不同尺寸魚雷網式過濾器內流場數值模擬

阿力甫江·阿不里米提，虎膽·吐馬爾白，木拉提·玉賽音,2，阿依古麗·艾科拜爾

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆鑫水現代水利工程有限公司，烏魯木齊 830019；3.新疆蘇齊農業節水規劃設計研究院，烏魯木齊 830049)

微灌工程中根據水質情況、灌溉面積等一些因素，對過濾器型號(尺寸)及過濾流量大小的需求不同[1-3]。

若過濾器流量過少，會引起水泵產生干吸現象或損壞水泵；若過濾器流量過大，則引起水頭損失大，導致濾網變形，影響過濾器壽命[4-6]。所以在滴灌工程中選用合適尺寸和流量的過濾器是至關重要。劉飛等[7]在研究自清洗網式過濾器時根據水頭損失的大小確定了工作流量，建議80目自清洗網式過濾器的工作流量控制在180 m3/h左右較好；阿力甫江[8,9]等在研究過程中，根據魚雷網式過濾器工作流量引起的水頭損失情況選擇了比較合適的工作流量范圍。

微灌用魚雷網式過濾器是一種新型的除沙設備，在泥沙處理和延長過濾時間方面創造了革命性的變革[10-12]。國內有關魚雷網式過濾器的試驗研究較少，阿力甫江等通過試驗和實踐應用觀測得到了一些研究成果[13-15]。本研究基于8寸魚雷網式過濾器的物理模型試驗和數值模擬計算結果的對比分析，驗證數值模擬計算結果與實際試驗結果的吻合情況。經過模擬計算，推出適合于不同條件的不同流量定額、不同結構尺寸的魚雷網式過濾器。經過不同4種尺寸魚雷網式過濾器的數值模擬，分析其內流場變化情況。所得結果為魚雷網式過濾器結構的進一步優化研究提供技術保障和理論支撐。

1 魚雷網式過濾器結構及原理

微灌用魚雷網式過濾器主要由筒體、過濾網、魚雷網芯、自動控制器及排污裝置等部分組成，其核心部件是魚雷和濾網，具體結構如圖1所示。由于魚雷部件的存在，魚雷網式過濾器的內流場與其他網式過濾器有所不同。與其他網式過濾器一樣，魚雷網式過濾器的工作過程包括過濾過程和自動清洗過程等2個階段。過濾過程中濾網開始堵塞，水頭損失逐漸增大，當過濾器水頭損失達到預設壓差值時，壓差傳感器將信息傳到沖洗控制器，控制器自動開啟排污閥通向大氣進行排污。排污同時過濾依然進行，不間斷地向微灌系統供水。達到預設的排污時間時，排污閥自動關閉，過濾器再次進入正常過濾狀態。

1-進水口；2-進水口壓力表；3-過濾器殼體(筒體)；4-自動沖洗控制器；5-濾網；6-魚雷；7-自動排污閥進水口壓力表；8-自動排污閥出水口壓力表；9-自動排污閥；10-出水口壓力表；11-出水口 圖1 魚雷網式過濾器結構圖

2 魚雷網式過濾器的數值模擬

2.1 數值模型建立及網格劃分

根據實際情況建立8寸魚雷網式過濾器的三維模型，如圖2所示。過濾器的長度方向為X坐標，寬度方向為Z坐標，高度方向為Y坐標，水流沿X軸正方向流進過濾器。對建立的幾何模型，用Gambit 2.4進行網格劃分，為減少數值模擬的計算工作量和保證計算精度，對網格進行優化。將過濾器分塊進行網格劃分，由于過濾器頭部端、末端和出口鏈接端結構較復雜，采用四面體非結構性網格，其余部分均采用六面體結構性網格，如圖2所示。網格總數為227 354個，分別生成網格后調入Fluent 14.5進行計算。

圖2 魚雷網式過濾器模型網格劃分圖

2.2 邊界條件及模型求解

過濾器邊界條件主要分為進口邊界、出口邊界、過濾器罐體及魚雷部件表面邊界。本研究中過濾器進口設為流速進口，水流方向與X軸正方向一致，設置進口邊界條件為U=u，V=W=0，u為過濾器進水口斷面的平均流速。過濾器出水管為壓力出口邊界條件，出口壓力與物理試驗出口壓力相同。過濾器罐體及魚雷均按照固壁定律處理。

2.3 多孔介質模型

本文引入多孔介質模型將替代濾網計算，將濾網部分計算域定義為多孔介質區域。多孔介質模型就是在動量方程中增加了一個能代表多孔介質對流體的阻力項—動量源項Si。源項由兩部分組成，一部分是黏性損失項(Darcy)，另一個是慣性損失項。

(1)

