卧式自清洗过滤器（电动旋转反冲洗滤水器）过滤及排污过程技术分析 

       卧式自清洗过滤器（电动旋转反冲洗滤水器）过滤及排污过程技术分析，为了研究卧式自清洗网式电动旋转反冲洗滤水器在不同进水流速下过滤和排污过程中内部流场的分布规律，对卧式自清洗网式电动旋转反冲洗滤水器的过滤和排污过程进行清水流场的数值模拟，得到不同进水流速下的压强场和速度场，并将模拟结果与试验结果对比，二者相对误差在10%以内，证实了数值模拟的可靠性。数值模拟结果表明，进水流速越大，罐体和排污系统内的水流掺混越剧烈，可减少泥沙淤积，有助于提高过滤和排污效果，但随着进水流速的增大，罐体和排污系统的进出口压强差随之增大，其水头损失也增大，对电动旋转反冲洗滤水器结构稳定性要求也越高。上述研究结果可为卧式自清洗网式电动旋转反冲洗滤水器结构优化提供参考依据。
      随着节水灌溉技术的大力发展，微灌技术成为缓解水资源短缺和促进现代农业发展的有效途径之一。而微灌水源由于含有杂质和泥沙，如果不进行过滤处理，易引起滴灌系统的堵塞，缩短其使用寿命，因此，电动旋转反冲洗滤水器在节水灌溉中起着至关重要的作用。自清洗网式电动旋转反冲洗滤水器在新疆地区应用较为广泛，其适用于含沙率较低的二次过滤水源，对于泥沙含量较高的微灌水源需要经沉淀池进行预处理。
      自清洗网式电动旋转反冲洗滤水器在运行过程中罐体封闭，水力性能较为复杂，其内部的水流状况不能直观地通过物理试验进行观察，所以，目前常采用数值模拟的方法对网式电动旋转反冲洗滤水器的水力性能进行研究。结果发现，滤网孔径越小，电动旋转反冲洗滤水器水头损失越大，滤网承受的压强越大；但现有的研究主要是关于网式电动旋转反冲洗滤水器结构对电动旋转反冲洗滤水器内部流场影响的数值模拟分析，而针对进水流速对电动旋转反冲洗滤水器过滤过程和排污过程中整个流场变化的数值模拟研究较少，并且针对自清洗网式电动旋转反冲洗滤水器排污系统内部流场的数值模拟研究也相对较少。因此，分别建立卧式自清洗网式电动旋转反冲洗滤水器罐体和排污系统的三维，并通过对自清洗网式电动旋转反冲洗滤水器在清水条件下的过滤和排污过程进行数值模拟，研究其在不同进口流速下，电动旋转反冲洗滤水器罐体和排污系统内部压强场和速度场以及与水头损失的关系，旨在为卧式自清洗网式电动旋转反冲洗滤水器的结构优化提供科学依据。
1卧式自清洗过滤器（电动旋转反冲洗滤水器）的结构及运行原理
1.1结构组成
      如图1A～B所示，卧式自清洗网式电动旋转反冲洗滤水器主要包括罐体、一级过滤室（粗过滤网过滤）、二级过滤室（细过滤网过滤）及排污系统。其中，排污系统主要由吸沙组件、旋喷管和排沙管组成，2个旋喷管开口方向相反，并与排沙管轴线垂直，3个吸沙组件呈120°在排沙管上交错排列。排污系统和过滤系统的设计参数如表1所示。
      A.过滤系统；B.排污系统。1：进水口；2：出水口；3：压力计；4：细过滤网；5：罐体；6：粗过滤网；7：吸沙组件；8：旋喷管出口；9：旋喷管；10：电磁阀；11：排污口；12：排沙管。
图1自清洗网式电动旋转反冲洗滤水器结构示意图及过滤和排污过程流
程图
1.2卧式自清洗过滤器（电动旋转反冲洗滤水器）运行原理
      1）过滤过程。如图1A所示，灌溉水源由电动旋转反冲洗滤水器进水口进入，先后经过粗过滤网和细过滤网进行过滤，后由出水口流出。粗过滤网主要对挟有较大粒径泥沙或者长絮状杂质的水流进行初步过滤，滤网的孔径较大，过滤精度不高，并需要取出进行人工清洗。细过滤网依靠孔径较小的滤网进行二次过滤，此阶段可以将水流中的泥沙和较大的有机质截留在细滤网表面，泥沙和有机质不断地积聚，使细滤网内外形成压差。
      2）排污过程。如图1B所示，当细滤网内外压差达到预设值时，电磁阀会自动关闭出水阀并打开排污阀。此时，水流只能由吸沙组件的矩形吸沙口进入，经排沙管由开口相反的旋喷管的出口喷出，旋喷管在水流形成的力偶作用下带动整个排污系统转动。在压差作用下吸沙组件产生强劲吸力，从而可以吸附积聚在细滤网表面的泥沙和有机质。同时，由于排污系统的旋转，吸力能够覆盖整个细滤网表面。随着排污过程的进行，细滤网内外压差逐渐降低，当内外压差降低到一定值时，排污阀自动关闭，出水阀打开，排污过程结束。
2卧式自清洗网式电动旋转反冲洗滤水器流体力学建模
2.1物理
      利用ICEM-CFD软件进行建模及网格划分。由于过滤过程和排污过程在实际工况中单独运行，即排污时不进行过滤，过滤时不进行排污，因此，为了便于分别研究排污系统内部和罐体内部的流场变化，分别对排污系统和过滤系统进行建模。图2为罐体和排污系统三维的网格划分情况。
