不同流量下泵前微压网式过滤器内部流场的数值模拟

陈领伟, 陶洪飞, 马合木江·艾合买提, 李巧, 姜有为

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节水灌溉 ›› 2024 ›› (5) : 59-65. DOI: 10.12396/jsgg.2023395
灌溉工程与装备

不同流量下泵前微压网式过滤器内部流场的数值模拟

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Numerical Simulation of the Flow Field Inside a Micro-Pressure Mesh Filter in Front of a Pump at Different Flow Rates

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摘要

泵前微压网式过滤器作为一种新型的灌溉过滤装置,具有结构简单、适配性高以及能耗低等优点。为了探究泵前微压网式过滤器内部流场的运行状态,采用了物理模型试验、数值计算及理论分析的方法,从微观角度对清水条件下泵前微压网式过滤器在不同流量(5、8、11、14、17 m3/h)的水力性能和水流运动状态进行分析。结果表明:标准 k-ε模型可作为模拟泵前微压网式过滤器清水流场的湍流模型;滤网内部流速分布不均匀,随流量呈现不同形态的“火烛”形态,出水口对过滤器内部影响范围随流量增加而增大;过滤器内部同时出现高压区和负压区,滤网底部为水头损失主要发生位置。研究成果可为泵前过滤设备的浑水数值模拟和结构优化提供理论和技术支撑。

Abstract

As a novel type of irrigation filtration device, the pre-pump micro-pressure mesh filter has the advantages of simple structure, high adaptability and low energy consumption. To investigate the operation state of the internal flow field of the pre-pump micro-pressure mesh filter, this paper adopts the methods of physical model test, numerical calculation and theoretical analysis to analyze the hydraulic performance and water movement state of the pre-pump micro-pressure mesh filter at different flow rates (5, 8, 11, 14 and 17 m3/h) under the condition of clear water from a microscopic point of view. The results indicate that the standard k-ε model can be used as a turbulence model to simulate the clear-water flow field of the pre-pump micro-pressure mesh filter. The flow velocity distribution inside the filter mesh is not uniform, and presents different forms of "fire candle" morphology with the flow rate.The range of influence of the outlet on the inside of the filter increases with the increase of flow rate. High-pressure and negative-pressure areas appear simultaneously inside the filter, and the bottom of the screen is the main location of head loss. The research results can provide theoretical and technical support for the numerical simulation and structural optimization of turbid water in the pre-pump filtration equipment.

关键词

泵前微压过滤器 / 水头损失 / 数值模拟 / 云图

Key words

pre-pump micro-pressure filter / head loss / numerical simulation / cloud diagrams

基金

国家自然科学基金项目(52369013)
新疆维吾尔自治区重大科技专项项目(2022A02003-4)

引用本文

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陈领伟 , 陶洪飞 , 马合木江·艾合买提 , 李巧 , 姜有为. 不同流量下泵前微压网式过滤器内部流场的数值模拟[J].节水灌溉, 2024(5): 59-65 https://doi.org/10.12396/jsgg.2023395
CHEN Ling-wei , TAO Hong-fei , AIHEMAITI Ma-he-mu-jiang , LI Qiao , JIANG You-wei. Numerical Simulation of the Flow Field Inside a Micro-Pressure Mesh Filter in Front of a Pump at Different Flow Rates[J].Water Saving Irrigation, 2024(5): 59-65 https://doi.org/10.12396/jsgg.2023395

