不同尺寸鱼雷网式过滤器内流场数值模拟

阿力甫江·阿不里米提，虎胆·吐马尔白，木拉提·玉赛音,2，阿依古丽·艾科拜尔

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆鑫水现代水利工程有限公司，乌鲁木齐 830019；3.新疆苏齐农业节水规划设计研究院，乌鲁木齐 830049)

微灌工程中根据水质情况、灌溉面积等一些因素，对过滤器型号(尺寸)及过滤流量大小的需求不同[1-3]。

若过滤器流量过少，会引起水泵产生干吸现象或损坏水泵；若过滤器流量过大，则引起水头损失大，导致滤网变形，影响过滤器寿命[4-6]。所以在滴灌工程中选用合适尺寸和流量的过滤器是至关重要。刘飞等[7]在研究自清洗网式过滤器时根据水头损失的大小确定了工作流量，建议80目自清洗网式过滤器的工作流量控制在180 m3/h左右较好；阿力甫江[8,9]等在研究过程中，根据鱼雷网式过滤器工作流量引起的水头损失情况选择了比较合适的工作流量范围。

微灌用鱼雷网式过滤器是一种新型的除沙设备，在泥沙处理和延长过滤时间方面创造了革命性的变革[10-12]。国内有关鱼雷网式过滤器的试验研究较少，阿力甫江等通过试验和实践应用观测得到了一些研究成果[13-15]。本研究基于8寸鱼雷网式过滤器的物理模型试验和数值模拟计算结果的对比分析，验证数值模拟计算结果与实际试验结果的吻合情况。经过模拟计算，推出适合于不同条件的不同流量定额、不同结构尺寸的鱼雷网式过滤器。经过不同4种尺寸鱼雷网式过滤器的数值模拟，分析其内流场变化情况。所得结果为鱼雷网式过滤器结构的进一步优化研究提供技术保障和理论支撑。

1 鱼雷网式过滤器结构及原理

微灌用鱼雷网式过滤器主要由筒体、过滤网、鱼雷网芯、自动控制器及排污装置等部分组成，其核心部件是鱼雷和滤网，具体结构如图1所示。由于鱼雷部件的存在，鱼雷网式过滤器的内流场与其他网式过滤器有所不同。与其他网式过滤器一样，鱼雷网式过滤器的工作过程包括过滤过程和自动清洗过程等2个阶段。过滤过程中滤网开始堵塞，水头损失逐渐增大，当过滤器水头损失达到预设压差值时，压差传感器将信息传到冲洗控制器，控制器自动开启排污阀通向大气进行排污。排污同时过滤依然进行，不间断地向微灌系统供水。达到预设的排污时间时，排污阀自动关闭，过滤器再次进入正常过滤状态。

1-进水口；2-进水口压力表；3-过滤器壳体(筒体)；4-自动冲洗控制器；5-滤网；6-鱼雷；7-自动排污阀进水口压力表；8-自动排污阀出水口压力表；9-自动排污阀；10-出水口压力表；11-出水口 图1 鱼雷网式过滤器结构图

2 鱼雷网式过滤器的数值模拟

2.1 数值模型建立及网格划分

根据实际情况建立8寸鱼雷网式过滤器的三维模型，如图2所示。过滤器的长度方向为X坐标，宽度方向为Z坐标，高度方向为Y坐标，水流沿X轴正方向流进过滤器。对建立的几何模型，用Gambit 2.4进行网格划分，为减少数值模拟的计算工作量和保证计算精度，对网格进行优化。将过滤器分块进行网格划分，由于过滤器头部端、末端和出口链接端结构较复杂，采用四面体非结构性网格，其余部分均采用六面体结构性网格，如图2所示。网格总数为227 354个，分别生成网格后调入Fluent 14.5进行计算。

图2 鱼雷网式过滤器模型网格划分图

2.2 边界条件及模型求解

过滤器边界条件主要分为进口边界、出口边界、过滤器罐体及鱼雷部件表面边界。本研究中过滤器进口设为流速进口，水流方向与X轴正方向一致，设置进口边界条件为U=u，V=W=0，u为过滤器进水口断面的平均流速。过滤器出水管为压力出口边界条件，出口压力与物理试验出口压力相同。过滤器罐体及鱼雷均按照固壁定律处理。

2.3 多孔介质模型

本文引入多孔介质模型将替代滤网计算，将滤网部分计算域定义为多孔介质区域。多孔介质模型就是在动量方程中增加了一个能代表多孔介质对流体的阻力项—动量源项Si。源项由两部分组成，一部分是黏性损失项(Darcy)，另一个是惯性损失项。

(1)

