滴灌自清洗网式过滤器全流场数值模拟与分析

滴灌自清洗网式过滤器全流场数值模拟与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 第29卷 第16期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No.16 2013年 8月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Aug. 2013 57 宗全利1,2，郑铁刚3，刘焕芳1，李强强1，郑华平4 ※ (1. 石河子大学水利建筑 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 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 中图分类号:S277.9+5 文献标志码:A 文 章编号:1002-6819(2013)-16-0057-09 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) 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 DEM?R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; ——————————————————————————————————————————————— 收稿日期:2013-04-02 修订日期:2013-07-19 基金项目:国家自然科学基金项目(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@126.com ※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@126.com 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 58 农业工程学报 2013年 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。 1 过滤器结构及自清洗原理 ——————————————————————————————————————————————— 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 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 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。 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 structureself-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. 图1 自清洗网式过滤器结构示意图 Fig.1 Structural diagram of self-cleaning screen filter 表1 自清 洗网式过滤器工作参数 Table 1 Operating parameters of self-cleaning screen filter 名称Name 参数Parameters 名称Name 参数Parameters 细滤网 芯 80,120目，直径工作流量690 mm，高度800mm /(m3?h-1) 150,220 进水管直工作压力径/mm 200 /MPa 0.3 出 ——————————————————————————————————————————————— 水管直排污压力径/mm 200 /MPa 0.5 排污管直最大压力径/mm 100 /MPa 0.6 过滤过程:含沙水由进水管1进入，首先通过 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。 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?t+u?ui1?p? j?x=gi-+ (-u'iu'j) (2) j ρ?xi?xj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;?u2iuj为紊动应力N/m， ?uiuj=μ?ui?ujt( ?x+ ?2 κδij;μt为j?xi 3涡粘性系数2 2 m/s，μκ t=Cμε ;δij为克罗奈克(Kronecker)数， δ?1i=j ij=? ?0 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 率ε方程， 本文采用Yakhot及Orzag[21]提出的RNG k-ε模型[22]来封闭方程组。k 和ε输运方程下如 ?κ?(κui)??t+?x= (σ?κ kμeff)+Gκ?ε (3) i?xj?xj 59 ?ε?t+?(εui)?x=??x(ζ?εCεε2*εμeff+1εGκ?C2ε(4) ij?xjκκ G?uiκ=μt( ?x+?uj)?ui ?x (5) j?xij μeff=μ+μt (6) 式(3),式(6)中，各项经验常数根据文献[21]确定:Cμ=0.0845，C2ε=1.68，ζk=1.393，ζε=1.393，C*1ε=1.42?η(1?η/η0)(1+βη3) 其中， η=(2Eij?Eij)1/2κ，Eij=0.5(?ui?xj+?ujxi)，η0=4.377，β=0.012。 2.1.3 动网格模型 自清洗过滤器的优点在于当滤网内外压差达到预设压差时，过滤器自动完成清洗。清洗过程中，吸管在旋喷管的带动下旋转，完成整——————————————————————————————————————————————— 个网面的清洗，本文应用动网格模型主要模拟自清洗过程中自清洗系 统内部和自清洗吸管的流场变化情况。 