杜思琦，黃修橋，李浩，李盛寶，李瑞，李輝，韓啟彪

手搖清洗網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬與性能試驗驗證

杜思琦1,2，黃修橋1，李浩1，李盛寶1，李瑞1，李輝1，韓啟彪1*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部節(jié)水灌溉工程重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京 100081）

【目的】探討手搖清洗網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場特性?！痉椒ā恳?20目手搖清洗網(wǎng)式過濾器為研究對象，借助Solidworks流體分析模塊Flow Simulation模擬過濾器內(nèi)部流動特征，通過不同流量下的能量性能試驗驗證了數(shù)值模擬的可靠性，分析了手搖清洗網(wǎng)式過濾器內(nèi)部水流的速度場、壓強(qiáng)場和湍動能場，探討了手搖清洗網(wǎng)式過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對水流特性的影響?！窘Y(jié)果】流量越大，過濾器內(nèi)部流速、湍動能等越大，水頭損失越大。濾網(wǎng)靠近出水口區(qū)域的上半部分是主要的過濾區(qū)域，該區(qū)域受吸嘴的阻力影響，水流速度快、湍流劇烈、受力大?！窘Y(jié)論】流量影響過濾器內(nèi)部水流流速和壓強(qiáng)的大小及其變化梯度，但不影響水流方向及流速和壓強(qiáng)的變化趨勢。過濾時，將靠近出水口一側(cè)的最后一個吸嘴搖至濾網(wǎng)最下部，使得該側(cè)的吸嘴整體位置靠下，可減少吸嘴對水流水力特性的影響。

微灌；手搖清洗網(wǎng)式過濾器；數(shù)值模擬

0 引言

【研究意義】過濾器是灌溉系統(tǒng)關(guān)鍵裝置之一，對灌溉系統(tǒng)尤其是微灌系統(tǒng)的安全運(yùn)行有重要作用[1-2]。網(wǎng)式過濾器是目前應(yīng)用最廣泛的過濾裝置之一[3-4]，具有操作簡單、價格低廉等優(yōu)點。網(wǎng)式過濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流動特性對過濾器水頭損失等水力性能有重要影響?！狙芯窟M(jìn)展】近年來，計算流體力學(xué)（CFD）在微灌過濾器研究中的應(yīng)用越來越多[5-7]，許多學(xué)者運(yùn)用該技術(shù)對網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場分布特征開展研究[8-9]。李浩等[10]和陶洪飛等[11]在分析比較CFD不同湍流模型的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)內(nèi)外流速分布不均，出水管與過濾器筒體銜接處會形成一個紊亂區(qū)，進(jìn)而增加了水頭損失。喻黎明等[12]基于CFD-DEM耦合技術(shù)對網(wǎng)式過濾器內(nèi)沙粒運(yùn)動軌跡進(jìn)行了研究，認(rèn)為濾網(wǎng)內(nèi)部水流流態(tài)與沙顆粒粒徑影響沙粒在濾網(wǎng)上的沉積位置和堵塞程度，建議增大進(jìn)口側(cè)上端的過水面積，降低進(jìn)口流速，使顆粒均勻分布，進(jìn)而提高過濾效率。周理強(qiáng)等[13]對比了Y型網(wǎng)式過濾器分別在有、無導(dǎo)流片時內(nèi)部水流和沙粒運(yùn)動，認(rèn)為導(dǎo)流片引起了過濾器更大的水頭損失，但減少了濾網(wǎng)上泥沙的沉積現(xiàn)象。手搖清洗網(wǎng)式過濾器主要依靠濾網(wǎng)對水中顆粒雜質(zhì)的機(jī)械篩分作用來實現(xiàn)灌溉水凈化，是一種新型的半自動清洗網(wǎng)式過濾器，具有能耗小、清洗時過濾工作不停止等優(yōu)點，近年來在微灌系統(tǒng)上應(yīng)用廣泛?！厩腥朦c】目前針對該過濾器的研究較少，其內(nèi)部流動狀態(tài)尚不明確?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，基于數(shù)值模擬技術(shù)對不同流量條件下手搖清洗過濾器的內(nèi)部水流流動特性展開研究，探討其結(jié)構(gòu)對過濾器內(nèi)部流場的影響，以期進(jìn)一步豐富手搖清洗網(wǎng)式過濾器的研究內(nèi)容，為該類型過濾器的高效運(yùn)行和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 三維建模與網(wǎng)格劃分