      在过滤过程中，由于清水条件下滤网对水头损失的影响较小，主要研究电动旋转反冲洗滤水器在清水条件下进水流速对内部流场的影响。考虑到的复杂性以及减少数值模拟计算的工作量，直接采用非结构化的四面体网格单元；另外，为了保证计算的精度，在的进口和出口处进行网格加密处理。
3过滤过程和排污过程数值模拟结果与讨论
3.1卧式自清洗过滤器（电动旋转反冲洗滤水器）清水条件下过滤过程数值模拟结果验证
      通过水力性能试验验证数值模拟结果的可靠度。在试验装置运行稳定后，使用便携式超声波流量计测定电动旋转反冲洗滤水器进水口的流量，并读取相应流量条件下进出口压力表示数，通过对电动旋转反冲洗滤水器的进出口列能量方程计算得到水头损失大小。将试验计算得到的水头损失与数值模拟得到的水头损失进行对比验证。从表3中可以看出，二者相对误差均不超过10%。说明数值模拟的数据与试验数据有较高的吻合度。
3.2自清洗网式电动旋转反冲洗滤水器过滤过程数值模拟
3.2.1不同流速下的压强场分析
      从图3A～C可以看出，进水口与出水口存在明显的压强差。这是由于受到进出口边界条件、罐体以及3个圆形分流口的影响，过滤过程中会产生沿程水头损失和局部水头损失，但是因为网式电动旋转反冲洗滤水器管长较短，水头损失主要考虑局部水头损失，在动能和位能一定的情况下，进水口的压强要明显大于出水口的压强。在进水流速为0.695、1.366和2.083m/s时，进出水口的压强差分别为7310.0、11910.0和20450.0Pa，故进水流速越大，电动旋转反冲洗滤水器进出水口压强差越大，其水头损失也就越大。
      同时，电动旋转反冲洗滤水器一级过滤室与二级过滤室也存在较大的压强差，在3种进水流速下一级过滤室与二级过滤室压强差分别为1040.1、2440.0和3780.4Pa，进水流速越大，一级过滤室与二级过滤室压强差越大。水流由一级过滤室进入二级过滤室时会受到3个分流口的影响，导致一级过滤室内的压强较大，而在二级过滤室存在出水口的边界，其压强较小，所以分流口在保证排污系统稳定的同时应尽可能地增大其水流通过面积，以减小一级过滤室的压强，从而增加粗滤网的使用寿命。从图3C中可以看出，二级过滤室下部的压强大于上部的压强，进水流速越大，二级过滤室内压强变化越明显。这是由于二级过滤室上部直接与出水管相连，越接近出水管压强就越小。进水流速对电动旋转反冲洗滤水器出水管的影响较大，当进水流速较小时，出水管的压强基本呈抛物线型下降，而当进水流速增大时，出水管压强增大，但在边壁处存在低压区，这会导致电动旋转反冲洗滤水器出水管壁形成空蚀。另外，进水流速越大，罐体所承受的压强也就越大，提高了对滤网承载能力的要求。
3.2.2卧式自清洗过滤器（电动旋转反冲洗滤水器）不同流速下的速度场分析
      从图4A～C中可以看出，当水流经进水管流入罐体时，在一级过滤室内流速从上到下逐渐减小。这是由于从进水口进入的水流受到电动旋转反冲洗滤水器下壁的阻挡而反向流动，从而与后面的来水相互抵消，流速降低。在一级过滤室下部水流流速小，甚至为0，易于造成泥沙淤积，但进水流速越大，一级过滤室内流速为0区域面积越小。水流流速在二级过滤室内从左到右逐渐降低，右侧水流流速基本为0，在出水口水流流速又逐渐增大。进水流速越大，电动旋转反冲洗滤水器内部水流紊动越剧烈。从图4C中可以看出，当进水流量为151m3/h时，对一级过滤室和二级过滤室紊动影响较大，增大了二级过滤室内水流流速。圆形分流口对水流流速也会产生较大影响，当进水流速为0.695、1.366和2.083m/s时，分流口平均流速分别为0.184、0.372和0.535m/s，表明进水流速越大，分流口流速越大。但圆形分流口壁前后都有流速为0的区域，可能会造成泥沙在附近沉积且不易冲洗，必要时需要人工清洗。由图4可见，在进水管右侧和出水管左侧有较大的水流流速，而且进水流速越大，对两侧的影响越大，管壁受到水流的冲击就越严重。因此，可将电动旋转反冲洗滤水器拐角处设计成圆弧状或改变进出管角度，以减少水头损失和对边壁的冲击。另外，进水流速越小，进出管内流速分布越不均匀，对电动旋转反冲洗滤水器的稳定性也会造成一定的影响。
      1）过滤过程中从进水管到出水管，压强逐渐降低，一级过滤室与二级过滤室存在较大的压强差，进水流速越大，进出水口及一级过滤室和二级过滤室压强差越大；电动旋转反冲洗滤水器内的水流速度呈先减小后增大的变化趋势，且进出水口处流速大。进水流速越大，过滤室内的压强越大，水流紊动越剧烈，可减少泥沙淤积。
      2）卧式自清洗过滤器（电动旋转反冲洗滤水器）排污过程中吸沙组件的矩形吸沙口处压强大，水力旋喷管处压强小，随着进水流速的增大，二者的差值也不断增大。排污系统的进水流速越大，系统内的水流掺混越剧烈，内部流速分布越不均匀，水头损失也越大。但随进水流速增大，水流挟沙能力增强，吸口吸力增大，有助于清除滤网上的泥沙，提高电动旋转反冲洗滤水器的自清洗能力。