式中：Si為動量方程附加動量源項，N/m3；μ為流體黏度，Pa.s；C2為慣性阻力系數。

當流體流速較高時(湍流狀態)，常忽略黏性損失項，只保留慣性損失項，則流體通過多孔介質3個方向上的壓力降可表示為：

(2)

式中：Δpi為流體流過多孔介質上的壓力降，Pa；Δni為多孔介質在3個坐標方向的厚度，m。

在計算多孔介質模型時，需要在計算前設定兩個參數，即黏性阻力系數C1(即1/α)和慣性阻力系數C2，本文采用以下經驗公式確定以上參數：

(3)

(4)

(5)

式中：α為滲透率，m2；C1為阻力系數，m-2；C2為慣性損失系數，m-1；D為濾網的孔直徑，mm；ε為孔隙比，%。

根據物理試驗中采用的濾網參數，即80目濾網的孔直徑D=0.212 7 mm，孔隙比ε=33%，絲徑d=0.116 2 mm，根據給定的參數值，可計算得到α=6.63×10-11m2，C1=1.508×1010m-2，C2=137 711 m-1。

2.4 模型驗證

為了保證數值模擬計算結果的可靠性，將數值模擬結果與物理試驗結果進行對比分析。本次試驗由清水作為水源進行試驗并得到不同流量下進出口壓力降(也就是水頭損失)關系，表1為物理試驗與數值模擬結果的水頭損失對比情況，從表中可知，進水流量為210～390 m3/h的工作流量范圍時，數值計算與物理試驗結果的最小相對誤差是1.41%，最大相對誤差為5.99%，說明數值模擬與試驗結果吻合度較高。

表1 試驗與數值模擬結果對比

根據所得結果求出過濾器流量-水頭損失關系曲線(如圖3所示)，根據數值模擬結果擬定出過濾器流量與水頭損失的關系式為：Hw=0.000 09Q1.840 5，其中，Hw為水頭損失，m；Q為流量，m3/h；試驗結果和模擬結果的指數相差不大，水頭損失系數相差很小，可忽略不計；水頭損失擬合經驗公式相關系數R2均大于0.99。

圖3 模擬壓降和實測壓降對比

計算結果和物理試驗結果吻合較好，說明所選模型及參數合理。

8寸魚雷網式過濾器的數值計算結果與物理模型試驗結果吻合較好，說明可以利用fluent軟件對過濾器進行結構優化研究，并得到的結果在實際過濾器研究中提供參考。

3 不同尺寸魚雷網式過濾器的數值模擬

邊界條件和模型設計與8寸魚雷網式過濾器相同的情況下，分別對4寸、6寸及10寸魚雷網式過濾器進行數值模擬計算。通過推出適合不同流量的魚雷網式過濾器尺寸，讓魚雷網式過濾器不僅在農業灌溉地里工作，而且普遍使用在不同面積的果園，私人花園及草坪等跟人類生活密切有關的小面積區域內。以下給出不同尺寸過濾器的示意圖：圖4(a)為4寸魚雷網式過濾器，進出口直徑0.1 m，過濾器罐體長度0.516 m，罐體直徑0.129 m，濾網直徑0.1 m，魚雷直徑0.077 m；圖4(b)為6寸魚雷網式過濾器，進出口直徑0.14 m，過濾器罐體長度0.687 m，罐體直徑0.172 m，濾網直徑0.14 m，魚雷直徑0.103m；圖4(c)為10寸魚雷網式過濾器，它的進出口直徑0.27 m，過濾器罐體長度1.375 m，罐體直徑0.342 m，濾網直徑為0.27 m，魚雷直徑為0.204 m。

圖4 不同尺寸的魚雷網式過濾器

3.1 水頭損失計算結果

通過在不同過濾流量工況下對4寸、6寸、10寸的魚雷網式過濾器的數值計算，表2為對4寸過濾器在20、50、80、100、120、150 m3/h等6種不同流量工況下進行數值模擬計算，出口壓強統一設計為179 kPa。計算穩定后過濾器的水頭損失hw分別為0.347、1.756、4.161、6.314、10.324、15.823 m。

表2 4寸魚雷網式過濾器數值模擬結果

同樣的方法，對6寸魚雷網式過濾器在50、100、150、200、250、300 m3/h等6種不同流量工況下進行數值模擬的計算，出口壓強統一設計為179 kPa。計算穩定后的過濾器水頭損失hw分別為0.525、1.805、3.816、6.530、10.084、14.383 m。對10寸魚雷網式過濾器在350、400、450、500、550、600 m3/h等6種不同流量工況下進行數值模擬計算，穩定后的過濾器水頭損失hw分別為1.634、2.086、2.599、3.203、3.686、4.448 m。