以AZUD Spiral Clean 2N手搖清洗網(wǎng)式過濾器為樣本（AZUD公司生產(chǎn)，120目），結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（a）所示（1.進(jìn)水口；2.旋轉(zhuǎn)手柄；3.出水口；4.吸嘴；5.排污口；6.過濾器筒身；7.不銹鋼濾網(wǎng)），應(yīng)用Pro/E三維建模軟件進(jìn)行1∶1建模，如圖1（b）所示。濾網(wǎng)內(nèi)徑為105 mm，高度為495 mm，過濾器進(jìn)、出水口內(nèi)徑為75 mm。將建立的模型導(dǎo)入Solidworks軟件，在Flow Simulation模塊中生成自動化網(wǎng)格，如圖1（c）所示，為避免濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)較薄導(dǎo)致求解出現(xiàn)偏差，在濾網(wǎng)部分提高了網(wǎng)格等級，總網(wǎng)格數(shù)量為8 879 101。

1.2 模型參數(shù)

利用Solidworks Flow Simulation開展數(shù)值模擬研究，選取標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型和多孔介質(zhì)模型，孔隙率實測值0.25，水流滲透特性設(shè)置為各向同性，阻力計算式選擇參考孔徑大小相關(guān)性，孔徑大小設(shè)為1.25×10-4m；過濾器入口邊界設(shè)置為速度進(jìn)口，并設(shè)置進(jìn)口處水流方向與X軸正方向（進(jìn)水口至出水口方向）一致，流速分布均勻，流速為實測進(jìn)水口流量與進(jìn)水口垂直斷面面積的比值；過濾器出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，壓力值由試驗測得，模擬壓強(qiáng)與實測壓強(qiáng)均為靜壓，進(jìn)口流速和出口壓強(qiáng)設(shè)置見表1；進(jìn)口、出口管道內(nèi)壁及過濾器殼體設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面邊界，默認(rèn)滿足無滑移條件。

表1 手搖清洗網(wǎng)式過濾器不同流量下的進(jìn)、出口邊界條件

本研究主要模擬進(jìn)口流量20、25、30、35、40、45 m3/h和50 m3/h共7種不同工況下的過濾器內(nèi)部水流流動特征。同時，設(shè)置對比試驗，通過對比過濾器水頭損失模擬值與實測值的偏差來驗證模型的可靠性和精確度。若模擬值與實測值的相對誤差大于10%，則重新調(diào)整參數(shù)進(jìn)行求解。

1.3 對比試驗

試驗在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所水利部節(jié)水灌溉設(shè)備質(zhì)量檢測中心進(jìn)行。試驗裝置如圖2所示（1.蓄水池；2.潛水泵；3.數(shù)字顯示控制儀；4.排污閥門；5.手搖清洗網(wǎng)式過濾器；6、9、10、11.閘閥；7.壓力變送器；8.渦輪流量計），以蓄水池（2.4 m×1.2 m×1.2 m）中儲存的地下水為水源，使用潛水泵提供試驗所需的壓力和流量，試驗時，潛水泵開啟，輸送蓄水池中清水進(jìn)入試驗管道系統(tǒng)，調(diào)節(jié)管道上的閥門直至獲得所需流量，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，使用渦輪流量計（LWGY-80，量程16～100 m3/h）獲取管道流量，通過壓力變送器（量程0～0.4 MPa，精度0.50%）獲取過濾器前后的壓力，進(jìn)而計算水頭損失。

圖2 手搖清洗網(wǎng)式過濾器試驗裝置

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗證

通過CFD模擬和對比試驗，得到了手搖清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失的實測值和模擬值，如表2所示。從表2可以看出，模擬結(jié)果總體較好，與實測值相比，不同工況下最大相對誤差不到8%，說明模型具有一定的可靠性。