考虑由移动边界S所包围的任意控制体积?内非定常不可压缩紊 流流动，它的基本控制方程为Reynolds评价的体积、质量与动量守恒方程 体积守恒 d dt?d?-UbndS=0 ? ? (7) S 质量守恒 ? ?t?ρdΩ+ρ(U-Ub)ndS=0 (8) ? ?S动量守恒 ? ?t?ρUdΩ+ρ(U-? ?Ub)ndS=S ?(μ+μ t )[gradU+(gradU)T]ndS- (9) SndΩ S ?PIndS+?ρg? ——————————————————————————————————————————————— 式(7),式(9)中，t表示时间，s;?是控制体积的体积，m3;S是包围控制体积的表面，m2;n是表面S上方向朝外的法向单位向量;U是流体的时均速度，m/s;Ub为边界移动的速度，m/s;P为时均压力，N/m2;I为单位向量;μ为动力粘性系数，N?s/m2。 积分形式的通用输运方程为 ? ?t?ρΦd?+ρΦ(U-Ub)ndS=? ?S (10) ?SΦd?+?Γ?ΦndS ? S 式中，Φ为通用变量;Γ为Φ的扩散系数;SΦ为Φ的源项。 2.2 计算区域及网格 自清洗过滤器水流由进水管进入罐体，经细过滤网进口，绕过自清洗系统经过细过滤网由出水管流出，或经过自清洗系统由排污管流出。计算内容包括过滤器过滤过程和自清洗过程，计算区域包含2个过程在内的全流场区域。计算区域采用非结构化四面体网格，复杂结构采用分块网格划分，各区域进行了合理的合并处理，并在局部区域如分流口、自清洗系统壁面等流动复杂区域进行了网格加密，如图2所示，模型总体网格数达5万左右。由于本文研究重点为优化过滤器体型，研究结果主要以定性分析为主，模拟量化精度对总体结论影响——————————————————————————————————————————————— 较小，故文中忽略了网格数量对计算结果影响。通过后续对比验证发现，模拟结果和试验结果符合较好，本文中的网格精度可以满足研究要求，故未对网格无关性进行相应分析。 a. 三维网格 b. X-Z剖面网格 c. X-Y剖面网格 a. 3-D meshes b. X-Z section meshes c. X-Y section meshes 图2 自清洗网式过滤器网格划分 Fig.2 Meshes generated in self-cleaning screen filter 2.3 方程的离散及边界条件设定 由于过滤器内流动属于强烈的非稳态流动，故选用PISO算法对压力和速度场进行耦合求解。算法采用有限体积法，隐 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 迭代求解，动量方程采用二阶迎风离散格式。 进口边界条件:在入流边界(进水管1)给定初始速度(按额定流量计算得到)，同时假定进口处速度均匀分布，压力假设为静水压。为保证计算精度，适当将进水管加长，使进水边界远离紊动剧烈区。边界条件中，紊动能k0和耗散率ε0根据经验公式，分别满足[22] k×10?3u2 0=1.40 (11) 3 ε?5 u0 0=2.2×10z (12) ——————————————————————————————————————————————— 式(11),式(12)中，u0为入流边界(进水管1)初始速度，m/s，Z0为过水断面水深，m。 出口边界条件:出口边界分别设在出水管2出口(过滤过程)及吸管6上的吸口(自清洗过程)处;由于出水管2的出水口直接与大气相通，且过滤器运行过程中出口压强基本保持不变，因此出口采用自由出流边界条件;下游假设为充分发展的紊 60 农业工程学报 2013年 流，各变量均取0梯度条件，从而消除下游对上游水流的影响，即(n代表出口断面的法向) ?u?v?w?k?ε=====0 (13) ?n?n?n?n?n 根据前期过滤器水力性能试验结果[13-14]，在自 自清洗系清洗工作状态下，排污流量约为80 m3/h， 统转速约为120 r/min，故设定自清洗系统转速为2 r/s，即12.567 rad/s。自清洗过程计算中，设定自清洗系统转速，同时给定进出口边界条件，关闭出水管2。吸管的开口宽度为实际设计值3 mm，在计算过程中，吸口处给予压力出口边界，即表示压力水流通过压差作用，由吸口处排出。吸口区域网格较密，吸口周围边界设为wall。 固壁边界条件:采用RNG k-ε紊流模型来进行计算，然而，该模型只是针对充分发展的紊流才有效。而在壁面区，流动梯度变化很大，特别是在粘 ——————————————————————————————————————————————— RNG 性底层，流动几乎为层流，紊流应力作用很小，故规定k-ε紊流模型不能用来求解这个区域的流动。 壁面边界上为无滑移边界条件，即相对速度为0，压力取第二类边界条件，即?p/?n=0。 试验装置由蓄水池、搅拌池、离心泵、过滤设备、控制设备和监测设备构成，试验装置和试验方法与文献[13-14]相同。试验在清水条件下进行，通过关闭出水管口打开排污管口，让过滤器在自清洗工作状态下，测试进出口压力降与自清洗流量关系。 由图3可以看出，过滤器自清洗过程模拟压降与实测压降变化趋势相同，且两者符合较好，最大误差小于10%，相关系数为R2=0.97，模拟结果基本可信，可以保证后续模拟结果的可靠性。 图3 自清洗过程模拟压降与实测压降对比 Fig.3 Comparsion between simulated and measured pressure in process of self-cleaning 3 结果及分析 3.1 模拟结果与试验结果对比分析 为了保证数值模拟结果的可靠性，首先对过滤器自清洗过程进行模拟，得到自清洗流量与自清洗系统进出口压力降关系，并与试验结果进行对比，如图3所示。