CN111177945B - 一种离心式过滤器的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心式过滤器的优化设计方法，包括以下步骤：1)新结构特征提出，2)分离过滤性能评价体系建立，评价指标包括水头损失和分离效率以及综合评价指标，3)不同水源条件下结构参数最优阈值确定，包括锥体锥角、圆台溢流管外壁的上下半径比，入流管封闭部分在入流管横截面上的投影面积占入流管横截面面积的比例，4)产品成型与特性参数获取，即通过上述步骤中得到的特征参数阈值范围，对优化后产品进行三维定型，开发高精度模具。

Description

一种离心式过滤器的优化设计方法

技术领域

本发明属于高效节水灌溉技术领域，特别地，涉及一种细颗粒粘性泥沙处理的离心式过滤器的优化设计方法。

背景技术

微灌技术因其精量、高效、节水、控肥和增产的效用，在我国黄河沿线灌区已经成为最主要的灌溉方式之一。但由于黄河水中所含泥沙颗粒极细且粘滞性较高，极易在微灌管网中附着，因而造成微灌系统的堵塞。

现有技术中，主要采用“大型沉砂池+二级精细过滤器”的方式处理黄河水中的细颗粒泥沙，但这种大型沉砂池占地面积大、投资高、运行维护成本高昂，而对于细颗粒粘性泥沙的过滤效果甚微，很难达到预期过滤分离效果；离心式过滤器一直被用作灌溉系统水源的初级处理设施，其对于大颗粒泥沙处理效果优越，但对于小颗粒泥沙没有效果，尤其是对于含有大量细颗粒粘性泥沙的黄河水毫无过滤效果。

目前，国内专家学者对于离心式过滤器的设计方向主要沿用国外的设计思路，设计目标大都集中在降低能耗方面，即在保证分离效率和精度不显著降低的基础上，有效降低过滤器水头损失。其中，黄青山等人在CN201810103152.2发明专利申请中提出了一种新型出口结构的水力旋流器，溢流管下端内部通过薄片固定有套管，并在底流管中心插入实心圆柱，该发明与常规水力旋流器相比，有效减小了圆锥段的长度，在不减小分离效率的情况下，水力旋流器溢流管下端的薄片套管和大直径底流口设计，使得其水头损失得到显著降低；周先桃等人在CN02221294.9专利申请中提出了一种节能耐磨型水力旋流器，在传统水力旋流器中增设了溢流导流叶轮和底流导流叶轮，将溢流液和底流液的周向动量转化为轴向动量，在不影响其分离效率和分离精度的前提下，减少了动量和压力能的损失。

但是，根据相关研究结果表明，分离效率和精度的提高，必然导致水头损失的增大，因此大部分学者出于节能的角度考量，直接否定了这一设计方向，这也就造成了目前我国引黄灌区主要依靠建设大型沉砂池处理黄河水的模式，耗费巨大的人力物力财力。事实上，黄河水因其具有特殊性，采用“离心式过滤器过滤黄河水以及通过增加一点能耗以提升其分离效率和精度”的设计思路完全可行，相比于建设大型沉砂池的成本要低得多。

因此，急需建立一套细颗粒粘性泥沙处理离心式过滤器的新的评价体系，提出一种通过适当提高能耗即可显著提高分离效率和精度的设计方法。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明提出了一种细颗粒粘性泥沙处理的离心式过滤器优化设计方法，首先提出了一种离心式过滤器的新结构的形式特征，利用CFD方法探究了其分离过滤性能，定量分析了水头损失和分离效率两个主要指标的变化，在此基础上，提出了黄河中上游不同灌区水源模式下，新结构参数的最优控制阈值。

本发明的一种细颗粒粘性泥沙处理的离心式过滤器的优化设计方法，主要包括以下技术方案：该方法包括以下步骤：1)离心式过滤器新结构特征提出，包括选用10-20°小锥角，在保证溢流管内径不变的情况下，将溢流管外壁调整为空心圆台状，入流管采用切向半封闭式入流口结构，靠近离心过滤器轴心的一部分为封闭结构，远离轴心的部分为贯通结构；2)分离过滤性能在计算流体动力学中的评价体系建立，即采用计算流体动力学对离心式过滤器的分离过滤性能进行量化分析，评价指标包括水头损失和分离效率，其中，水头损失用入流口与溢流口压力差表征，为方便计算在入流口和溢流口上均匀的选取有限个特征点代表整个面上的平均压力值，具体计算公式如下：

