喻黎明 劉凱碩 韓 棟 仵 峰 李 娜 崔寧博

(1.昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院， 昆明 650500； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部工程建設(shè)服務(wù)中心， 北京 100081； 3.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(yùn)轉(zhuǎn)的核心設(shè)備被廣泛應(yīng)用，其具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格較低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但濾網(wǎng)堵塞問題較為嚴(yán)重[2-5]，網(wǎng)式過濾器在過濾懸浮物時(shí)，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(diǎn)。

目前國內(nèi)外學(xué)者對過濾器的研究主要集中在兩方面：水力性能和實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[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(xiàn)[9-11]在無堵塞和堵塞條件下進(jìn)行了水力性能試驗(yàn)，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(yàn)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(qiáng)等[13]在網(wǎng)式過濾器內(nèi)部增加導(dǎo)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(jìn)行優(yōu)化，但微灌系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，過濾器處于封閉狀態(tài)，不能通過物理試驗(yàn)進(jìn)行研究分析，因此將Fluent軟件應(yīng)用到過濾器中，對其進(jìn)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(jìn)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(xiàn)[19-22]對網(wǎng)式過濾器進(jìn)行全流場數(shù)值模擬分析，為進(jìn)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(jìn)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(jìn)行分析，因此本文選用1∶1模型對Y型網(wǎng)式過濾器進(jìn)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(yùn)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(shí)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(jì)方案和理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬計(jì)算方法與試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 計(jì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[24-25]，該模型是半經(jīng)驗(yàn)公式，主要是基于湍流動能和擴(kuò)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(yàn)常數(shù)

k——湍流動能，J

標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)常數(shù)，采用Fluent中的默認(rèn)值C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09

σk、σε——湍動能和湍動能耗散率對應(yīng)的Prandtl系數(shù)，采用默認(rèn)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(shí)物圖，濾芯為復(fù)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(jì)算時(shí)間，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分別對殼體和濾芯進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證濾芯計(jì)算的準(zhǔn)確性，對濾芯進(jìn)行局部加密并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)。濾網(wǎng)目數(shù)為60目的過濾器整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為554 779個(gè)，節(jié)點(diǎn)為4.3×105個(gè)；濾網(wǎng)目數(shù)為80目的過濾器整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為712 289個(gè)，節(jié)點(diǎn)為5.5×105個(gè)；濾網(wǎng)目數(shù)為100目的過濾器整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為921 779個(gè)，節(jié)點(diǎn)為6.5×105個(gè)，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(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，入口設(shè)置為速度入口，湍流強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓，回流湍流強(qiáng)度為5%，采用默認(rèn)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(fēng)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(rèn)值，標(biāo)準(zhǔn)殘差為1×10-3。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

為驗(yàn)證過濾器在數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，通過試驗(yàn)得到不同濾網(wǎng)目數(shù)以及不同流量下進(jìn)出口壓力差，并與數(shù)值模擬得到的流量-壓降曲線進(jìn)行對比，過濾器的流量-壓降曲線遵循水頭損失經(jīng)驗(yàn)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(yàn)裝置Fig.3 Schematic of experimental device for screen filter1.潛水泵 2.蓄水池 3.流量計(jì) 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(yàn)裝置如圖3所示，由蓄水池、潛水泵、攪拌機(jī)、Y型網(wǎng)式過濾器、壓力表、電子流量計(jì)、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(yàn)在清水狀態(tài)下進(jìn)行，首先使?jié)撍迷谧畲筘?fù)荷狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，記錄對應(yīng)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(yīng)流速下的過濾器進(jìn)出口壓力，更換不同目數(shù)的濾芯后，重復(fù)操作。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)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(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示。3種濾網(wǎng)目數(shù)下試驗(yàn)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(jìn)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(shí)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(yùn)動可分為4個(gè)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(yīng)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?yàn)樗髋c堵頭發(fā)生碰撞時(shí)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(shí)，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(yīng)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(shí)，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(yīng)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?yàn)樗魍ㄟ^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(dǎo)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(dāng)入口流速分別為0.5、1.5、2.5 m/s時(shí)，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?yàn)榱魉俣l(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(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)分別為60、80、100目時(shí)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(jìn)入腔體后，與出口側(cè)濾網(wǎng)進(jìn)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(diǎn)。

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(shí)，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(dāng)入口流速增至2.5 m/s時(shí)，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(yīng)大于36 L/h，但實(shí)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(jìn)入的水流產(chǎn)生沖擊所導(dǎo)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(dāng)水流中存在泥沙時(shí)，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(biāo)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(biāo)不變，橫坐標(biāo)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(yīng)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(dāng)簡化，忽略了實(shí)際模型中重疊的網(wǎng)孔與金屬絲，并將所有網(wǎng)孔視為標(biāo)準(zhǔn)尺寸；且在制作實(shí)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(dǎo)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(shí)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(shí)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?？梢钥紤]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(dǎo)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?yàn)V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(shí)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(yàn)中會有大量的泥沙淤積在堵頭處的死水區(qū)。文獻(xiàn)[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(shí)，當(dāng)濾網(wǎng)目數(shù)為100目時(shí)，整個(gè)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(dǎo)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(dǎo)致，過濾器網(wǎng)面高流量分布區(qū)域容易導(dǎo)致泥沙大量累計(jì)，產(chǎn)生局部濾網(wǎng)堵塞以及架橋現(xiàn)象，導(dǎo)致水頭損失上升，從而影響過濾器整體的過濾效率，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致濾網(wǎng)破損。周理強(qiáng)等[13]通過安裝導(dǎo)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(dǎo)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(shí)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(gè)過濾器總壓降的87%。

(2)水流在腔體內(nèi)運(yùn)動分為4個(gè)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(dǎo)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(gè)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(kuò)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(dāng)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(shí)，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(shí)，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。