表2 水頭損失實測與模擬結(jié)果對比

2.2 內(nèi)部流場分析

濾網(wǎng)是過濾器水頭損失主要源項，為準(zhǔn)確分析濾網(wǎng)內(nèi)部不同位置的水流特性，選取模型正剖面44個點位，如圖3所示，通過模擬計算這44個點位的流速及壓強(qiáng)并開展分析。沿進(jìn)水管、出水管方向（X軸方向）選取4列，分別位于濾網(wǎng)左側(cè)外部、左側(cè)內(nèi)部、右側(cè)內(nèi)部和右側(cè)外部附近，沿筒身方向（Y軸方向）選取11行，11個點等距分布并從上至下命名序號1～11。在正剖面上，右側(cè)4個吸嘴將濾網(wǎng)右側(cè)分成4個區(qū)域，從上至下分別為右Ⅰ、右Ⅱ、右Ⅲ和右Ⅳ，左側(cè)4個吸嘴將濾網(wǎng)左側(cè)分為5個區(qū)域，從上至下分別為左Ⅰ、左Ⅱ、左Ⅲ、左Ⅳ和左Ⅴ。此外，選取3個流量（即1=25、2=35、3=45 m3/h）流量分析比較流量對過濾器內(nèi)部流態(tài)的影響。

2.2.1 速度場分析

表3和圖4為44個點位的流速計算結(jié)果，可以看出，濾網(wǎng)外部的流速變化較平穩(wěn)，其次是左側(cè)內(nèi)部，右側(cè)內(nèi)部變化則較劇烈。不同流量下，不同點位流速的變化趨勢基本一致，但同一點位的流速隨流量的增大而增加，如右側(cè)內(nèi)部1號點在流量為25、35、45 m3/h時的流速分別為0.92、1.34、1.89 m/s?？梢?，進(jìn)口流量的大小會影響過濾器內(nèi)部水流流速及其變化梯度，但不會過多影響水流方向及變化趨勢。

圖3 模型中監(jiān)測點的選取及區(qū)域的劃分

表3 不同流量下各監(jiān)測點的流速模擬值

圖5為3個流量工況下過濾器正剖面流速分布云圖，水從進(jìn)水口進(jìn)入過濾器濾網(wǎng)內(nèi)部，總體上每個方向水流流速都在減小。但穿過濾網(wǎng)后，水流由過濾器內(nèi)流向出水口，由于過流斷面變小，水流加速流向出水口，越靠近出水口的流速越大。結(jié)合圖4可知，濾網(wǎng)外側(cè)相同高度的點位，水流穿過濾網(wǎng)后流速均保持在0.1 m/s左右，流速變化不大，但濾網(wǎng)右側(cè)離出水口近，因此，濾網(wǎng)右側(cè)外部的流速增量梯度更大。

圖4 不同流量下選取點的流速

圖5 不同流量下的過濾器內(nèi)部正剖面速度云圖

由于手搖清洗過濾器內(nèi)置有旋轉(zhuǎn)手柄和吸嘴等，使得濾網(wǎng)內(nèi)部流速變化更加復(fù)雜。在濾網(wǎng)右側(cè)內(nèi)部，4個區(qū)域（右Ⅰ—右Ⅳ）的平均流速從上至下依次遞減，如圖4中右Ⅰ的2號點和3號點流速大于右Ⅱ的4號點和5號點；但不同區(qū)域內(nèi)的流速變化規(guī)律與整個濾網(wǎng)右側(cè)內(nèi)部有所不同，水流繞過吸嘴后的流速很小，隨后呈先增后減的趨勢，如圖4中右Ⅱ的5號點流速大于4號點，但右Ⅲ的8號點流速小于7號點，由圖5可知，每個小區(qū)域的最大流速出現(xiàn)在中間區(qū)域。而在濾網(wǎng)左側(cè)，下部4個區(qū)域（左Ⅱ—左Ⅴ）的平均流速沿筒身方向從下至上減小，這是因為這4個區(qū)域的水流有從濾網(wǎng)右側(cè)下部旋轉(zhuǎn)回流而來，左Ⅱ流速最??；左Ⅰ中的水有部分來自進(jìn)水口，這部分水在旋轉(zhuǎn)手柄的阻力下以較大流速進(jìn)入左Ⅰ，隨后流速不斷減小。對比圖5（a）—圖5（c）發(fā)現(xiàn)，流量越大，每個區(qū)域的總體流速變大，變化梯度也變大，這使得水頭損失也越大。