式中：

为入流口平均静压力值；

为入流口平均静压力值；k_i为入流口第i个特征点的静压力值；p_i为溢流口第i个特征点的静压力值；m为入流口特征点的个数；n为溢流口特征点的个数，

分离效率用1减去溢流口沙粒相的体积分数和入流口沙粒相的体积分数比值表征，其中溢流口沙粒相的体积分数用溢流口各点沙粒相体积分数的积分得到，为方便计算在溢流口面上均匀的选取有限个特征点，计算公式为：

式中：g(x，y)为溢流口各点上的沙相体积分数；q_i为特征点的沙相体积分数；n为特征点的个数；S_D为溢流口面积，提出综合评价指标k来表征过滤器分离性能，k值为过滤前后的损失值与对应分离效率的比值，物理意义为单位分离效率所需消耗的能量，

式中：k为综合评价指标；ΔH为过滤前后水头损失值；E为过滤器分离效率值；3)不同水源条件下结构参数最优阈值确定，包括锥体锥角、圆台溢流管外壁的上下半径比，以及入流管封闭部分在入流管横截面上的投影面积占入流管横截面面积的比例，将某一待确定阈值参数设置不同梯度条件，其他两个参数不变，每次只应用该待确定阈值参数的一个维度进行计算流体动力学计算，统计分离效率与水头损失变化规律，计算各形式下综合评价指标k’，与原构型k值比较，最终确定三个特征参数最优阈值范围；4)产品成型与特性参数获取，综合1)-3)步骤所得到的离心式过滤器新结构的特征参数阈值范围，以及该阈值范围对应的分离效率和水头损失值，对优化后产品进行三维定型，开发高精度模具。优选地，锥角α最优阈值为[17°,19°]，入流管封闭部分在入流管横截面上的投影面积占入流管横截面面积的比例最优阈值为[0.45，0.50]，圆台状溢流管上下半径比最优阈值范围为[0.70，0.85]。

本发明的具有以下有益效果：

1)本发明提出了一种离心式过滤器的新结构，利用CFD方法量化分析了过滤器的分离过滤性能，在此基础上提出了黄河中上游不同灌区水源模式下，过滤器的参数的最优控制阈值；

2)本发明建立起分离过滤性能在CFD的评价体系，选择水头损失ΔH和分离效率E两个评价指标来表征离心过滤器的分离性能，提出了综合评价指标k，并且提出了评价体系在CFD中的量化方法，定量分析过滤器的分离过滤性能，

3)本发明的过滤器设计为锥角小于20°，入流管的入流口设计为半封闭式入流口结构，溢流管设计为圆台状溢流管结构，与传统结构相比差异显著；

4)本发明根据黄河中上游典型灌区(河套灌区)的结构参数最优阈值范围，将过滤器设计为锥角α最优阈值为[17°,19°]，入流管封闭部分在入流管横截面上的投影面积占入流管横截面面积的比例

最优阈值为[0.45，0.50]，圆台状溢流管上下半径比

最优阈值范围为[0.70，0.85]。

附图说明

图1是本发明的一种离心式过滤器的优化设计方法的整体流程图；

图2是本发明的一种离心式过滤器的结构示意图，其中图2a为小锥角结构，图2b为半封闭入流口结构，图2c为倒圆台溢流管结构；

图3是本发明的一种离心式过滤器的结构参数控制特征示意图；

图4是本发明的一种离心式过滤器的原型尺寸参数示意图；

图5是本发明的一种离心式过滤器的原型三维构型图；

图6是本发明的一种离心式过滤器的原型网格划分图；

图7是本发明的一种离心式过滤器的原型内部流线图；

图8是本发明的一种离心式过滤器的新结构三维构型图；

图9是本发明的一种离心式过滤器的新结构网格划分图；

图10是本发明的一种离心式过滤器的新结构内部流线图；

图11是本发明的一种离心式过滤器的新结构产品成型图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明基于目前国内关于细颗粒粘性泥沙微灌用离心式过滤器设计优化理论的空白，提出了一种细颗粒粘性泥沙处理的离心式过滤器的优化设计方法，涉及一种离心式过滤器的新结构形式，设计出一种主要评价指标在CFD中的量化方法，并且在此基础上设计出了黄河中上游典型引黄灌区，及结构参数的最优控制阈值。该方法提出的离心式过滤器构型内部流场更加稳定，对于细颗粒粘性泥沙的分离效果更加优越，能量消耗有所增加。