0 引 言

新疆地区水资源主要来自于高山冰川融水,少部分来自于地下水[1]。这些地表水含有不同程度的污物及杂质,无机固体颗粒杂质主要是沙粒、黏粒、粉粒,有机杂质主要是微生物遗体以及藻类,这些物质如果不加以处理直接进入微灌系统中,势必会增加微灌系统的负担,从而对微灌系统安全稳定运行造成影响[2]。网式过滤器具有结构简单、安装便捷等特点,被广泛应用于微灌系统中[3]。国内外学者对网式过滤器的水利性能进行了大量研究。宗全利等[4]通过物理试验对网式过滤器滤网堵塞的过程和成因进行研究,并得到堵塞因素与滤网内外压差的定量关系式;石凯等[5]通过理论分析对新型翻板网式过滤器的不同工况下的水头损失进行研究,得到其变化规律以及数学表达式;LIU等[6]对网式过滤器进行了综合研究,建立了过滤、冲洗性能指标和各因素的数学关系式。随着计算机技术的进步,计算流体力学(CFD)软件成为研究网式过滤器内部流场分布规律的方法之一。喻黎明等[7]采用数值模拟和物理试验相结合的方法,对Y型网式过滤器的不同网孔类型和筒体进行优选;阿力甫江·阿不里米提等[8]采用数值模拟对不同尺寸的鱼雷网式过滤器的水力性能和流场进行研究并选择最佳尺寸;陶洪飞等[9]通过数值模拟对不同滤网孔径的全自动过滤器进行研究得到其流场并分析。综上所述,通过数值模拟对网式过滤器的流场分布规律的方法被学者们接受与使用。
随着低碳环保型滴灌技术体系的提出,“三低、两高”(低能耗、低污染、低排放、高效能、高效益)为目标的低碳环保型技术越来越受到重视,为了在提高过滤器效率的同时不造成过多的能源浪费[10],有学者研发了一种泵前微压过滤装置——泵前微压网式过滤器[11]。泵前微压网式过滤器利用沉沙池尾部水流所具有的势能完成过滤和冲洗,减少水泵提升、运输带来的水头损失与能耗,以及具有改变不同尺寸适应不同面积灌区的优势,还可根据灌水器的水质要求与泵后过滤器组合使用,为以地表水作为灌溉水源的新疆地区提供了一种新的水处理方法。通过物理试验、数值模拟和理论分析相结合的方法,模拟泵前微压网式过滤器在不同流量条件下的清水流场,初步探究过滤器内部压强场、速度场与流量的关系,旨在为后续泵前微压网式过滤器的浑水数值模拟和结构优化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 物理模型与数值模型

目前,泵前微压过滤器处于性能测试阶段,过滤装置设置在新疆农业大学农业水利工程实验室,具体结构包括:进水管、滤网、过滤池、出水口和排污口等,如图1所示。过滤池规格为:长度为900 mm、宽度为300 mm、高度为430 mm;滤网长度900 mm,进口直径为64 mm,出口直径为70 mm,滤网目数为100目。泵前微压过滤器的工作原理是:过滤时,利用蓄水箱的自然水头使得水流通过进水阀门进入滤网内部,水流由内向外通过滤网进入过滤池,过滤水由出水口进入灌水器或者下一级过滤器;排污时,打开排污阀,利用蓄水箱的自然水头将污物由排污口排出。泵前微压网式过滤器数值模型以过滤池物理模型为原型,构建比例1∶1的三维几何模型,如图2所示。
图1 泵前微压网式过滤器

Fig.1 The micro-pressure mesh filter before the pump

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图2 泵前微压网式过滤器三维模型

Fig.2 Pre-pump micro-pressure mesh filter 3D model

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1.2 试验设计

本文物理试验采用单因素试验,共计5组,设置5个流量分别为Q=5、8、11、14、17 m3/h,每组流量测试两次。试验循环装置如图3所示,试验步骤:打开进水阀门,关闭排污口,通过变频器调节管道离心泵的转速和观察电磁流量计的显示数值来调节至测试流量,待过滤器在测试流量下稳定运行3 min后,使用刻度尺量测蓄水池和过滤池的水位。将数据代入伯努利方程得到物理试验的水头损失,结果取两组试验的平均值。
图3 试验循环装置