试验在石河子大学水工水力学试验大厅进行， 3.2 过滤过程数值计算结果分析 当过滤器正常过滤时，自清洗系统将不会工作，此时可以不考虑——————————————————————————————————————————————— 自清洗系统，专门针对过滤过程进行流场数值模拟，得到过滤器速度矢量、紊动能和压力的分布，具体如图4,图6。 a. 正剖面图(Y=0) a. Front section(Y=0) 注:流量Q=220 m3/h，下同。 Note: The discharge is 220 m3/h. b. 俯剖面图(Z=0.35 m) b. Vertical section(Z=0.35 m) c. 侧剖面图(X=0) c. Side section(X=0) 图4 速度矢量分布 Fig.4 Velocity vector distribution 图4为过滤器不同平面平均速度矢量图。由图4a 可以看出，沿罐体径向方向，速度分布总体呈下降趋势。水流由进水管注入罐体，在一级过滤室处，水流速度迅速降低，流速由进口的2.6,3.0 m/s降为1.4,1.8 m/s，这主要因为水流由进水管流入一级过滤室面积突然增大，且一级过滤室进入二级过 滤室受阻，如图1所示，产生局部损失造成流速下降;水流经过3个细过滤网圆形进口(图1a)，流入二级过滤室后，水头损失较小，流速变化不大;但由二级过滤室流出后，由于出口急剧减小导致流速迅速增大，同时根据连续性方程，因为进出口管径相同，所以出口流速应与进口流速一致，从图4a 61 可以看出，出口与进口流速基本相同。 另外由图4a可知，水流在罐体内发生旋转掺混，这在一定程度上降低了泥沙的下沉淤积作用，减小滤网的堵塞，降低罐体的清洗周期。由图4b,c还可以得出，过滤器内部进口与出口两边罐体流速不——————————————————————————————————————————————— 均匀，靠近出口的半边罐体内水流速度明显大于另半边罐体内的流速，罐体内水流掺混不均匀，这会导致靠近出口边滤网先于进口边滤网堵塞，从而造成整个滤网堵塞不均匀，对后续滤网的自清洗产生重要影响;并且水流在罐体内直接流向出口处，造成出口处滤网迅速堵塞，而滤网其它位置并没有堵塞，无论是局部堵塞还是均匀堵塞其结果都会造成进出口压力差变大，由于自清洗是以进出口压力差为标准进行判断的，所以这时系统会认为整个滤网发生了堵塞开始清洗，从而加大滤网的清洗频率，进而降低过滤器的工作效率。 图5分别为自清洗过滤器正剖面、侧剖面和横剖面紊动能分布图，可以看出，过滤器紊动能分布不均匀。在进口位置，由于流速较大，紊动能较二级过滤室内大。由图可知，在二级过滤室进口处，存在高紊动能区域，造成较大的水头损失，这与上述速度矢量的分布一致。 图6为过滤器过滤过程中罐体内部平均压力分布图。由图可知，在过滤器工作过程中，进口压力最大，经过一级过滤室后压力有所减小，但减小幅度不大，仅为25%左右;水流进入二级过滤室后，由于过水面积增大，压力变化较大，减小幅度为80%左右，一级过滤室内部压力值明显高于二级过滤室内部压力;计算结果显示，进水管与出水管相对压 略小于试验及实际工程运行测力差约为0.016 Mpa， 这是由于计算中忽略了滤网引试结果的0.018 Mpa， 起的压降引起的。另外，从二级过滤室立面和平面 压力分布可以看出，过滤室内部压力分布变化均匀。 ——————————————————————————————————————————————— a. 正剖面图(Y=0) a.Front section(Y=0) b. 俯剖面图(Z=0.35 m) b. Vertical section(Z=0.35 m) c. 侧剖面图(X=0) c. Side section(X=0) 图5 紊动能分布 Fig.5 Turbulent energy distribution a. 正剖面图(Y=0) a. Front section(Y=0) b. 俯剖面图(Z=0.35 m) b. Vertical section(Z=0.35 m) c. 侧剖面图(X=0) c. Side section(X=0) 图6 平均压力分布 Fig.6 Average pressure distribution 从以上分析可以看出:该过滤器进出口的结构 设计会导致整个滤网堵塞不均匀，加大了滤网的自清洗频率，所以需要对进出口设计进行改进，例如可以考虑设计多个直径较小的滤网同时过滤，从而使水流从多个滤网流出，避免从一个出口流出的流速分布不均匀。 3.3 自清洗过程数值计算结果分析 利用Fluent动网格模型，将过滤器出水口关 闭，排污口打开，给定边界条件，考虑自清洗过程过滤器内部和自清洗吸管流场的数值模拟，结果如图7,图9所示。 ——————————————————————————————————————————————— 图7a为自清洗过滤器自清洗过程中水流速度矢量分布。由图可知，在自清洗过程中，在自清洗系统内外压差作用下，水流以较高速度从吸口流入，吸口处产生的巨大吸力作用使网面上的泥沙能够得到清洗。图7b,7d分别为自清洗过程中，上、 62 农业工程学报 2013年 中、下吸口处水流流场矢量图分布。由图可以看出，在自清洗过程中，自清洗系统旋转，上、中、下吸口处流速差别较大，最大出流速度发生在上吸口，最小发生在下吸口，最大速度差达到8.5 m/s。由于流速大小与吸口的吸力成正比，所以上部吸口对泥沙的吸力远远大于下部吸口，这显然不利于泥沙的排出。因为泥沙在重力作用下沉淀，必然导致下部滤网积聚的泥沙数量大于上部泥沙，而下部吸口吸力却远小于上部吸口，必然后造成下部滤网清洗不干净，上部滤网在较大吸力作用下容易损坏，这与实际调研中发现更换的滤网多数在下部被泥沙堵塞而不能清洗情况相符。 a. 全局 a. Overall situation b. 吸口(上) b. Suction (up) c. 吸口(中) c. Suction(middle) d. 