濾網(wǎng)內(nèi)部8個吸嘴因位置不同對水流影響有差異?？傮w而言，右側(cè)上部2個吸嘴對水流影響更大，這是因為右Ⅰ和右Ⅱ的流速大。圖6為流量25 m3/h時的濾網(wǎng)右側(cè)上部第1個吸嘴附近的流速云圖，可以看出，靠近吸嘴時，水流流速以較大的梯度增加，到達(dá)吸嘴口上端時流速最大，水流以此速度繞過整個吸嘴口，隨后減速進(jìn)入下一個區(qū)域。此外，圖6中靠近濾網(wǎng)的流速更小，表明水流穿過網(wǎng)孔時會先減速進(jìn)入到網(wǎng)孔，在網(wǎng)孔中加速，穿過網(wǎng)孔后流速瞬間降至最低，隨后加速流向出水管。

圖6 吸嘴處的速度云圖

圖7為過濾器側(cè)剖面的速度云圖，在沒有吸嘴影響下，旋轉(zhuǎn)手柄兩側(cè)的流速對稱分布；過濾器上部的流速較大，進(jìn)入濾網(wǎng)后，流速逐漸減??；在濾網(wǎng)上部，流速越靠近濾網(wǎng)越大，這可能是因為上部流速大，受吸嘴影響較大。

圖7 不同流量下的過濾器內(nèi)部側(cè)剖面速度云圖

分析濾網(wǎng)上部的橫剖面速度云圖（圖8），可以看出，在濾網(wǎng)內(nèi)部，越靠近出水口一側(cè)的流速越大；流量越大，大流速的區(qū)域面積越大，如圖8（c）中流速大于2 m/s的區(qū)域近3/4；濾網(wǎng)外側(cè)的最內(nèi)圈流速接近0 m/s，表明水流受濾網(wǎng)阻力影響，穿過濾網(wǎng)后流速降至最低；此外，靠近出水口一側(cè)的流速增加更快，這與之前分析的結(jié)論一致。

圖8 不同流量下的過濾器內(nèi)部橫剖面速度云圖

2.2.2 壓強(qiáng)場分析

圖9為選取點位的壓強(qiáng)圖，圖中不同流量下不同點位的變化趨勢一致，但同一高度下濾網(wǎng)內(nèi)外側(cè)的壓差隨著流量的增大逐漸增加，如濾網(wǎng)右側(cè)內(nèi)外部1號點壓差在流量為25、35、45 m3/h時分別為2.2、3.9、6.1 kPa，這說明流量會對過濾器內(nèi)部某一區(qū)域的壓強(qiáng)大小及其變化梯度產(chǎn)生影響，但不影響該區(qū)域的壓強(qiáng)變化趨勢。對比同一側(cè)的內(nèi)外部相同高度的點發(fā)現(xiàn)，濾網(wǎng)7號點以下的兩側(cè)壓差基本一致，1～6號點右側(cè)內(nèi)外壓差變化比左側(cè)較大，總體上濾網(wǎng)上部壓差大且變化程度大，下部壓差較穩(wěn)定。

表4 不同流量下監(jiān)測點的壓強(qiáng)模擬值

圖9 不同流量下選取點的壓強(qiáng)