Fig.3 Test cycle unit

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数值模拟采用单因素试验,共计5组。步骤包括建立三维几何模型、设置边界条件和多孔介质模型、网格无关性检验、湍流模型的选择、工况计算以及后处理,其中三维几何模型、边界条件和多孔介质模型根据实际物理模型和试验过程进行设置。计算结束后,记录进口压强、流速代入伯努利方程计算数值模拟的水头损失。为了保证网格、湍流模型以及计算结果的可行性和准确性,将不同流量下物理试验的水头损失与数值模拟结果进行比较,并说明其合理性。

1.3 边界条件及多孔介质模型参数设置

清水条件下泵前微压网式过滤器中的介质为水和空气,在FLUENT中将空气设为主相,水设为第二相,在FLUENT软件中计算水相的流场,采用二阶迎风格式、标准壁面函数。泵前微压网式过滤器的进口条件设置为速度进口,进口介质设置水的体积分数为1,进水流速设为0.867 1 m/s。出口条件设置为速度出口,过滤器上部设置为压力入口,压力为标准大气压,湍流强度默认设置为5%,水力直径与进出口直径相同,压力-速度耦合采用SIMPLE算法,压力松弛因子为默认值,标准残差标准设置为1.0×10-3,数值模拟运行时间与物理模型待稳定时间为50 s。
由于将实际滤网直接进行三维建模比较复杂,把滤网简化为多孔介质模型,黏性阻力系数C 1和惯性损失系数C 2计算公式分别为:
C1=150 (1-ε)2D2 ε3
α=1C1
C2=3.5 (1-ε)D ε3  
式中:α为渗透率,m2C 1为黏性阻力系数,m-2C 2为惯性阻力系数,m-1D为滤网孔直径,mm; ε为孔隙比,%。
通过对100目滤网进行测量计算,得出其滤网阻力系数和惯性系数分别为:C 1=1.71×1011C 2=8.245×105

1.4 网格划分及网格无关性检验

本文主要研究泵前微压网式过滤器的流场规律,过滤器的内部结构简单,因此在调试网格时应优先使用结构性网格,本文采用六面体结构性网格分别对过滤器池体和滤网进行划分,并对滤网进行加密,以提高数值模拟精度。
在进行数值模拟计算时,不合理的网格数量会导致模型计算量增大、计算周期变长、模型误差变大。因此需要在保证模拟精度符合要求的同时,还要找出计算量最小的网格数量。通过改变单位网格的尺寸大小,来控制网格数量,观察数值计算结果的变化趋势,若其变化趋势不会随着网格数量的增加而发生大幅度变化,可以认为模拟值与网格数量无关。
以清水条件下100目滤网、流量为11 m3/h的工况进行网格无关性检验,采用8种不同网格数量的划分方案,如表1所示。从表1中发现,随着网格数量的增加计算水头损失随之增大,相对误差先减小后增大,在网格数量为381 766~832 384个时,水头损失为0.094 5~0.103 7 m,相对误差较大。当网格数量为1 254 026个时,相对误差达到最小,当网格数量为1 443 282个时,相对误差最大。因此网格数量为1 080 200和1 254 026个的方案都是可行的,但综合数值计算结果的精度和计算时长等因素,方案6(网格数量1 080 200个)为最佳网格数。
表1 网格无关性检验

Tab.1 Grid-independence test

编号 网格数量/个 计算水头损失/m 实际水头损失/m 相对误差/%
1 381 766 0.094 5 0.120 3 21.44
2 447 060 0.097 4 19.04
3 543 606 0.098 6 18.54
4 659 200 0.100 3 16.63
5 832 384 0.103 7 13.80
6 1 080 200 0.109 0 9.39
7 1 254 026 0.128 5 6.82
8 1 443 282 0.181 8 51.12