吸口(下) d. Suction(down) 图7 自清洗过程速度矢量分布 ——————————————————————————————————————————————— Fig.7 Velocity vector distribution in process of self-clean a. 吸口(上) a. Suction (up) b. 吸口(中) b. Suction (middle) c. 吸口(下) c. Suction (down) 图8 自清洗过程平均压力分布 Fig.8 Average pressure distribution in process of self-cleaning a. 吸口(上) a. Suction (up) b. 吸口(中) b. Suction (middle) c. 吸口(下) c. Suction (down) 图9 自清洗系统不同位置吸口处紊动能分布 Fig.9 Turbulent energy distribution at the suction of different position in self-cleaning system 图8为自清洗过滤器自清洗过程中3个吸口处压力分布情况。由图8可知，自清洗系统吸口附近压力梯度较大。在压力口附近，设吸口外压强为0， 自清洗过滤器的则吸口内外压差最大可达1.1MPa， 自清洗系统正是利用吸口内外的压强差产生的吸 力作用对网面进行清洗。由图8可以看出，不同位置吸口，其内——————————————————————————————————————————————— 外压强差值有所差异，其中处于中间位置的吸口处压强最大，而最上面位置的吸口处压 63 强最小。存在的差异将可能导致细滤网面不同高程，清洗效果不同，因此，在设计自清洗系统时，应根据试验及模拟结果中最小吸力来设计清洗效果，同时也应考虑最大吸力可能产生的破坏作用，这也与上述速度矢量分布结果一致。 图9分别为自清洗网式过滤器下、中、上吸口位置紊动能分别情况。由计算结果可知，由于吸口面积相对较小，附近水流流速较高，故吸口区域紊动能分布极不规律。下吸口位置，吸口附近紊动能平均值最大，而上吸口位置却出现了局部高紊动能区域。 以上分析表明，过滤器自清洗系统结构设计存在一定缺陷，即吸管的布置沿轴向不能均匀分布，可以考虑在过滤器底部调整吸管的位置，增加吸管数量，以缓解下部吸管吸力不足;可以在下部增设1,2个吸管，增加下部吸管对泥沙的吸附频率，从而提高下部泥沙的排出效果等[19]。 4 讨 论 自清洗过程采用动网格模型进行了计算，计算过程中设定了自清洗系统转速，未考虑自清洗过程随时间变化的情况，今后需要针对自清洗系统随时间变化进行深入分析;另外过滤器堵塞是一个逐渐拦截污物逐渐累积的过程，在此过程中，过滤器筛网流量逐渐减少，筛网逐渐成为阻碍过流量的限值边界，由于滤网堵塞为多孔介质过滤问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，——————————————————————————————————————————————— 比较复杂，所以本文未涉及滤网堵塞过程，需对此进行专门研究;文中过滤器模拟主要针对现有产品进行，模拟过程中几何条件固定不变，为了获得不同几何条件下的模拟结果，今后需要修改过滤器几何条件，对比不同几何条件下的模拟结果，得到过滤器的最优化结构尺寸。 5 结 论 应用Fluent软件，对自清洗网式过滤器过滤过程和自清洗过程分别进行了全流场数值模拟，主要结论如下: 1)过滤过程中，对过滤器内部流场进行了模拟。在过滤器工作过程中，沿罐体径向方向，速度分布总体呈下降趋势，在一级过滤室处，水流速度迅速降低，流速由进口的2.6,3.0 m/s降为1.4,1.8 m/s;平均压力进口处最大，水流经过一级过滤室后压力减小25%左右，进入二级过滤室后减小80%左右，一级过滤室内部压力值明显高于二级过滤室;过滤室内压力分布变化均匀，而罐体内流速和紊动能分布极不均匀，造成水流掺混不均匀，从而整个滤网堵塞不均匀，对后续滤网的自清洗产生 重要影响;可以看出过滤器进出口设计会导致整个滤网堵塞不均匀，可以考虑设计多个直径较小的滤网同时过滤等措施对过滤器进出口结构进行改进。 2)运用动网格技术，对自清洗过程进行了数值模拟。结果表明，自清洗系统吸口处会产生巨大的吸力，从而可以保证网面上的泥沙能够得到清洗，但不同位置吸口的流速、平均压力和紊动能差别较大。最大出流速度发生在上面吸口，最小流速发生在下面吸口，最大速度——————————————————————————————————————————————— 差达到8.5 m/s，造成下部滤网清洗不干净，上部滤网在较大吸力作 用下容易损坏;吸口附近压力梯度较大，吸口内外压差最大可达1.1 MPa;中间吸口处压强最大，上面吸口处压强最小，这种差异会导致 细滤网不同高程处清洗效果不同;下面吸口附近紊动能平均值最大， 上面吸口出现了局部高紊动能区域;自清洗系统中吸管的布置沿轴向 不能均匀分布，可以考虑在过滤器底部调整吸管的位置，增加吸管数 量，以缓解下部吸管吸力不足，从而提高下部泥沙的排出效果等。 [参 考 文 献] [1] Yurdem H, Demir V, Degirmencioglu A. Development of a mathematical model to predict clean water head losses in hydrocyclone filters in drip irrigation systems using dimensional analysis[J]. Biosystems Engineering, 2010, 105(4): 495,506. [2] Yurdem H, Demir V, Degirmencioglu A. Development of a mathematical model to predict head losses from disc filters in drip irrigation systems using dimensional analysis[J]. Biosystems Engineering, 2008, 100(1): 14,23. [3] Puig-Bargués J, Barragán J, Ramírez de Cartagena F. Development of equations for calculating the head loss in effluent filtration in microirrigation systems using dimensional analysis[J]. Biosystems Engineering, 2005, 92(3): 383,390. ——————————————————————————————————————————————— [4] Duran-Ros M, Arbat G, Barraga′n J. Assessment of head loss equations developed with dimensional analysis for micro irrigation filters using effluents[J]. Biosystems Engineering, 2010, 106(8): 521,526. [5] Duran-Ros M, Puig-Bargués, Arbat G, et al. Performance and backwashing efficiency of disc and screen filters in microirrigation systems[J]. Biosystems Engineering, 2009, 103(1): 35,42. [6] Vedat DEM?R , Huseyin YURDEM, Arzu YAZGI, et al. Determination of the head losses in metal body disc filters used in drip irrigation systems[J]. Turk J Agric, 2009(33): 219,229. [7] 肖新棉，董文楚，杨金忠，等. 微灌用叠片式砂过 滤器性能试验研究[J]. 农业工程学报，2005，21(5):81,84. 64 农业工程学报 2013年 Xiao Xinmian, Dong Wenchu, Yang Jinzhong, et al. Experimental study on characteristics of laminated sand filter for micro-irrigation [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(5): 81,84. (in Chinese with English abstract) ——————————————————————————————————————————————— [8] 肖新棉，董文楚，潘林，等. 叠片式砂过滤器水力特 性模拟计算[J]. 农业工程学报，2008，24(8):1,5. Xiao Xinmian, Dong Wenchu, Pan Lin, et al. Computational simulation of hydraulic characteristics for laminated sand filter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(8): 1,5. (in English with Chinese abstract) [9] 翟国亮，陈刚，赵武，等. 微灌用石英砂滤料的过滤与 反冲洗试验[J]. 农业工程学报，2007，23(12):46,50. Zhai Guoliang, Chen Gang, Zhao Wu, et al. Experimental study on filtrating and backwashing of quartz sand media in micro-irrigation filter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(12): 46,50. (in Chinese with English abstract) [10] 翟国亮，陈刚，赵红书，等. 微灌用均质砂滤料过滤 粉煤灰水时对颗粒质量分数与浊度的影响[J]. 农业工程学报， 2010，26(12):13,18. Zhai Guoliang, Chen Gang, Zhao Hongshu, et al. Effects of filter with uniform sandy filtration medium used in micro-irrigation on mass fraction of particles and turbidity of water with fly ash[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(12): 13,18. (in ——————————————————————————————————————————————— Chinese with English abstract) [11] 刘焕芳，刘飞，谷趁趁，等. 自清洗网式过滤器水力性 能试验[J]. 排灌机械工程学报，2012，30(2):203,208. Liu Huanfang, Liu Fei, Gu Chenchen, et al. Experiment on hydraulic performance of self-cleaning screen filter[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2012, 30(2): 203,208. (in Chinese with English abstract) [12] 刘焕芳，郑铁刚，刘飞，等. 