不同网孔与筒体模型对Y型网式过滤器性能的影响.pdf
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1、不同网孔与筒体模型对 Y 型网式过滤器性能的影响喻黎明1,李俊锋1,李娜1,陈祖根2,赵思懿1,王艳青1(1.昆明理工大学现代农业工程学院,昆明650500;2.西南有色昆明勘测设计(院)股份有限公司,昆明650500)摘要:Y 型网式过滤器广泛运用于微灌系统,其良好的水力性能是保证微灌系统稳定运行的关键,为了分析其水力性能,该研究采用数值模拟和物理试验相结合的方法,分析了网式过滤器在 3 种滤网网孔(正方形、圆形、菱形)以及 3种筒体弧线角度(0、15、30)下,过滤器内压降系数、滤芯网面流量分布、内部流场、压力分布等水力特性的变化。结果表明:物理试验与数值模拟之间的水头损失系数平均差异为
2、9%,表明了数值模拟的可靠性,其中圆形网孔过滤器水头损失系数最大,正方形次之,菱形最小;滤网网孔形状对过滤器网面过流量分布的影响较大,正方形网孔过滤器的中速过流量区域占比最高达到了 47.5%,圆形次之,菱形最小仅为 26.5%。过滤器的水头损失随着筒体弧线角度的增加而逐渐减小,35的压降系数较 0的减小了 73.15%,网面流量的分布也随着角度的增加变得更为均匀,其中 35的中速过流量区域面积较 0增大了 71.5%,水力性能明显提高;此外随着筒体弧线角度的增加,出口侧中上段滤网处的内外压差明显减小。因此在实际微灌系统中,选择网孔为正方形、筒体弧线角度 30的过滤器,其内部流场缓和、网面流量
3、分布均匀,提高了过滤器的水力性能和使用寿命。该研究成果可为网式过滤器结构优化提供设计方案与理论依据。关键词:数值模拟;水头损失;内部流场;网面过流量;Y 型网式过滤器doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202303141中图分类号:S275.6文献标志码:A文章编号:1002-6819(2023)-14-0097-09喻黎明,李俊锋,李娜,等.不同网孔与筒体模型对 Y 型网式过滤器性能的影响J.农业工程学报,2023,39(14):97-105.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202303141http:/www.tcsae.orgYULim
4、ing,LIJunfeng,LINa,etal.EffectsofdifferentscreenmeshandcylindermodelsontheperformanceofY-typescreenfilterJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2023,39(14):97-105.(inChinesewithEnglishabstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202303141http:/www.tcsae.org0引言Y 型
5、网式过滤器作为一种常见的水利装置,以其价格低、构造简单、易操作等优点,广泛使用于国内外的微灌系统中。近几年来国内灌溉面积不断增加、在保证农田灌溉用水维持不变的情况下,农田灌溉单位面积实际用水量却在持续减少1,这得益于大力发展和推广微灌技术,而网式过滤器作为微灌系统中的关键设备2-3,它的水力性能、使用寿命都在很大程度上影响着微灌系统的工作效率和寿命。因此,提高过滤器水力性能、使用寿命对微灌系统的发展有着重大意义。目前,国内外学者主要通过物理试验和数值模拟两种方法对网式过滤器进行研究,研究内容主要集中在过滤机理与宏观结构的优化上。ZONG 等4-6利用量纲分析法建立了清水、浑水、自来水和沙水混合