1.5 湍流模型的选取及验证

由于水流进入过滤器后,连接管道、滤网以及进出口断面会对水流产生阻力,会造成过滤器的水头损失(hw )。其计算公式如下:
Z1+P1ρ g+α1 v122 g=Z2+P2ρ g+α2 v222 g+hw
式中:hw 为过滤器水头损失,m; Z1+P1ρ g Z2+P2ρ g为测压管水头,m; α1 v122 g α2 v222 g为速度水头,m; α1 α2分别为动量修正系数,取为1.0。
为了选取湍流模型,对清水条件下100目滤网、流量为11 m3/h的工况进行模拟,将3种湍流模型(标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型)的模拟结果与物理试验结果进行对比处理,并用相对误差来确定模拟的可靠性,公式如(5)表示:
H=|hws-hwhw|×100%
式中:H为相对误差;hws 为数值模拟的水头损失,m。
表2可以发现标准k-ε模型计算出的水头损失与物理试验的水头损失的相对误差最小,仅为9.39%,这表明标准k-ε模型更适用于泵前微压网式过滤器的清水流场。
表2 不同湍流模型相对误差的对比

Tab.2 Comparison of relative errors of different turbulence models

湍流模型 水头损失/m 相对误差/%
数值模拟 物理试验
标准 k-ε 0.109 0 0.120 3 9.39
RNG k-ε 0.093 7 22.11
Realizable k-ε 0.096 3 19.95
为了确保数值模拟计算结果的可信度,将标准k-ε模型在不同流量下泵前微压网式过滤器的计算结果与物理试验结果分别进行对比,如表3所示,物理试验与数值模拟的水头损失的最小相对误差为2.62%,最大相对误差为14.48%,结果表明标准k-ε模型适用于本研究泵前微压网式过滤器的清水流场。
表3 不同流量下标准k-ε数值模拟的验证

Tab.3 Validation of standard k-ε numerical simulations at different flow rates

工况 流量/(m3•h-1) 物理试验水头损失/m 数值模拟水头损失/m 相对误差/%
1 5 0.038 1 0.043 6 14.48
2 8 0.073 8 0.071 8 2.66
3 11 0.120 3 0.109 0 9.39
4 14 0.183 1 0.178 3 2.62
5 17 0.262 9 0.253 2 3.69

2 结果及分析

2.1 速度场分析

2.1.1 X=0.15m断面

图4X=0.15 m断面速度云图。由图4可知:滤网内部水流的流速分布呈现三层结构,即“焰心”——高速区、“内焰”——过渡区、“外焰”——低速区的“火烛”特征的分布规律,形态特征为上部细长,下部较粗,随流量增大该特征愈显著。原因为水流进入滤网内后受到滤网的阻力作用;5 m3/h工况下仅有低速区;8 m3/h时过渡区开始出现;当11 m3/h时“火烛”结构形成;14 m3/h时过渡区逐渐减小,高速区增大;17 m3/h时过渡区几乎消失;滤网内部末端(Z=-0.90~-0.85 m)的流速趋于0 m/s,这是因为在排污阀关闭时,排污口可视为壁面,水流与壁面碰撞后反向运动,与正向运动的水流相撞,动能相互抵消,流速减小,在滤网内部末端形成停滞区;由于出水口的影响,在排污口底部(Y=-0.43~-0.40 m,Z=-0.9~-0.8 m)形成小范围动水区。
图4 X=0.15 m断面速度云图

Fig.4 Velocity cloud for X=0.15 m section

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2.1.2 Z=-0.82 m断面

图5Z=-0.82 m断面的速度云图。由图5可知:小流量时,出水口影响范围仅在上方区域,随着流量的增加,出水口影响区域逐渐扩大至出口左侧和过滤器底部;当流量为5、8、11、14、17 m3/h时,过滤器底部(X=0.11~0.20 m,Y=-0.43~-0.41 m)流速均大于滤网内部流速,流速差分别为0.12、0.18、0.26、0.31、0.37 m/s,原因是滤网内部末端水流动能相互抵消,流速减小,且滤网减小了出水口对滤网内部水流的影响。
图5 Z=-0.82 m断面速度云图