式中：Si为动量方程附加动量源项，N/m3；μ为流体黏度，Pa.s；C2为惯性阻力系数。

当流体流速较高时(湍流状态)，常忽略黏性损失项，只保留惯性损失项，则流体通过多孔介质3个方向上的压力降可表示为：

(2)

式中：Δpi为流体流过多孔介质上的压力降，Pa；Δni为多孔介质在3个坐标方向的厚度，m。

在计算多孔介质模型时，需要在计算前设定两个参数，即黏性阻力系数C1(即1/α)和惯性阻力系数C2，本文采用以下经验公式确定以上参数：

(3)

(4)

(5)

式中：α为渗透率，m2；C1为阻力系数，m-2；C2为惯性损失系数，m-1；D为滤网的孔直径，mm；ε为孔隙比，%。

根据物理试验中采用的滤网参数，即80目滤网的孔直径D=0.212 7 mm，孔隙比ε=33%，丝径d=0.116 2 mm，根据给定的参数值，可计算得到α=6.63×10-11m2，C1=1.508×1010m-2，C2=137 711 m-1。

2.4 模型验证

为了保证数值模拟计算结果的可靠性，将数值模拟结果与物理试验结果进行对比分析。本次试验由清水作为水源进行试验并得到不同流量下进出口压力降(也就是水头损失)关系，表1为物理试验与数值模拟结果的水头损失对比情况，从表中可知，进水流量为210～390 m3/h的工作流量范围时，数值计算与物理试验结果的最小相对误差是1.41%，最大相对误差为5.99%，说明数值模拟与试验结果吻合度较高。

表1 试验与数值模拟结果对比

根据所得结果求出过滤器流量-水头损失关系曲线(如图3所示)，根据数值模拟结果拟定出过滤器流量与水头损失的关系式为：Hw=0.000 09Q1.840 5，其中，Hw为水头损失，m；Q为流量，m3/h；试验结果和模拟结果的指数相差不大，水头损失系数相差很小，可忽略不计；水头损失拟合经验公式相关系数R2均大于0.99。

图3 模拟压降和实测压降对比

计算结果和物理试验结果吻合较好，说明所选模型及参数合理。

8寸鱼雷网式过滤器的数值计算结果与物理模型试验结果吻合较好，说明可以利用fluent软件对过滤器进行结构优化研究，并得到的结果在实际过滤器研究中提供参考。

3 不同尺寸鱼雷网式过滤器的数值模拟

边界条件和模型设计与8寸鱼雷网式过滤器相同的情况下，分别对4寸、6寸及10寸鱼雷网式过滤器进行数值模拟计算。通过推出适合不同流量的鱼雷网式过滤器尺寸，让鱼雷网式过滤器不仅在农业灌溉地里工作，而且普遍使用在不同面积的果园，私人花园及草坪等跟人类生活密切有关的小面积区域内。以下给出不同尺寸过滤器的示意图：图4(a)为4寸鱼雷网式过滤器，进出口直径0.1 m，过滤器罐体长度0.516 m，罐体直径0.129 m，滤网直径0.1 m，鱼雷直径0.077 m；图4(b)为6寸鱼雷网式过滤器，进出口直径0.14 m，过滤器罐体长度0.687 m，罐体直径0.172 m，滤网直径0.14 m，鱼雷直径0.103m；图4(c)为10寸鱼雷网式过滤器，它的进出口直径0.27 m，过滤器罐体长度1.375 m，罐体直径0.342 m，滤网直径为0.27 m，鱼雷直径为0.204 m。

图4 不同尺寸的鱼雷网式过滤器

3.1 水头损失计算结果

通过在不同过滤流量工况下对4寸、6寸、10寸的鱼雷网式过滤器的数值计算，表2为对4寸过滤器在20、50、80、100、120、150 m3/h等6种不同流量工况下进行数值模拟计算，出口压强统一设计为179 kPa。计算稳定后过滤器的水头损失hw分别为0.347、1.756、4.161、6.314、10.324、15.823 m。

表2 4寸鱼雷网式过滤器数值模拟结果

同样的方法，对6寸鱼雷网式过滤器在50、100、150、200、250、300 m3/h等6种不同流量工况下进行数值模拟的计算，出口压强统一设计为179 kPa。计算稳定后的过滤器水头损失hw分别为0.525、1.805、3.816、6.530、10.084、14.383 m。对10寸鱼雷网式过滤器在350、400、450、500、550、600 m3/h等6种不同流量工况下进行数值模拟计算，稳定后的过滤器水头损失hw分别为1.634、2.086、2.599、3.203、3.686、4.448 m。

