滴灌自清洗网式过滤器全流场数值模拟与分析

Fig.1 Table 1
名称 Name 细滤网芯 进水管直 径/mm 出水管直 径/mm 排污管直 径/mm
图 1 自清洗网式过滤器结构示意图 Structural diagram of self-cleaning screen filter 表 1 自清洗网式过滤器工作参数 Operating parameters of self-cleaning screen filter
翟国亮等[9-10]对微灌用砂石过滤器石英砂滤料的过 滤与反冲洗性能进行了试验研究；刘焕芳等[11-15]对 大田滴灌用自清洗网式过滤器的水力性能进行了 试验研究，得到了过滤器清水和浑水条件下水头损 失公式，过滤时间与自清洗时间变化规律等。 自清洗过滤器运行时罐体封闭，其内部水流结 构及特性尚不能通过物理试验做深入研究，同时自 清洗系统水力性能复杂，仅通过简单的物理试验很 难揭露其水流特性，同时传统物理实验研究也不能 直观的看到过滤器内流体流动状况，不能发现过滤 器内部滤网堵塞不均匀、 清洗不彻底等原因； 例如： 原型观测发现，过滤器应用一段时间后，滤网下部 总会有部分泥沙不能被清洗干净，而且下部滤网总 是比上部滤网容易破坏，这些现象很难通过物理试 验找到原因。随着计算机数值计算的快速发展，复 杂水流现象的精细模拟成为现实，进而研究内部水 流现象及流场结构，例如对离心泵内部水流流场特 性的模拟等[16-17]；同时由于动网格技术可以模拟流 场形状随时间变化情况，并模拟机械内部更真实的 流场，使得过滤器自清洗系统的模拟也成为可能。 动网格技术被广泛应用于飞机机翼外流场、发动机 内流场和机械密封等[18]的数值模拟中，但未见在网 式过滤器自清洗系统中得到应用；王栋蕾等[19]运用 Fluent 对自清洗网式过滤器自清洗结构进行了流场
0
引
言
自清洗网式过滤器是目前国内外应用最广泛 过滤器之一，是保证整个微灌系统正常运行的核心 设备。目前国内外对过滤器研究成果主要集中在水 力性能方面，通过室内试验和原型观测试验对水头 损失变化规律、过滤时间与自清洗时间关系等进行 了大量的研究。Yurdem 等[1-2]通过试验对滴灌旋流 和叠片过滤器水头损失进行了研究，并得到了水头 损失计算公式； Duran-Ros 等[3]对微灌叠片式和网式 过滤器反冲洗效率进行了试验研究；Vedat DEMİR 等[4]对滴灌金属叠片式过滤器水头损失进行了试验 研究；Duran-Ros 和 Puig-Bargués 等[5-6]运用量纲分 析对污水微灌过滤器水头损失公式进行了研究，并 推导出了相关计算公式； 肖新棉等[7-8]对微灌用叠片 式砂过滤器水力性能进行了试验研究和模拟计算；
过滤过程：含沙水由进水管 1 进入，首先通过
第 16 期
宗全利等：滴灌自清洗网式过滤器全流场数值模拟与分析
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∂ε ∂ (ε ui ) ∂ ∂ε ε ε2 （4） + = (σ ε μeff ) + C1*ε Gκ − C2ε ∂t ∂xi ∂x j ∂x j κ κ
2.2
Gκ = μt (
∂ui ∂u j ∂ui + ) ∂x j ∂xi ∂x j
1
过滤器结构及自清洗原理
粗过滤网 2，然后经细过滤网进口 3 进入二级过滤 室，最后由侧面出水管 5 流出。自清洗过程：当泥 沙积聚在细滤网内表面便会在滤网内外表面形成 压差，压差达到预定值时，由控制器打开电动排污 阀门，同时关闭出水管 5 阀门。这样过滤器内部水 压与外部大气之间形成的压差会使侧面开孔的吸 管 12 产生强劲吸力；进入吸管的泥沙，通过与吸 管连接的排沙管 11 经驱动管 10 由排污管 7 排出。 3 条横吸管自上而下交错 120°分布在 3 个层面，每 根横吸管外端放置 1 个侧面开缝的吸口，3 个吸口 自上而下沿圆周均匀分布，总长度与细滤网高度相 等，以期能够对整个滤网内表面进行整体扫描，全 面吸取滤网内侧泥沙。水流由驱动管流出时会带动 整个吸管转动，从而将该范围内滤网内表面的泥沙 吸进并排出。当滤网内外压差低于设定值时，自动 清洗完成，控制器关闭排污阀，同时完全打开出水 阀，自动吸附系统停止旋转，转入正常过滤状态。
κ ；δij 为克罗奈克（Kronecker）数， ε
2
δ ij = ⎨
⎧1 ⎩0
i= j 。 i≠ j
2.1.2 紊流模型 为求解方程（2），引入紊动能 k 和紊动耗散 本文采用 Yakhot 及 Orzag[21]提出的 RNG 率 ε 方程， k-ε 模型[22]来封闭方程组。k 和 ε 输运方程下如 ∂κ ∂ (κ ui ) ∂ ∂κ （3） (σ k μeff ) + Gκ − ε + = ∂t ∂xi ∂x j ∂x j
※
（1. 石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832000； 2. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072； 3. 中国水利水电科学研究院，北京 100038； 4. 石河子市金土地节水设备有限公司，石河子 832000）