圖10為不同流量下正剖面壓強(qiáng)圖。無論是濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)還是外側(cè)，壓強(qiáng)從上至下依次增大，整個過濾器壓強(qiáng)最大的區(qū)域在進(jìn)水口，其次就是過濾器下部。由吸嘴劃分的小區(qū)域內(nèi)部壓強(qiáng)呈階梯狀增大，且流量越大，壓強(qiáng)增大的越快，但濾網(wǎng)右Ⅰ區(qū)域的壓強(qiáng)變化特征稍有不同，此區(qū)域的壓強(qiáng)越靠近濾網(wǎng)越大，與濾網(wǎng)右側(cè)外部的低壓形成很大的壓差，因此這部分濾網(wǎng)受力最大。此外，濾網(wǎng)右側(cè)上部的2個吸嘴對壓強(qiáng)的影響非常明顯，吸嘴上端附近的壓強(qiáng)迅速減小，如圖10中濾網(wǎng)右側(cè)內(nèi)部6號點位于吸嘴附近，它的壓強(qiáng)較小，但濾網(wǎng)右側(cè)最下部和左側(cè)的吸嘴對壓強(qiáng)的影響不大，這可能是因為這些區(qū)域的過流量不大。

圖10 不同流量下的過濾器內(nèi)部正剖面壓強(qiáng)云圖

圖11為不同流量下過濾器側(cè)剖面壓強(qiáng)圖。在沒有吸嘴的影響下，過濾器內(nèi)部壓強(qiáng)在旋轉(zhuǎn)手柄兩側(cè)對稱，總體上過濾器上部的壓強(qiáng)大，水流進(jìn)入濾網(wǎng)時，壓強(qiáng)減小，隨后沿筒身方向增加，濾網(wǎng)內(nèi)部壓強(qiáng)最大的區(qū)域在下部，濾網(wǎng)外部的壓強(qiáng)也是從上至下不斷增加。圖12為過濾器橫剖面壓強(qiáng)圖，可以看出，濾網(wǎng)內(nèi)部越靠近出水口壓強(qiáng)越大，但濾網(wǎng)外部越靠近出水口壓強(qiáng)越小，因此越靠近出水口的濾網(wǎng)內(nèi)外壓差最大，受力最大。

結(jié)合3個剖面的壓強(qiáng)圖，流量越大，其內(nèi)部壓強(qiáng)變化梯度會更大，如圖12（a）—圖12（c）右Ⅱ區(qū)域，圖12（c）的壓強(qiáng)最大且增速最快，圖11和圖12展示的規(guī)律也是如此。

2.2.3 湍動能分析

湍動能大表明湍流程度劇烈。圖13為正剖面湍動能分布圖，進(jìn)水口處的水流湍動能不大，這是因為在模擬時認(rèn)為水流均勻出流，但在旋轉(zhuǎn)手柄阻力下，水流特性發(fā)生改變，湍動能增大；水流進(jìn)入濾網(wǎng)內(nèi)部后，右Ⅰ、右Ⅱ、右Ⅲ及左Ⅰ的湍流劇烈，右側(cè)區(qū)域湍流程度從上至下逐漸減小，前3個區(qū)域越靠近濾網(wǎng)湍動能越大，這是因為濾網(wǎng)對水流的阻力作用引發(fā)了強(qiáng)烈的湍流，而左Ⅰ則是受吸嘴的阻力影響，靠近旋轉(zhuǎn)手柄的湍動能更大；其他區(qū)域的過水量相對更小，流速也小，沒有強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動。水流流出濾網(wǎng)后，湍動能降至最低，流至出水口，湍動能迅速增加。

圖11 不同流量下的過濾器內(nèi)部側(cè)剖面壓強(qiáng)云圖

圖12 不同流量下的過濾器內(nèi)部橫剖面壓強(qiáng)云圖

圖13 不同流量下的過濾器內(nèi)部正剖面湍動能云圖

圖14 不同流量下的過濾器內(nèi)部側(cè)剖面湍動能云圖

圖14為側(cè)剖面湍動能分布云圖，過濾器上部的湍動能大，進(jìn)入濾網(wǎng)后，湍動能沿筒身方向從上至下逐漸減?。唤Y(jié)合圖13可知，流量越大，過濾器內(nèi)部同一區(qū)域的湍動能越大，湍流運(yùn)動更強(qiáng)烈。由橫剖面湍動能分布云圖15知，在濾網(wǎng)同一高度上，濾網(wǎng)內(nèi)部最內(nèi)圈的湍動能最大，濾網(wǎng)外側(cè)湍動能最小，即水流穿過濾網(wǎng)后，水流運(yùn)動不再劇烈。

