旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過濾器轉(zhuǎn)速變化規(guī)律及影響因素研究

周 洋，陶洪飛，楊文新，馬合木江·艾合買提，李 巧，姜有為，李 莎

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

水資源短缺、利用效率低等問題嚴(yán)重制約著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，解決水資源短缺問題的主要途徑就是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)[1]。微灌作為一種先進(jìn)的高效節(jié)水灌溉方式，因其具有明顯的節(jié)水增產(chǎn)效果，在新疆地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。新疆地區(qū)灌溉水源多為地表水，含有不同程度的污物及雜質(zhì)，容易造成灌水器的堵塞。過濾器作為微灌系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，能夠?qū)喔人催M(jìn)行凈化處理，從而保證微灌系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。網(wǎng)式過濾器具有結(jié)構(gòu)簡單，造價低，反沖洗方便等優(yōu)點(diǎn)在新疆地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有網(wǎng)式過濾器的研究主要包括水力性能、流場、過濾機(jī)理以及綜合評價指標(biāo)等。例如：劉煥芳等[2]對自吸網(wǎng)式過濾器進(jìn)行水力性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)過濾時間的變化規(guī)律并非呈線性，并對自清洗時間進(jìn)行了計(jì)算。鄭鐵剛等[3]對自吸自動網(wǎng)式過濾器進(jìn)行水力性能試驗(yàn)，得出了水頭損失隨流量的變化規(guī)律，通過試驗(yàn)研究和回歸分析得出自吸自動網(wǎng)式過濾器的水頭損失計(jì)算公式。宗全利等[4]對自清洗網(wǎng)式過濾器排污壓差進(jìn)行了計(jì)算，分析了流量、含沙情況、過濾時間等對排污壓差的影響規(guī)律，獲得了清水和渾水水頭損失變化曲線，給出了過濾器最佳排污壓差值。Wu等[5]、Yurdem等[6]、Zong等[7]和Duran-Ros等[8]采用量綱分析法建立了過濾器的水頭損失預(yù)測模型，模型具有較好的預(yù)測精度。Ali等[9]設(shè)計(jì)了兩種水輪驅(qū)動的工業(yè)用滾筒過濾機(jī)，并對其性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)流量對過濾器表面積和轉(zhuǎn)速影響較大，水輪驅(qū)動方式節(jié)能效果顯著。阿力甫江·阿不里米提等[10]對魚雷網(wǎng)式過濾器內(nèi)部全流場進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，魚雷部件和出水口邊界條件對過濾器的速度場和壓力場分布規(guī)律影響很大。王新坤等[11]以阿速德(AZUD) 網(wǎng)式過濾器為研究對象，采用多孔介質(zhì)模型對過濾器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化了過濾器筒體形狀、進(jìn)出口位置和進(jìn)出口角度，改善了過濾器內(nèi)部流場分布。陶洪飛等[12-14]研究了流量、濾網(wǎng)孔徑、出水管角度對網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場的影響，并為過濾器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了建議。喻黎明等[15-16]采用CFD-DEM耦合模型模擬了網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場、沙粒的運(yùn)動及分布，為過濾器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。宗全利等[17]對網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)堵塞的成因及壓降進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果表明，濾網(wǎng)孔徑和水流含沙量是影響濾網(wǎng)堵塞的重要因素，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了濾網(wǎng)內(nèi)外壓降與濾網(wǎng)孔徑、厚度、孔隙率和濾餅厚度等的定量關(guān)系式。王新坤等[18]為降低微灌過濾裝置造價與運(yùn)行費(fèi)用，建立了單體過濾器優(yōu)化選型與單級組合過濾裝置優(yōu)化配置的數(shù)學(xué)模型。

現(xiàn)有網(wǎng)式過濾器多采用泵后過濾，即水泵將沉沙池尾部的水流抽入過濾器后，進(jìn)行過濾和沖洗，這種強(qiáng)壓過濾和沖洗方式存在水頭損失大和過濾效率低的問題。針對現(xiàn)有網(wǎng)式過濾器的不足，將泵后強(qiáng)壓過濾沖洗改為泵前過濾，以降低水頭損失，并通過低功率水泵驅(qū)動使以前固定在罐體內(nèi)的濾網(wǎng)發(fā)生轉(zhuǎn)動，以提高效率，從而發(fā)明了旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過濾器(專利號：ZL 201820770880.4)。由于該過濾器與現(xiàn)有過濾器的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式不同，因此對其進(jìn)行專門的研究很有必要。本文選用的旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過濾器主要采用80目不銹鋼濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，通過改變5種不同進(jìn)水含沙量(S=0.5、0.8、1.2、1.5、2.5 g/L)及5種不同流量(Q=1.2、1.7、2.4、3.0、3.5 m3/h)對旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過濾器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律和過濾池內(nèi)的泥沙質(zhì)量進(jìn)行探討，為進(jìn)一步降低網(wǎng)式過濾器的水頭損失、延緩堵塞提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置及工作原理

旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過濾器布置在沉砂池的尾部位置，通過支撐桿軸懸掛于過濾池的上部，過濾筒體不與過濾池內(nèi)的濾后水流相接觸。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡單，拆卸方便，同時還可以避免濾后水流對網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速的影響，從而節(jié)約能源。旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過濾器由過濾筒體、濾網(wǎng)、葉片、轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，網(wǎng)筒前端開有圓孔，濾網(wǎng)外側(cè)安裝有支撐桿軸，網(wǎng)筒尾部安裝有排污閥門。本次試驗(yàn)所用過濾器相關(guān)參數(shù)如下：網(wǎng)筒直徑為21 cm，長為51.5 cm，濾網(wǎng)為80目，有效長度為25.5 cm。葉片的參數(shù)及布置方式會影響過濾網(wǎng)筒的轉(zhuǎn)速，本次試驗(yàn)葉片為長10 cm，寬2.5 cm的矩形葉片，葉片間距為3.5 cm，以與桿軸線方向呈15°的夾角布置于網(wǎng)筒內(nèi)部。圖1為旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過濾器的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過濾器結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)裝置由蓄水池、過濾池、集污池3大部分組成，蓄水池由長方形蓄水桶代替，用于向過濾池供水，其長度為67.5 cm，寬46 cm，高35.5 cm。過濾池長60.5 cm、寬42.5 cm、高51 cm，集污池長22 cm，寬42.5 cm，高51 cm，過濾池及集污池為一整體，其材料為有機(jī)玻璃，整個試驗(yàn)裝置為一循環(huán)系統(tǒng)，圖2為試驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)示意圖。

圖2 試驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)裝置的工作原理：蓄水池內(nèi)的攪水泵將渾水充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅蜷_抽水泵(低功率水泵，模擬沉沙池尾部水流所具有的微小水頭)，渾水通過進(jìn)水管均勻的進(jìn)入過濾器，水流沖擊葉片帶動整個過濾網(wǎng)筒轉(zhuǎn)動，由內(nèi)而外進(jìn)行水沙分離。分離后的清水以及小于濾網(wǎng)孔徑的泥沙顆粒進(jìn)入過濾池底部，過濾器內(nèi)部的泥沙顆粒由排污管排至集污池內(nèi)，循環(huán)水泵將濾后水抽至蓄水池內(nèi)，重新混合后進(jìn)入下一個循環(huán)。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn)。清水試驗(yàn)條件下，濾網(wǎng)不會發(fā)生堵塞，主要測取網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速隨進(jìn)水流量的變化關(guān)系。在渾水試驗(yàn)中，由于泥沙顆粒在網(wǎng)筒內(nèi)部聚集并逐漸堵塞過濾網(wǎng)孔，隨著過濾時間的延長，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速逐漸減小直至停止。為了探究渾水條件下轉(zhuǎn)速隨過濾時間的變化規(guī)律以及網(wǎng)筒轉(zhuǎn)動對過濾效果的影響，分別在相同含沙量和相同流量條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

相同含沙量試驗(yàn)為保持進(jìn)水含沙量一定時，測取不同流量(Q=1.2、1.7、2.4、3.0、3.5 m3/h)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速隨過濾時間的變化關(guān)系；相同流量試驗(yàn)為進(jìn)水流量一定時，測取不同進(jìn)水含沙量(S=0.5、0.8、1.2、1.5、2.5 g/L)條件下，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速隨過濾時間的變化關(guān)系。每次試驗(yàn)結(jié)束后，對過濾池內(nèi)聚集的泥沙顆粒進(jìn)行收集、分析，將濾網(wǎng)及過濾池沖洗干凈，再進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)材料

由于本試驗(yàn)所用濾網(wǎng)為80目，故選取較大粒徑泥沙進(jìn)行試驗(yàn)，圖3為試驗(yàn)?zāi)嗌沉郊壟淝€，小于0.075 mm的泥沙含量占2.47%，其中值粒徑D50=0.28 mm，大于0.315 mm的約占39%。

圖3 試驗(yàn)?zāi)嗌沉郊壟淝€

試驗(yàn)所用的儀器主要有：過濾器1個、電子天平1個、攪水泵1臺、抽水泵2臺、泥漿泵1臺、500 mL錐形瓶1個、玻璃燒杯2個、秒表2個、紅外測溫儀1個、蓄水桶1個、1 000 mL量杯10個。