根據對不同尺寸魚雷網式過濾器的數值模擬結果，綜合考慮灌溉面積、水泵耗能等因素，試驗研究確定的各魚雷網式過濾器適宜的流量范圍為：4寸過濾器流量范圍20～80 m3/h;6寸過濾器的為80～200 m3/h；8寸過濾器的為200～400 m3/h；10寸過濾器的為400～600 m3/h比較好。

3.3 流場分析

本研究對不同尺寸的魚雷網式過濾器進行了不同流量的數值模擬計算，以下各尺寸的魚雷網式過濾器在選定流量下的情況進行分析。4寸過濾器選擇進水流量為80 m3/h，進口流速為2.83 m/s；6寸過濾器選擇進水流量150 m3/h，進口流速2.71 m/s；8寸過濾器選擇進水流量為300 m3/h，進口流速為2.654 m/s；10寸過濾器選擇進水流量為500 m3/h，進口流速為2.427 m/s。

不同尺寸魚雷網式過濾器的速度矢量圖如圖5所示。由圖5可知：①不同尺寸的過濾器內流場變化情況基本一致。從進口流進的水流到了罐體頭部時遇到魚雷，過水斷面面積突然變小，此時少一部分水開始穿過濾網，其他水流往罐體尾部流動，并與過濾器尾部折返回來的水流混摻而流速逐漸變慢；②從進水口流進的部分水流穿過濾網后往出水口流動，其他水流往魚雷尾部流動，帶著泥沙顆粒的水流從魚雷尾部的8個小孔流進魚雷內腔，讓顆粒沉淀在魚雷內部，清水從魚雷頭部的4個小孔流出；③水流到出水口附近時流速變快，在出水口直角轉彎處出現旋渦區，水流繼續往前流動的過程旋渦流逐漸消失，水流均勻地從出水口流出。

圖5 不同尺寸過濾器在Z=0斷面的流速矢量圖(流速單位：m/s)

3.2 壓強場分析

在相應的進水流量情況下，繪制不同尺寸的過濾器在Z=0縱斷面的壓強分布云圖(圖6)。從圖6可看出以下幾點：①4種不同尺寸過濾器的內部壓強分布情況基本相同，進水口段壓強最大，出水口段壓強最小，魚雷部件內腔的壓強值基本相等；②進水口附近濾網內外有一定的壓差，而罐體尾部濾網內外壓強值基本相等。

過濾器頭部斷面的壓強分布情況如圖7所示。在過濾器罐體頭部段(也就是魚雷前孔存在的斷面)魚雷內部壓強最大，濾網外側的壓強最小。魚雷外部和罐體外殼之間的部分受到進出水口的水流作用、濾網阻礙及末端回流的影響，其壓強分布較不均勻。

如圖8所示，過濾器罐體末端(也就是魚雷后孔存在的段)斷面壓力分布云圖可以看出，濾網內外和魚雷內部的壓強幾乎相同，沒有明顯差異。這是因為過濾器末端回流區里泥沙沉積，水流流速緩慢，濾網及魚雷內外壓強基本穩定。

圖6 不同尺寸的魚雷網式過濾器在Z=0斷面的壓強分布云圖(壓強單位：kPa)

圖7 不同尺寸過濾器在魚雷前孔斷面的壓力分布云圖(壓強單位：kPa)

圖8 不同尺寸過濾器在魚雷后孔斷面的壓力分布云圖(壓強單位：kPa)

4 結論與展望

通過本次數值模擬計算，得到以下結論。

(1)利用fluent軟件模擬了8寸魚雷網式過濾器的內部流場，模擬結果與實際試驗結果吻合度較高，可用fluent軟件對魚雷網式過濾器進行數值模擬分析。

(2)根據數值模擬結果，綜合考慮灌溉面積、水泵耗能等因素，可確定不同尺寸魚雷網式過濾器的最佳進水流量范圍為：4寸過濾器流量范圍20～80 m3/h;6寸過濾器80～200 m3/h；8寸過濾器200～400 m3/h；10寸過濾器為400～600 m3/h較好。

(3)數值模擬結果顯示，4寸、6寸、8寸和10寸魚雷網式過濾器在額定進水流量條件下流速場變化情況與內部壓強分布規律基本一致。

基于不同尺寸魚雷網式過濾器內流場的數值模擬進一步解釋其運行規律，為后續的魚雷網式過濾器結構優化和參數改進提供技術依據。國內關于微灌過濾器尺寸對其運行規律和功效的影響方面的研究較少，阿力甫江[16]，陶洪飛[17]等研究過濾器出水口位置對其功效的影響，但目前的研究層次還沒深化，缺乏足夠的數值模擬和實踐試驗對比研究。后續的有關研究需數值模擬和實踐相結合，進一步深化過濾器結構方面研究。