綜上分析，認(rèn)為濾網(wǎng)靠近出水口區(qū)域的上半部分，水流速度快、湍流劇烈、受力大，同時吸嘴對過濾器水流流體特性影響很大，是造成濾網(wǎng)受力不均的主要原因。建議在過濾時，搖動旋轉(zhuǎn)手柄使得靠近出水口一側(cè)的吸嘴盡量位于濾網(wǎng)下部，減少吸嘴的影響。

圖15 不同流量下的過濾器內(nèi)部橫剖面湍動能云圖

3 討論

網(wǎng)式過濾器操作簡單、價格低廉，在微灌系統(tǒng)中常作為二級過濾裝置使用，為克服濾網(wǎng)清洗不便等缺陷，研究者們圍繞過濾器的自清洗功能開展了較多研究[14]，手搖清洗網(wǎng)式過濾器即是一種新型的半自動清洗網(wǎng)式過濾器，近年來在小型微灌系統(tǒng)中應(yīng)用越來越多。本研究表明，手搖清洗網(wǎng)式過濾器進(jìn)口流量越大，水頭損失越大，進(jìn)口流量是水頭損失的主要影響因素，這與其他網(wǎng)式過濾器一致[10,15]，一般認(rèn)為，水頭損失與流量的二次方呈線性關(guān)系。同時，綜合陶洪飛等[8]、李浩等[10]研究，認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型和Realizable-湍流模型可能更適合于微灌網(wǎng)式過濾器的數(shù)值模擬，在本研究中，選取了標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型，與實測值相比，不同工況下最大相對誤差不到8%，也說明了這一點，但阿力甫江·阿不里米提等[9]在開展魚雷網(wǎng)式過濾器流場模擬時使用了RNG-湍流模型，也有不錯的效果。就流場模擬結(jié)果看，本研究認(rèn)為，過濾器濾網(wǎng)內(nèi)部比濾網(wǎng)外部流速要大，且變化劇烈；過濾器上部（前端）流速較大，下部（尾端）流速較低；濾網(wǎng)上部，尤其是靠近出水口區(qū)域的上半部分，水流速度快、湍流劇烈、受力大，這與前人研究結(jié)果一致，陶洪飛等[8]針對直沖洗網(wǎng)式過濾器的流場模擬也顯示，在過濾器尾部會形成低流速區(qū)。喻黎明等[16]針對不同工況下Y型網(wǎng)式過濾器流場的模擬結(jié)果也顯示，在過濾器的堵頭部分存在低流速區(qū)域，在靠近出口的地方存在加速區(qū)。堵頭處壓力較大，而水頭損失主要集中在出口側(cè)上端濾網(wǎng)。由于手搖清洗網(wǎng)式過濾器在濾網(wǎng)內(nèi)部置有吸嘴等，本研究顯示吸嘴對過濾器內(nèi)部流體流動特性有影響，有可能會造成濾網(wǎng)受力不均，尤其是出水口等流速較大區(qū)域。

4 結(jié)論

1）流量會影響過濾器內(nèi)部水流流速、壓強(qiáng)大小及其變化梯度，但不會影響水流方向及流速和壓強(qiáng)的變化趨勢。流量越大，過濾器內(nèi)部流速、湍動能等越大，水頭損失越大。

2）手搖清洗網(wǎng)式過濾器的吸嘴會影響其周邊區(qū)域的水流流速，總體上過濾器內(nèi)部水流速度在其流動軌跡上不斷減小，穿過濾網(wǎng)后又逐漸增大流向出水口，并以較大的速度流出過濾器。