Fig.5 Velocity cloud for Z=-0.82 m section

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2.2 压强场分析

2.2.1 X=0.15 m断面

图6X=0.15 m断面的压强云图。由图6可知:过滤器内部压强分布不均匀,滤网内局部形成高压区,其中高压区位于在过滤器进口处(Y=-0.41~-0.34 m,Z=-0.4~0 m)且呈现半椭圆状,这是由于滤网内部的低速水流阻碍进口的高速水流前进导致的;当流量为5、8、11、14、17 m3/h时,滤网底部(Z=-0.4~0 m)内外最大压强差分别约为770、800、1 040、1 280、1 600 Pa,压强差是产生水头损失的原因之一,因此推断此处为导致水头损失的主要部位。
图6 X=0.15 m断面压强云图

Fig.6 Pressure cloud for X=0.15 m section

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2.2.2 Z=-0.82 m断面

图7Z=-0.82 m断面的压强云图。由图7可知:滤网内部压强低于滤网外部(X=0.11~0.20 m,Y=-0.43~-0.41 m),不同流量下压强差分别为480、450、360、240、160 Pa,滤网内外压力差随流量的增加而降低;出水口(X=0.04~0.10 m,Y=-0.43~-0.37 m)的压力分布不均匀,存在负压区(X=0.04~0.10 m,Y=-0.43~-0.41 m),最小压强分别为140、100、-100、-300、-500 Pa,负压值随流量增加而增大。
图7 Z=-0.82 m断面压强云图

Fig.7 Pressure cloud at Z=-0.82 m section

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3 讨 论

在泵后网式过滤器的数值模拟选用湍流模型的环节中,谢炎[12]选用标准k-ε模型作为卧式网式过滤器三维数值模拟的湍流模型;曹东亮[13]、刘凯硕[14]、喻黎明[15, 16]选用标准k-ε模型作为Y型网式过滤器的数值模拟的湍流模型;阿力甫江·阿不里米提[17]选用RNG k-ε模型作为鱼雷网式过滤器数值模拟的湍流模型,选用其湍流模型的原因为:该模型适用于高雷诺数的湍流模型,特别是在模拟弯曲、漩涡和旋转流动等方面;周理强[18]同在高雷诺数Re=15801的工况下,因为Y型网式过滤器内部存在回流与射流现象,选用标准k-ε模型。泵前微压过滤器过滤器在不同流量下的雷诺数为Re=18 119~61 943,均属于高雷诺数工况,与鱼雷网式过滤器结构不同,泵前微压过滤器内部无弯曲、漩涡和旋转流动,但过滤器内部与Y型网式过滤器同存在回流和射流的现象,故需要进行湍流模型的优选。在本文泵前微压过滤器数值模拟湍流模型的选取中,表2不同湍流模型相对误差发现标准k-ε的模拟精度远远高于RNG k-ε,经过对比分析后发现标准k-ε模型更适合作为泵前微压过滤器数值模拟的湍流模型,且陶洪飞[19]在同为123 252个网格数的情况下,对比标准k-ε、RNG k-ε模型所用计算时间,得到标准k-ε相比RNG k-ε模型用时短一分钟,故选用标准k-ε既能兼顾精度要求又能节约计算时间。
在泵后网式过滤器中,常会增设导流装置来优化流场。周理强[18]使用导流片以减少Y型网式过滤器滤网泥沙的堆积,以及提高过滤器的抗堵性能;阿力甫江·阿不里米提[17]加入鱼雷部件来延长过滤时间和提高过滤效率。为泵前网式过滤器增设导流装置的研究和研发提供初步的思路和方法。

4 结 论

(1)通过对泵前微压网式过滤器内部速度场的分析,发现不同流量时,滤网内部水流流速呈现不同形态的“火烛”式分布规律,末端出现流速停滞区域;出口对过滤器左侧和底部水流影响程度不同,过滤器内部流速分布不均匀。
(2)通过对内部压强场的分析,发现不同流量时,过滤器内部压强分布不均匀,滤网局部出现高压区,出水口出现负压区。随着流量的增大,高压区和负压区的范围越大,高压区的滤网内外压差越大,出水口的负压值越大。

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