3 結(jié)果與分析

3.1 清水條件下網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速與流量的關(guān)系

清水試驗(yàn)分別在流量為1.2、1.7、2.4、3.0、3.5 m3/h條件下進(jìn)行，每個流量條件下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，記錄過濾網(wǎng)筒所轉(zhuǎn)圈數(shù)，采用秒表記錄相應(yīng)時間，計(jì)算出各個流量條件下網(wǎng)筒的轉(zhuǎn)速。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行線性回歸分析，圖4為清水條件下過濾網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速與流量的關(guān)系。

圖4 清水條件下過濾網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速與流量的關(guān)系

由圖4可知，過濾網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速隨流量的增大而增大。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了線性擬合，擬合方程為n=11.84Q-2.46，其決定系數(shù)R2為0.99，擬合度較高，表明清水條件下，過濾網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速與流量具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

3.2 渾水條件下進(jìn)水流量對網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速的影響

在相同進(jìn)水含沙量條件下進(jìn)行試驗(yàn)，改變進(jìn)水流量分別為1.2、1.7、2.4、3.0、3.5 m3/h，通過對網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速和過濾時間的測定，繪制了轉(zhuǎn)速隨過濾時間的變化曲線，圖5為進(jìn)水水流不同含沙量時，各進(jìn)水流量下網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速隨過濾時間的變化曲線。

圖5 不同含沙量各進(jìn)水流量下網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速隨過濾時間的變化曲線

由圖5可知，不同含沙量的各進(jìn)水流量條件下，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速總體上均隨過濾時間的延長而逐漸減小。當(dāng)進(jìn)水流量由1.2 m3/h逐漸增長到3.5 m3/h時，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速隨流量的增大而增大，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在整個過濾周期內(nèi)，流量為3.5 m3/h時對應(yīng)的網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速并不一直處于最大。這表明渾水條件下轉(zhuǎn)速與流量的關(guān)系不同于清水條件，主要原因在于，清水條件下，流量的增大會直接導(dǎo)致網(wǎng)筒驅(qū)動力的增大，從而轉(zhuǎn)速得到顯著的提升。而渾水條件下，流量的增大不但增大了網(wǎng)筒驅(qū)動力，而且增加了網(wǎng)筒內(nèi)的泥沙質(zhì)量，由于泥沙顆粒在網(wǎng)筒內(nèi)表面的不均勻分布，導(dǎo)致渾水條件下轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定性。

由圖5還可以看出，在含沙量一定的條件下，流量增大，初始時刻網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速會增大，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)動的持續(xù)時間會延長。以含沙量為1.2 g/L為例，流量從1.2 m3/h增大到3.5 m3/h時，初始時刻網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速增大了2.5倍，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)動持續(xù)時間延長了2.15倍。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在最小含沙量(0.5 g/L)和最大含沙量(2.5 g/L)時，隨著流量的逐漸增大，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)動的持續(xù)時間增加幅度不大。主要原因是，在最小含沙量時，隨著流量的增大，網(wǎng)筒質(zhì)量緩慢增加，從而對轉(zhuǎn)動持續(xù)時間影響不大，而含沙量增大到最大時，網(wǎng)筒質(zhì)量顯著增加，而驅(qū)動力有限，使網(wǎng)筒在較短時間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致網(wǎng)筒轉(zhuǎn)動持續(xù)時間差異微小。

3.3 渾水條件下進(jìn)水流量對網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速的影響

在相同進(jìn)水流量條件下進(jìn)行試驗(yàn)，改變進(jìn)水含沙量分別為0.5、0.8、1.2、1.5、2.5 g/L，通過對轉(zhuǎn)速和過濾時間的測定，繪制了轉(zhuǎn)速隨過濾時間的變化曲線，圖6為不同進(jìn)水流量時，各含沙量下網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速隨過濾時間的變化曲線。

由圖6可知，不同進(jìn)水流量各含沙量條件下，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速隨過濾時間的延長而逐漸降低。在流量一定條件下，隨著進(jìn)水含沙量的逐漸增大，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速變化曲線逐漸由緩變陡，轉(zhuǎn)速的下降速度加快，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)動持續(xù)時間明顯縮短。以流量為1.7 m3/h為例，含沙量為0.5 g/L時網(wǎng)筒轉(zhuǎn)動持續(xù)時間為2.5 g/L時的16.3倍，這表明，進(jìn)水含沙量對網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速有重要影響。這是因?yàn)椋?dāng)進(jìn)水流量一定時，裝置的驅(qū)動力大小不變，隨著進(jìn)水含沙量的逐漸增大，單位時間進(jìn)入網(wǎng)筒內(nèi)部的泥沙顆粒會增多，引起網(wǎng)筒質(zhì)量的增加，從而導(dǎo)致網(wǎng)筒轉(zhuǎn)動持續(xù)時間的縮短。