3）濾網(wǎng)右側(cè)上部的內(nèi)外壓差最大，受力最大。過濾器內(nèi)部湍動能較大的區(qū)域包括過濾器上部，濾網(wǎng)右Ⅰ、右Ⅱ、右Ⅲ、左Ⅰ區(qū)域以及出水口等。

4）濾網(wǎng)靠近出水口區(qū)域的上半部分，水流速度快、湍流劇烈、受力大，建議在過濾時，搖動旋轉(zhuǎn)手柄使得靠近出水口一側(cè)的吸嘴盡量位于濾網(wǎng)下部，減少吸嘴對水流水力特性的影響。

[1] 張文正, 翟國亮, 呂謀超, 等. 微灌條件下三種過濾器過濾效果試驗研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2017, 36(4): 88-93.

ZHANG Wenzheng, ZHAI Guoliang, LYU Mouchao, et al. Experimental study on the efficacy of sand filter, screen filter and disc filter for removing silts from the Yellow River water for micro-irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2017, 36(4): 88-93.

[2] 徐茂云. 微灌系統(tǒng)過濾器性能的試驗研究[J]. 水利學(xué)報, 1995, 26(11): 84-89.

XU Maoyun. Test on hydraulic performance of filters[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1995, 26(11): 84-89.

[3] DURAN-ROS M, PUIG-BARGUéS J, ARBAT G, et al. Performance and backwashing efficiency of disc and screen filters in microirrigation systems[J]. Biosystems Engineering, 2009, 103(1): 35-42.

[4] 王新坤, 許穎, 涂琴. 微灌系統(tǒng)過濾裝置優(yōu)化選型與配置[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2011, 27(10): 160-163.

WANG Xinkun, XU Ying, TU Qin. Optimal selection and collocation of filter units in micro-irrigation system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(10): 160-163.

[5] MESQUITA M, DE DEUS F P, TESTEZLAF R, et al. Design and hydrodynamic performance testing of a new pressure sand filter diffuser plate using numerical simulation[J]. Biosystems Engineering, 2019, 183: 58-69.

[6] MESQUITA Marcio, DE DEUS Fabio Ponciano, TESTEZLAF Roberto, et al. Characterization of flow lines generated by pressurized sand filter underdrains[J]. Chemical Engineering Transactions, 2017, 58: 715-720.

[7] BOVé J, PUIG-BARGUéS J, ARBAT G, et al. Development of a new underdrain for improving the efficiency of microirrigation sand media filters[J]. Agricultural Water Management, 2017, 179: 296-305.

[8] 陶洪飛, 滕曉靜, 馬英杰, 等. 直沖洗網(wǎng)式過濾器的流場模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 水電能源科學(xué), 2017, 35(8): 98-102.

TAO Hongfei, TENG Xiaojing, MA Yingjie, et al. Numerical simulation and structural optimization of direct-washing screen filter[J]. Water Resources and Power, 2017, 35(8): 98-102.

[9] 阿力甫江·阿不里米提, 虎膽·吐馬爾白, 木拉提·玉賽音, 等. 微灌魚雷網(wǎng)式過濾器全流場數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2017, 33(3): 107-112.

ALIFUJIANG·Abulimiti, HUDAN·Tumaerbai, MULATI·Yusaiyin, et al. Numerical simulation on flow field of screen filter with torpedo in micro-irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(3): 107-112.

[10] 李浩, 韓啟彪, 黃修橋, 等. 基于多孔介質(zhì)模型下微灌網(wǎng)式過濾器CFD湍流模型選擇及流場分析[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2016, 35(4): 14-19.

LI Hao, HAN Qibiao, HUANG Xiuqiao, et al. Turbulence model selection and flow field analysis of the micro irrigation screen filter based on porous medium using CFD[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2016, 35(4): 14-19.

[11] 陶洪飛, 朱玲玲, 馬英杰, 等. 濾網(wǎng)孔徑對網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2017, 36(12): 68-74.

TAO Hongfei, ZHU Lingling, MA Yingjie, et al. The effect of screen aperture on internal flow field in automatic screen filter[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2017, 36(12): 68-74.