6、不同条件下,不同因素与水头损失的关系式;朱德兰等7在堵塞条件下进行水力性能试验,得出了水头损失与流量、堵塞程度之间的关系式;陶洪飞等8-9研究了不同的滤网孔径、出水管角度对过滤器内部流场的影响,为过滤器的优化提供了依据;李盛宝等10-11将不同过滤精度的滤网集中在一个壳体上,加长了过滤周期、提高了过滤精度;袁寄望等12探究了不同沙粒粒径、浓度与流速对过滤器水头损失、拦沙量、拦截沙粒粒径以及拦截沙粒位置的影响。为进一步提高过滤器的水力性能与抗堵塞性能,需从微观的角度分析其内部流场与沙粒运行轨迹等,但过滤器在运行状态时处于封闭状态,不能通过物理试验进行研究分析,因此许多学者采用 CFD-DEM 耦
7、合的方法对其进行可视化研究,以研究其内部流态与泥沙的运动规律。喻黎明等13在不同入口流速和滤网数目下进行了水力性能试验,得出了网面过流量、水头损失与流速以及滤网数目之间的变化规律;周理强等14分析了有无导流片时过滤器水力特性的变化,并通过内置导流片提高了其抗堵塞性能;蔡九茂等15对过滤器滤帽过滤和反冲洗过程进行了数值模拟,为滤帽的选型和结构优化提供了参考;阿力甫江阿不里米提等16-17对网式过滤器进行全场数值模拟分析,为过滤器的结构优化及快速设计提供了理论基础。目前大量不同滤网网孔与筒体弧线角度的网式过滤器应用在微灌系统中,但未有学者对其差异化进行研究,其各自的水力性能尚不清晰。对此本文对不同
8、模型的网式过滤器进行物理试验与数值模拟,以分析不同的模型对水头损失、网面过流量、流场、压力分布的影响,从而筛选出最佳的结构模型,拟为研究过滤器优化设计提供理论依据,并为其在节水灌溉工程中的合理使用提供一定的参考价值。收稿日期:2023-03-21修订日期:2023-07-10基金项目:国家自然科学基金项目(52269011);云南省重大科技专项(202302AE090024)作者简介:喻黎明,博士,教授,博士生导师,研究方向为节水灌溉理论与设备在农业工程中的应用。Email:通信作者:陈祖根,水工环高级工程师,研究方向为生态环境保护、土地复垦方面等方面。Email:第39卷第14期农 业 工
9、程 学 报 Vol.39No.142023年7月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJuly2023971数值模拟方法1.1液相计算模型及方法过滤器内部水流可视为黏性不可压缩的流体,考虑重力与过滤器内部结构粗糙度对水流的影响,忽略表面张力的影响18。液相的连续性方程及动量方程19分别为:t+v=0(1)vt+v=p+v+gFp(2)式中 为水相质量密度,kg/m3;t 为时间,s;v 为水相速度,m/s;p 为静压,Pa;为黏度,Pas;g 为重力加速度,m/s2;Fp为作用于流体的阻力总和,N/m3。t由于 Y 型过
10、滤器内部存在射流与回流现象20,且湍流强度较高,故数值模拟采用标准 k-模型21,该模型为半经验公式,k 是湍流动能,是动能的耗散率,根据量纲分析4,湍流黏度可以用 k 和 表示为:t=Ck2(3)C式中为经验常数。在标准的 k-模型中湍流动能 k 方程和耗散率 方程定义为:(k)t+(vjk)xj=xj(+tPrk)kxj+Gk(4)t+(vj)xj=xj(+tPr)xj+C1kGkC22k(5)Gkm2/s2C1C2C1=C2PrkPrPrkPr式中为是由于层流速度梯度引起的湍流动能,;、为常量,在标准的 k-模型中取值为1.44、=1.92;、为 k 方程与 方程的湍流 Prandtl
11、数,取值为=1.0、=1.3。1.2模型的建立与边界条件本文研究的模型为微灌系统中常用的 Y 型网式过滤器,其结构参数为:入口直径 24mm、出口直径 24mm、滤网目数 N=60(0.25mm)、滤芯高度 40mm、滤芯直径26mm,滤芯由外网冲孔钢板与内网不锈钢滤网组成,外网为内层滤网起到支撑保护作用,内网则起到过滤泥沙的作用。结合侯宗宗等22和喻黎明等23提出的过滤器结构优化建议,本文选用了 3 种不同滤网网孔(图 1)以及 3 种筒体弧线角度(筒体弧线上下两端的法线在其圆心处形成的夹角)分别为 0、15、30的壳体作为研究对象,考虑到本文的主要研究内容为不同滤网与筒体弧线角度对过滤器水