自吸网式过滤器过滤时 间与自清洗时间变化规律分析[J]. 农业机械学报，2010，7(7): 80,83. Liu Huanfang, Zheng Tiegang, Liu Fei, et al. Analysis of filtering time and sewage time for automatic suction screen filter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 7(7): 80,83. (in Chinese with English abstract) [13] 宗全利，刘飞，刘焕芳，等. 大田滴灌自清洗网式过滤器 水头损失试验[J]. 农业工程学报，2012，28(16):86,92. Zong Quanli, Liu Fei, Liu Huanfang, et al. Experimental study on head loss of self-cleaning screen filter for drip irrigation in field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(16): 86,92. (in Chinese with English abstract) [14] 宗全利，刘飞，刘焕芳， ——————————————————————————————————————————————— 等. 滴灌用自清洗网式过滤 器排污压差计算方法[J]. 农业机械学报，2012，43(11):107,112. Zong Quanli, Liu Fei, Liu Huanfang, et al. Calculating and experiment on drainage pressure difference of self-cleaning screen filter for drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(11): 107,112. (in Chinese with English abstract) [15] 宗全利，刘焕芳，郑铁刚，等. 微灌用网式新型自清 洗过滤器的设计与试验研究[J]. 灌溉排水学报，2010，2(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, 2(1): 78,82. (in Chinese with English abstract) [16] 孔繁余，王婷，张洪利. 基于流场数值模拟的多 级泵 转子动力学分析[J]. 江苏大学学报:自然科学版，2011，32(5): 516,521. Kong Fanyu, Wang Ting, Zhang Hongli. Rotor dynamic analysis of multistage pump based on numerical simulation of flow field[J]. Journal of Jiangsu University: Natural Science Edition, 2011, 32(5): 516,521. (in Chinese with English abstract) [17] 董亮，刘厚林，谈明高，等. 离心泵全流场与非全 ——————————————————————————————————————————————— 流场数值计算[J]. 排灌机械工程学报，2012，30(3): 274,278. Dong Liang, Liu Houlin, Tan Minggao, et al. Numerical calculation of whole and non-whole flow field in centrifugal pumps[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2012, 30(3): 274,278. (in Chinese with English abstract) [18] 陈汇龙，李雯瑜，吴荣珍，等. 基于动网格技术的端 面造型机械密封性能[J]. 排灌机械工程学报，2012，30(1):107 ,111. Chen Huilong, Li Wenyu, Wu Rongzhen, et al. Sealing performance of mechanical seals with various send faces using dynamic mesh technique[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2012, 30(1): 107,111. (in Chinese with English abstract) [19] 王栋蕾，宗全利，刘建军. 微灌用自清洗网式过滤器 自清洗结构流场分析与优化研究[J]. 节水灌溉，2011(12):5,8， 12. Wang Donglei, Zong Quanli, Liu Jianjun. Flow analysis and structure optimization of self-cleaning nets filter for micro-irrigation[J]. Water Saving Irrigation, 2011(12): 5,8, 12. (in Chinese with English abstract) [20] Rodi W. Turbulence Models and Their Application in Hydraulics[M]. Karlsruhe: University of Karlsruhe, 1984. [21] Yakhot V, Orszag S A. Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory[J]. Journal of Scientific ——————————————————————————————————————————————— Computing, 1986, 1(1): 3,51. 65 [22] 王福军. 计算流体动力学 分析-CFD软件原理与应用[M]. 北京:清华大学出版社，2004. Numerical simulation and analysis on whole flow field for drip self-cleaning screen filter Zong Quanli, Zheng Tiegang, Liu Huanfang1, Li Qiangqiang1, Zheng Huaping4 1,23※ (1. College of Water Conservancy and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China; 2. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 3. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China; 4. Shihezi Jintudi Water Saving Equipment Company Limited, Shihezi 832000, China) Abstract: A self-cleaning screen filter has broad application on the domestic and foreign markets. The variation law of head loss, and the relationship between filtering time and self-cleaning time have been analyzed through different experiments. However, the flow distribution of filter inside cannot be obtained by traditional experiment methods. To fully understand the internal flow structure and characteristics of a self-cleaning screen filter and find the inadequacies of flow field distribution, the whole flow was simulated through Fluent (6.3). Based on the analysis of filter structure and self-cleaning principle, the ——————————————————————————————————————————————— mathematical model of inside flow field and the dynamic grid model of a self-cleaning system were established respectively, the computing area and the grid of filtering and self-cleaning processes, as well as boundary condition of inlet and outlet were proposed. In order to ensure the reliability of the simulation results, the relationship between the flow rate and pressure of a self-cleaning system were compared in this study, and the results show that the simulated pressure agreed with the measured values. The internal flow field of the filtering process was simulated, and the distribution law of flow velocity, turbulent energy, and average pressure were studied. The flow velocity decreases along the radial direction of the filter body, and it decreases rapidly from the inlet value of 2.6~3.0 m/s to the outlet value of 1.4~1.8m/s. The maximum average pressure was located at the inlet of flow, and the average pressure of the first filtering chamber was significantly higher than the value of the second filtering chamber, which the average pressure reduces relatively 25% and 80% after the