[12] 喻黎明, 徐洲, 楊具瑞, 等. 基于CFD-DEM耦合的網(wǎng)式過濾器水沙運(yùn)動數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2018, 49(3): 303-308.

YU Liming, XU Zhou, YANG Jurui, et al. Numerical simulation of water and sediment movement in screen filter based on coupled CFD-DEM[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(3): 303-308.

[13] 周理強(qiáng), 韓棟, 喻黎明, 等. 導(dǎo)流片對Y型網(wǎng)式過濾器性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2020, 36(12): 40-46.

ZHOU Liqiang, HAN Dong, YU Liming, et al. Effects of guide vanes on performance of Y-screen filter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(12): 40-46.

[14] 宗全利, 劉煥芳, 鄭鐵剛, 等. 微灌用網(wǎng)式新型自清洗過濾器的設(shè)計與試驗研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2010, 29(1): 78-82.

ZONG Quanli, LIU Huanfang, ZHENG Tiegang, et al. The design and experimental study on new net self cleaning filter for micro-irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2010, 29(1): 78-82.

[15] 劉貞姬, 石凱, 李曼, 等. 立式與臥式自清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失試驗研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2019, 38(12): 44-50.

LIU Zhenji, SHI Kai, LI Man, et al. Experimental study on head loss of vertical and horizontal self-cleaning mesh filter[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(12): 44-50.

[16] 喻黎明, 劉凱碩, 韓棟, 等. 不同工況下Y型網(wǎng)式過濾器流場數(shù)值模擬分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2022, 53(2): 346-354.

YU Liming, LIU Kaishuo, HAN Dong, et al. Numerical simulation analysis of flow field of Y-screen filter under different working conditions[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2022, 53(2): 346-354.

Numerical Simulation and Experimental Study of Water Flow in Manually-operated Cleaning Screen Filter

DU Siqi1,2, HUANG Xiuqiao1, LI Hao1, LI Shengbao1, LI Rui1, LI Hui1, HAN Qibiao1*

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Water-saving Agriculture of Henan Province/Key Laboratory of Water-saving Irrigation Engineering, Ministry of Agriculture, Xinxiang 453002, China;2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

【Objective】Manually operated screen filter is a water cleaning device used in irrigation. The purpose of this paper is to propose and validate a numerical model to simulate water flow in the device.【Method】 The 120 mesh hand-operated cleaning screen filter produced by AZUD was used in this study; water flow in the filter was simulated using the Flow Simulation of Solid works. The accuracy of the simulation was verified against measured head loss from the experiment. We also analyzed the velocity field, pressure field and turbulent kinetic energy of water flow in the device. 【Result】Water flow velocity, turbulent kinetic energy and water head loss all increase with the flow rate. Sediments are filtered mainly in the upper part proximal to the outlet area of the screen, where water flows fast, turbulent flow is severe, stress is strong, and the influence of the nozzle resistance is great.【Conclusion】The flow rate affects water flow velocity and water pressure in a certain area of the filter, but not the flow direction. The nozzles on the side near the outlet should be rolled to the bottom of the filter to reduce their influence on hydraulic characteristics of water flow.

micro-irrigation; the hand-operated cleaning screen filter; numerical simulation

杜思琦, 黃修橋, 李浩, 等. 手搖清洗網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬與性能試驗驗證[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2022, 41(11): 59-67.

DU Siqi, HUANG Xiuqiao, LI Hao, et al. Numerical Simulation and Experimental Study of Water Flow in Manually-operated Cleaning Screen Filter[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(11): 59-67.

1672 - 3317（2022）11 - 0059 - 09

S275.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021343

2021-08-03

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程項目（ASTIP202102）；河南省科技攻關(guān)項目（202102110279，202102110277）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項院級統(tǒng)籌項目（Y2021YJ07，Y2022XK12）

杜思琦（1996-），女。碩士研究生，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)與設(shè)備方面的研究。E-mail: dusiqicaas@126.com

韓啟彪（1984-），男。副研究員，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)與設(shè)備方面的研究。E-mail: hanqibiao@caas.cn

責(zé)任編輯：白芳芳