12、力性能的影响,所以未考虑其交互作用,试验采用单因素试验方法,即改变滤网网孔形状时 为 0、改变 时滤网网孔为正方形。图 1 为不同滤网网孔的实物图与三维建模剖面图,图 2 为不同筒体弧线角度过滤器的结构示意图。DDDa.正方形a.Squareb.圆形b.Circularc.菱形c.Diamond实物图Physical drawings模型图 Model drawings注:D 为滤网孔径,正方形、圆形、菱形的孔径,分别为 0.250、0.282、0.269,mm;网孔面积分别为 0.0625、0.0625、0.0626,mm2。Note:Distheaperturediameterofthes
13、creen,andtheaperturediametersofsquare,circularanddiamondare0.250,0.282and0.269mmrespectively,andthemeshareasare0.0625,0.0625and0.0626respectively,mm2.图 1不同滤网网孔的实物图与三维建模剖面图Fig.1Physicalandmodeldrawingsofdifferentfiltermeshholesa.0c.30b.15图 2不同筒体弧线角度过滤器结构示意图Fig.2Structureschematicofdifferentbarrelarca
14、nglefilter本文对过滤器壳体与滤芯进行结构化网格划分,为确保数值模拟的精度,同时为了避免网格数过多导致计算周期加长以及浮点运算造成的误差增大,所以需要对网格进行无关性验证。文中将不同模型的网格数量做均匀加密处理,将网格模型 edge 上的节点依次取 1.0、1.25、1.5、1.75 倍的节点数,具体网格数如表 1,计算得到每种模型的水头损失 HL,与对应的物理试验水头损失 H0的相对误差 r 如表 1。表1基于不同网孔模型及筒体弧线角度 过滤器网格数的无关性分析Table1Irrelevanceanalysisoffiltermeshnumberbasedondifferentmes
15、hmodelsandcylinderarcangles项目Projects1.0 倍节点数1.0timesthenumberofnodes1.25 倍节点数1.25timesthenumberofnodes1.5 倍节点数1.5timesthenumberofnodes1.75 倍节点数1.75timesthenumberofnodes相对误差Relativeerrorr/%网格数量Numberofmeshes相对误差Relativeerrorr/%网格数量Numberofmeshes相对误差Relativeerrorr/%网格数量Numberofmeshes相对误差Relativeerror
16、r/%网格数量Numberofmeshes网孔模型Meshmodel正方形Square0.233156390.344134870.674955530.66571306圆形Circular0.414094620.455363950.296428551.04741126菱形Diamond0.373269540.384283090.565133170.65591786角度Angles00.233156390.344134870.674955530.66571306150.313442970.254510290.625405460.63623177350.293964250.645193161.246
17、223870.7871752998农业工程学报(http:/www.tcsae.org)2023年r 值越小,网格对计算结果的影响就越小,定义当r1%时,该网格被认为不符合计算要求17。由表 1 可以看出节点为 1.0、1.25 倍节点数时的水头损失的相对误差均小于 1%,满足计算要求,但为了节约运算时间,故采用 1.0 倍节点数进行数值模拟计算。本文计算过滤器内部流场采用的计算方法为欧拉-拉格朗日法计算,腔内壁面使用标准壁面函数,入口采用速度型入口,水流速度为 0.5m/s,湍流强度 I 为 5%,水流方向与入口边界垂直,出口采用压力型出口,压力与物理试验出口压力一致。1.3模拟验证1.3.