根据对不同尺寸鱼雷网式过滤器的数值模拟结果，综合考虑灌溉面积、水泵耗能等因素，试验研究确定的各鱼雷网式过滤器适宜的流量范围为：4寸过滤器流量范围20～80 m3/h;6寸过滤器的为80～200 m3/h；8寸过滤器的为200～400 m3/h；10寸过滤器的为400～600 m3/h比较好。

3.3 流场分析

本研究对不同尺寸的鱼雷网式过滤器进行了不同流量的数值模拟计算，以下各尺寸的鱼雷网式过滤器在选定流量下的情况进行分析。4寸过滤器选择进水流量为80 m3/h，进口流速为2.83 m/s；6寸过滤器选择进水流量150 m3/h，进口流速2.71 m/s；8寸过滤器选择进水流量为300 m3/h，进口流速为2.654 m/s；10寸过滤器选择进水流量为500 m3/h，进口流速为2.427 m/s。

不同尺寸鱼雷网式过滤器的速度矢量图如图5所示。由图5可知：①不同尺寸的过滤器内流场变化情况基本一致。从进口流进的水流到了罐体头部时遇到鱼雷，过水断面面积突然变小，此时少一部分水开始穿过滤网，其他水流往罐体尾部流动，并与过滤器尾部折返回来的水流混掺而流速逐渐变慢；②从进水口流进的部分水流穿过滤网后往出水口流动，其他水流往鱼雷尾部流动，带着泥沙颗粒的水流从鱼雷尾部的8个小孔流进鱼雷内腔，让颗粒沉淀在鱼雷内部，清水从鱼雷头部的4个小孔流出；③水流到出水口附近时流速变快，在出水口直角转弯处出现旋涡区，水流继续往前流动的过程旋涡流逐渐消失，水流均匀地从出水口流出。

图5 不同尺寸过滤器在Z=0断面的流速矢量图(流速单位：m/s)

3.2 压强场分析

在相应的进水流量情况下，绘制不同尺寸的过滤器在Z=0纵断面的压强分布云图(图6)。从图6可看出以下几点：①4种不同尺寸过滤器的内部压强分布情况基本相同，进水口段压强最大，出水口段压强最小，鱼雷部件内腔的压强值基本相等；②进水口附近滤网内外有一定的压差，而罐体尾部滤网内外压强值基本相等。

过滤器头部断面的压强分布情况如图7所示。在过滤器罐体头部段(也就是鱼雷前孔存在的断面)鱼雷内部压强最大，滤网外侧的压强最小。鱼雷外部和罐体外壳之间的部分受到进出水口的水流作用、滤网阻碍及末端回流的影响，其压强分布较不均匀。

如图8所示，过滤器罐体末端(也就是鱼雷后孔存在的段)断面压力分布云图可以看出，滤网内外和鱼雷内部的压强几乎相同，没有明显差异。这是因为过滤器末端回流区里泥沙沉积，水流流速缓慢，滤网及鱼雷内外压强基本稳定。

图6 不同尺寸的鱼雷网式过滤器在Z=0断面的压强分布云图(压强单位：kPa)

图7 不同尺寸过滤器在鱼雷前孔断面的压力分布云图(压强单位：kPa)

图8 不同尺寸过滤器在鱼雷后孔断面的压力分布云图(压强单位：kPa)

4 结论与展望

通过本次数值模拟计算，得到以下结论。

(1)利用fluent软件模拟了8寸鱼雷网式过滤器的内部流场，模拟结果与实际试验结果吻合度较高，可用fluent软件对鱼雷网式过滤器进行数值模拟分析。

(2)根据数值模拟结果，综合考虑灌溉面积、水泵耗能等因素，可确定不同尺寸鱼雷网式过滤器的最佳进水流量范围为：4寸过滤器流量范围20～80 m3/h;6寸过滤器80～200 m3/h；8寸过滤器200～400 m3/h；10寸过滤器为400～600 m3/h较好。

(3)数值模拟结果显示，4寸、6寸、8寸和10寸鱼雷网式过滤器在额定进水流量条件下流速场变化情况与内部压强分布规律基本一致。

基于不同尺寸鱼雷网式过滤器内流场的数值模拟进一步解释其运行规律，为后续的鱼雷网式过滤器结构优化和参数改进提供技术依据。国内关于微灌过滤器尺寸对其运行规律和功效的影响方面的研究较少，阿力甫江[16]，陶洪飞[17]等研究过滤器出水口位置对其功效的影响，但目前的研究层次还没深化，缺乏足够的数值模拟和实践试验对比研究。后续的有关研究需数值模拟和实践相结合，进一步深化过滤器结构方面研究。