flow passes the first and second filtering chambers. As the distributions of flow and turbulent energy are extremely uneven, the clogging of the entire screen is uneven. The design of inlet and outlet should be changed in order to avoid the uneven clogging of the entire screen, for example, several small-diameter screens replace a big diameter-screen. Moreover, through the technology of dynamic mesh, the process of self-cleaning ——————————————————————————————————————————————— was also simulated, and the flow fields of flow velocity, turbulent energy and average pressure were analyzed. The inlet of sunction will have a huge attractive power, which can ensure that the sediment of the screen surface be cleaned. But the velocity, average pressure, and turbulent energy of sunction vary greatly at different heights of sunction. The maximum and minimum values of velocity are located respectively at upper and lower sunction, and the maximum velocity difference is about 8.5m/s, which results in the lower screen being cleaned unthoroughly and the upper screen being damaged easily. The pressure gradient near the sunction is large, and the maximum pressure difference between outside and inside the sunction is about 1.1MPa. The maximum and minimum values of average pressure are located respectively at middle and upper sunction, which results in different cleaning efficiency at different heights of sunction. The maximum average value of turbulent energy is located at lower sunction, and a local high turbulent energy area also appeared at upper sunction. The simulated results of a self-cleaning system indicate that the distribution of sunction tubes can not be uniform along the axial direction, and the position of suction tubes can be adjusted and the number can be increased, which can increase the sunction power of lower sunction tubes and improve the cleaning efficiency of sediment. Key words: irrigation, folw field, numerical analysis, self-cleaning ——————————————————————————————————————————————— screen filter (责任编辑:鲍洪杰) 作者: 作者单位:宗全利， 郑铁刚， 刘焕芳， 李强强， 郑华平， Zong Quanli， Zheng Tiegang， Liu Huanfang， LiQiangqiang， Zheng Huaping宗全利,Zong Quanli(石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832000; 武汉大学水资源与水电工程科学国家 重点实验室，武汉 430072)， 郑铁刚,Zheng Tiegang(中国水利水电科学研究院,北京,100038)， 刘焕芳,李 强强,Liu Huanfang,Li Qiangqiang(石河子大学水利建筑工程学院,石河子,832000)， 郑华平,Zheng Huaping(石河子市金土地节水设备有限公司,石河子,832000) 农业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2013(16)刊名:英文刊名:年，卷(期): 本文链接: ———————————————————————————————————————————————