摘 要： 为了全面了解现有自清洗网式过滤器内部水流结构和特性，为进一步结构优化提供依据，该文采用 Fluent(6.3)软件对其进行了全流场数值模拟。在分析过滤器结构及自清洗原理基础上，建立了过滤器内部流场的数 学模型和自清洗系统的动网格模型，给出了过滤过程和自清洗过程计算区域和网格、以及进出口边界条件，对比 分析了自清洗流量与进出口压力降关系模拟结果和试验结果。分析表明：模拟压降与实测压降符合较好，可以保 证后续模拟结果的可靠性；在此基础上，对过滤过程内部流场进行了模拟，得到了水流流速、紊动能和压力的分 布规律，分析了过滤器结构设计不足。运用动网格技术，对过滤器自清洗过程进行了数值模拟，通过流速、紊动 能和压力分布等流场分析，指出了自清洗系统的不足，研究结果可为过滤器结构优化设计提供参考。 关键词：灌溉，流场，数值分析，自清洗网式过滤器 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.16.008 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-16-0057-09 中图分类号：S277.9+5 宗全利，郑铁刚，刘焕芳，等. 滴灌自清洗网式过滤器全流场数值模拟与分析[J]. 农业工程学报，2013，29(16)： 57－65. Zong Quanli, Zheng Tiegang, Liu Huanfang, et al. Numerical simulation and analysis on whole flow field for drip self-cleaning screen filter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(16): 57－65. (in Chinese with English abstract)
第 29 卷 2013 年
第 16 期 8月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.29 No.16 Aug. 2013 57
滴灌自清洗网式过滤器全流场数值模拟与分析
宗全利 1,2，郑铁刚 3 ，刘焕芳 1，李强强 1，郑华平 4
本文对石河子市金土地节水设备有限公司生 产的一种自清洗网式过滤器进行研究，其结构如图 1 所示，结构尺寸参数如表 1 所示，其整个工作状 态分过滤和自清洗 2 个过程，具体工作原理如下。
2
数值计算方法
2.1 数学模型 2.1.1 控制方程 在笛卡尔直角坐标系下，本文讨论的自清洗过 滤器内部流场的控制方程由连续方程和动量方程 组成[20] 连续方程 ∂ui /∂xi = 0 （1） 动量方程 ∂ui ∂u 1 ∂p ∂ (-ui' u 'j ) + u j i = gi + ρ ∂xi ∂x j ∂t ∂x j （2）
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农业工程学报
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模拟分析，但由于未应用动网格技术，与自清洗系 统实际工作状态差别较大。 以上研究表明，过滤器内部水流结构及特性可 以通过数值模拟方法揭露，特别是自清洗系统水流 特性可以通过动网格技术来模拟分析，但现有研究 成果未见有专门针对自清洗网式过滤器开展的数 值模拟研究，为此本文应用 Fluent 软件包，基于 Reynolds 时均 N-S 方程和 RNG k-ε 紊流模型， 对自 清洗网式过滤器进行全流场模拟，使研究结果可 视、直观化；同时对计算结果进行分析，为深入了 解自清洗网式过滤器内部流场规律，并为优化设计 提供理论依据；同时采用动网格技术对网式过滤器 的自清洗过程进行数值模拟研究，详细分析过滤器 在自清洗过程中清洗系统内部流场情况，为自清洗 系统的优化设计提供可靠依据。
参数 Parameters 80～120 目，直径 690 mm，高度 800mm 200 200 100 名称 Name 工作流量 /(m3·h-1) 工作压力 /MPa 排污压力 /MPa 最大压力 /MPa 参数 Parameters 150～220 0.3 0.5 0.6
m2/s， μt = Cμ
（5） （6）
μeff = μ + μt
式（3）～式（6）中，各项经验常数根据文献[21] 确定：Cμ=0.0845，C2ε=1.68，σk=1.393，σε=1.393，
C1*ε = 1.42 − η (1 − η / η0 ) (1 + βη 3 )
其
中
，
η = (2 Eij ⋅ Eij )1/ 2 κ ε ， Eij = 0.5(∂ui ∂x j + ∂u j ∂xi ) ，
收稿日期：2013-04-02目（50909062，51269028） ；石河子大 学科技成果转化项目（kjcgzh2011-03） 作者简介：宗全利（1979－）男，山东临朐人，副教授，博士，主要从 事水力学及河流动力学研究工作。 石河子 石河子大学水利建筑工程学 院，832000。Email：quanli1871@ ※通信作者：郑铁刚（1983－） ，男，河北定州人，工程师，主要从事 工程水力学研究。北京 中国水利水电科学研究院。 Email：hydraulic_ztg@
式中，ui 为速度在 i 方向的分量，m/s；gi 为重力加 速度在 i 方向的分量，m/s2；ρ 为流体密度，kg/m3；
P 为流体压力， N/m2 ； −ui′u ′j 为紊动应力 N/m2 ，
−ui′u ′j = μt (
∂ui ∂u j 2 ) − κδ ij ； μt 为 涡 粘 性 系 数 + 3 ∂x j ∂xi
a. 整体结构正视图 b. 自清洗系统正视图 c. 自清洗系统俯视图 a. Front view of entire b. Front view of c. Vertical view of structure self-cleaning system self-cleaning system 1. 进水口 2. 粗过滤网 3. 细过滤网进口 4. 细过滤网 5. 出水管 6. 电子阀门 7. 排污管 8. 自清洗系统 9. 外壳 10. 驱动管 11. 排沙管 12. 吸管 1. Inlet of muddy water 2. Coarse screen 3. Inlet of fine screen 4. Fine screen 5. Outlet of clean water 6. Electronic valve 7. Outlet of muddy water 8. Self-cleaning system 9. Outer shell 10. Driving tube 11. Flushing tube 12. Sunction tube 注：图中箭头表示水流流动方向。 Note: The arrow represents the direction of flow.