher than the critical range. A model of intercept rate estimation was fitted with the determination of coefficient of 0.94, indicating that the model has a high accuracy. The larger inlet pressure of the filter could result in the more concentrated distribution of intercepted sand particles at the outlet. It indicated that filter performance could be improved by reducing the skeleton density of the filter element at the outlet and designing the filter outlet segment into a circular arc shape with a large front and a small rear to increase the water passing area at the outlet. When the inlet pressure increased from 0.02 MPa to 0.10 MPa, the interception rate of 250m filter increased by 38.49%, while that of 125m filter increased by 88.94%. At the 15 min of the experiment, the composition of the sand particle size in the outlet water from the 250m filter under the inlet pressure of 0.01 MPa was similar to that in the initial outlet from 180m filter under the inlet pressure of 0.02 MPa. The filtration accuracy of the filter after a period of operation was more than expected. Therefore, the inlet pressure rather than adjusting the whole equipment could be an option to obtain good performance of filtration during short-term irrigation processes. This study provides valuable information for improving the interception rates and filtration effects of filters in irrigation projects.

pressure; filters; irrigation; interception rate; screen aperture; sand particle; median particle size; interception position

張凱，喻黎明，劉凱碩，等. 網(wǎng)式過濾器攔截率計(jì)算及其影響因素分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(5)：123-130.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.014 http://www.tcsae.org

Zhang Kai, Yu Liming, Liu Kaishuo, et al. Calculation of interception rate of mesh filter and analysis of its influencing factors[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 123-130. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.014 http://www.tcsae.org

2020-10-30

2021-01-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51769009）

張凱，研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械。Email：794322581@qq.com

李娜，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉理論與設(shè)備。Email：kjclina@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.014

S275.5

A

1002-6819(2021)-05-0123-08