18、1试验设备及方法通过物理试验验证数值计算结果,试验装置如图 3所示,由潜水泵、蓄水桶、球阀、电磁流量计、压力表、Y 型网式过滤器、净水桶以及各种管道及其联结配件组成。通过调节过滤器前端阀门使试验在 10 组不同进口压力下稳定运行,记录 10 组试验不同进出口压力差即为过滤器的水头损失,然后更换不同模型过滤器重复以上操作。567891021431.潜水泵2.蓄水桶3.进水管4.分压管5.球阀6.电磁流量计7.压力表8.Y 型网式过滤器9.净水桶10.出水管1.Pump2.Waterstoragebucket3.Waterinlet4.Pressuredivider5.Ballcheck6.Ele
19、ctromagneticflowmeter7.pressuregauge8.Y-typescreenfilter9.Purifiedwaterbucket10.Exhalentsiphon图 3网式过滤器清水试验装置示意图Fig.3Schematicdiagramofclearwatertestdeviceofscreenfilter考虑到过滤器在清水与浑水条件下试验的结论可能存在差异,本文在两种条件下分别开展了预试验,发现添加泥沙后对本文结论并没有影响,只影响其数值的大小,而在浑水条件下计算量大、试验工况复杂,故本文物理试验与数值模拟均在清水条件下进行,通过物理试验得到不同水头损失下过滤器的
20、过流量,经拟合得到流量压降曲线,并与数值模拟得到的流量-压降曲线对比,刘焕芳等24提出了网式过滤器的流量-压降曲线为h=kQx(6)h式中为进出口的压降,m;k 为水头损失系数;Q 为过滤器总流量,m3/h;x 为流态指数,主要反映水头损失对流量变化的敏感程度。1.3.2验证结果由于滤网网孔形状的改变使其内部流体运动规律发生改变,从而使水头损失系数 k 与流态指数 x 发生改变。由图 4a 可知,与菱形网孔相比,正方形、圆形网孔模型物理试验水头损失系数 k 分别增大了 4.25%、12.49%,数值模拟水头损失系数 k 分别增大了 4.94%、13.89%,说明在入口压力相同的情况下 3 种网
21、孔模型的过滤器水头损失从大到小依次为:圆形、正方形、菱形。由图 4b 可知,与筒体弧线角度为 30的过滤器相比,筒体弧线角度为 15、0的过滤器物理试验水头损失系数 k 分别增加了 26.19%、80.15%,数值模拟水头损失系数 k 分别增大了 19.86%、73.15%,说明随着筒体弧线角度的增大,水头损失相应减小,因为随着筒体弧线角度的增加,导致水流紊流程度减小,紊流程度减小会使得流体的分裂与相互碰撞减小,即降低了过滤器内部的能耗,从而使过滤器的水头损失降低。0.51.01.52.02.53.03.54.04.50246810正方形数模 Square numerical simulati
22、onh=0.565Q1.983 2R2=1正方形试验 Square experimenth=0.519 9Q1.993 5R2=0.999 7圆形数模 Circular numerical simulationh=0.6132Q1.992 7R2=1圆形试验 Circular experimenth=0.561Q2.006 6R2=0.999 8菱形数模 Diamond numerical simulationh=0.538 4Q1.980 1R2=1菱形试验 Diamond experimenth=0.498 7Q1.991 1R2=0.999 6压降 Pressure drop h/m流量
23、Flow rate Q/(m3h1)a.不同滤网网孔模型a.Different screen mesh modelsb.不同简体弧线角度模型b.Different cylinder arc angles models0.51.01.52.02.53.03.54.04.502468100 数模 0 numerical simulationh=0.565Q1.983 2R2=10 试验 0 experimenth=0.5199Q1.993 5R2=0.999 715 数模 15 numerical simulationh=0.391 1Q1.975 5R2=115 试验 15 experiment
24、h=0.364 2Q1.992 6R2=0.999 830 数模 30 numerical simulationh=0.326 3Q1.989 4R2=130 试验 30 experimenth=0.288 6Q2.009 8R2=0.999 6压降 Pressure drop h/m流量Flow rate Q/(m3h1)图 4不同滤网网孔及筒体弧线角度过滤器的流量-压降曲线Fig.4Flow-pressuredropcurvesforfilterswithdifferentscreenmeshandcylinderarcangles为了验证数值模拟的准确性,对比数值模拟与物理试验的拟合公式
25、,根据图 4 可以得出,6 组试验其数值模拟与试验的水头损失系数 k 相差 6.82%13.06%,基本都在 10%之内。流态指数相差 1.03%2.04%,决定系数 R2相差 0.04%以内,并对数模与试验的数据通过 t检验法进行验证,得到两者之间压力值差异不显著,进而证明了数值模拟结果的准确性。1.4研究内容及方法介绍本研究将数值模拟计算结果导入 Tecplot 软件进行后处理,并利用该软件将过滤器内部流速与压力的分布以第14期喻黎明等:不同网孔与筒体模型对 Y 型网式过滤器性能的影响99云图的形式表达,考虑到过滤器水头损失主要源于滤网的局部水头损失13,为更好地研究滤网所产生的水头损失,
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