分析圖6可知，在不同進(jìn)水含沙量條件下，在過濾開始的初始時刻，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速迅速達(dá)到最大值，隨后，轉(zhuǎn)速隨時間的延長逐漸降低直至停止轉(zhuǎn)動。初始時刻網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速差異明顯，總的來說，進(jìn)水含沙量越大，初始時刻網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速越小。并且由含沙量引起的初始時刻網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速的差異會隨著流量的增大而逐漸減小。例如，當(dāng)流量為1.2 m3/h時，不同含沙量條件下，初始時刻最大轉(zhuǎn)速為最小轉(zhuǎn)速的2.2倍，當(dāng)流量增大到3.5 m3/h時，初始時刻最大轉(zhuǎn)速為最小轉(zhuǎn)速的1.09倍。這表明，網(wǎng)筒初始時刻轉(zhuǎn)速受到含沙量和流量的共同影響，兩者的共同作用決定了初始轉(zhuǎn)速的大小。

由圖6還可看出，網(wǎng)筒停止轉(zhuǎn)動的時間與進(jìn)水含沙量有關(guān)，進(jìn)水含沙量增大，網(wǎng)筒停止轉(zhuǎn)動的時間將會提前。其主要原因是，流量一定時，網(wǎng)筒驅(qū)動力大小不變，含沙量的增大會引起網(wǎng)筒質(zhì)量的增加，當(dāng)網(wǎng)筒重力和摩擦力之和超過驅(qū)動力時，網(wǎng)筒停止轉(zhuǎn)動。試驗(yàn)表明，進(jìn)水含沙量對網(wǎng)筒初始轉(zhuǎn)速和停止轉(zhuǎn)動的時間有影響。

圖6 不同進(jìn)水流量各含沙量下網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速隨過濾時間的變化曲線

3.4 過濾池底部泥沙質(zhì)量分析

渾水試驗(yàn)在不同流量和不同含沙量條件下進(jìn)行，每組試驗(yàn)結(jié)束后，對過濾池內(nèi)的泥沙顆粒進(jìn)行收集，分別進(jìn)行烘干、稱重、篩分后得到其泥沙質(zhì)量分布情況，表1為不同進(jìn)水流量及含沙量條件下出水泥沙各粒徑質(zhì)量分布。

表1 不同進(jìn)水流量及含沙量條件下出水泥沙各粒徑質(zhì)量分布

由表1可知，在進(jìn)水流量一定的情況下，隨著進(jìn)水含沙量的增大，過濾后水體的總含沙質(zhì)量逐漸增大，符合質(zhì)量守恒定律。并且在過濾池底部的泥沙顆粒中，粒徑大于等于0.18 mm的泥沙占主要部分(超過50%)。而在進(jìn)水含沙量一定的條件下，隨著進(jìn)水流量的逐漸增大，過濾后水體的總含沙質(zhì)量逐漸減小。當(dāng)進(jìn)水含沙量相同時，流量增大使網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速加快，增大了泥沙顆粒與濾網(wǎng)接觸的面積及頻率，從而增大了泥沙顆粒的捕集效率，出現(xiàn)過濾池內(nèi)的泥沙質(zhì)量隨網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速的增加而逐漸降低的現(xiàn)象。這表明，增大網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速可以降低出水含沙量。

4 結(jié) 論

(1)清水試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)水流量的大小對網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速有顯著影響，進(jìn)水流量越大，則網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速越快。擬合得到了清水條件下網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速與流量的關(guān)系式為n=11.84Q-2.46。

(2)渾水試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)水流量和含沙量均對網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速有重要影響。網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速隨進(jìn)水流量的增大而增大，增大進(jìn)水流量，可以增加初始時刻網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速，延長網(wǎng)筒轉(zhuǎn)動的持續(xù)時間。網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速隨進(jìn)水含沙量的增大而減小，當(dāng)進(jìn)水含沙量增大時，網(wǎng)筒初始時刻轉(zhuǎn)速降低、轉(zhuǎn)速下降速度加快、網(wǎng)筒停止轉(zhuǎn)動的時間提前。試驗(yàn)表明，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速變化是進(jìn)水流量和含沙量共同作用的結(jié)果。

(3)網(wǎng)筒的轉(zhuǎn)動增大了泥沙顆粒與濾網(wǎng)接觸的面積以及頻率，延緩了網(wǎng)孔堵塞，增大了泥沙顆粒被捕集的可能性，從而提高了過濾效率。