本发明的具体设计流程如图1所示。具体设计步骤如下：

1)离心式过滤器新结构特征提出(新结构特征模型见图2)

根据国内外学者的研究结果统计分析，发现离心式过滤器锥角大小对其分离精度影响最大。在一定范围内，锥角越小，分离效率越高，分离精度也越高。然而锥角过小时，则会导致其椎体过长，其旋流作用不充分，不利于沉沙，分离效率和分离精度范围降低。因此本发明根据黄河水中细颗粒泥沙的分离特征，建议选用10-20°小锥角结构，相比于传统的20°锥角结构，能达到提高分离精度的目的。

根据离心式过滤器内部流场分析的结果，部分流体从入流口进入后，容易不经过旋流过滤直接从溢流管排出，这部分流体称为短路流，这部分流体的存在导致了离心式过滤器对于细颗粒粘性泥沙的分离精度降低。而插入段溢流管的形式对短路流的影响较大，因此，在保证溢流管内径不变的情况下，将溢流管外壁调整为空心圆台状。相较于传统直圆柱形溢流管形式，空心圆台溢流管能起到抑制短路流，增强旋流过滤作用，提高过滤精度的效果。

根据实验研究结果，入流管的入流口的结构形式对于离心式过滤器的分离精度影响较大，因此本发明的离心式过滤器新结构采用切向半封闭式入流口结构，靠近离心过滤器轴心的一部分为封闭结构，远离轴心的部分为贯通结构。相较于传统圆柱全贯通式切向入流口，新形式能起到导流作用，使得入流速度更大，入流紧贴器壁，旋流作用更充分，分离效率和分离精度也更高。

2)分离过滤性能在CFD中的评价体系建立

CFD方法即计算流体动力学,它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，是模拟各种工程设计问题的重要工具。CFD计算最基本的连续方程和动量方程(公式1和2)

式中，u_x、u_x、u_x分别为x、y、z方向速度分量；t为时间；ρ为密度。

式中，p为流体微元的压强；τ_xx、τ_xy、τ_zx为粘性应力在各方向的分量；f_x、f_y、f_z为各方向的单位质量力。

CFD方法在离心式过滤器过滤器设计中已经得到了广泛应用，但主要是用于速度、压力等流场特征的分析，鲜有对于分离过滤性能的量化分析。离心式过滤器过滤评价指标主要有水头损失和分离效率，水头损失用入流口与溢流口压力差表征，为方便计算在入流口和溢流口上均匀的选取有限个特征点代表整个面上的平均压力值，具体计算公式如下：

式中：

为入流口平均静压力值；

为入流口平均静压力值；k_i为入流口第i个特征点的静压力值；p_i为溢流口第i个特征点的静压力值；m为入流口特征点的个数；n为溢流口特征点的个数。

分离效率用“1”减去溢流口沙粒相的体积分数和入流口沙粒相的体积分数比值表征。其中溢流口沙粒相的体积分数用溢流口各点沙粒相体积分数的积分得到，为方便计算在溢流口面上均匀的选取有限个特征点，计算公式为：

式中：g(x，y)为溢流口各点上的沙相体积分数；q_i为特征点的沙相体积分数；n为特征点的个数；S_D为溢流口面积。

提出了综合评价指标k来表征过滤器分离性能，k值为过滤前后的损失值与对应分离效率的比值。物理意义为：单位分离效率所需消耗的能量。

式中：k为综合评价指标；ΔH为过滤前后水头损失值，单位为pa；E为过滤器分离效率值，单位为％。

3)不同水源条件下结构参数最优阈值确定

新结构形式的特征参数阈值因特定水源情境不同而不同，需要根据应用的水源条件，确定最优的参数阈值。需要确定最优阈值的参数主要有三个，分别对应三个结构特征：锥体锥角；圆台溢流管外壁的上下半径比；入流管封闭部分在入流管横截面上的投影面积占入流管横截面面积的比例，具体控制参数见图3。

根据实际需要应用的水源条件，确定水源浓度c、泥沙密度、颗粒中值粒径d50,作为CFD计算中水源参数的基本输入值(第二项质量分数c0、第二项密度、第二项粒径)。根据选取的待优化结构的设计流量v确定CFD计算的入口条件(入口速度v0)。对选取的待优化结构进行三维建模、网格划分、数值计算、结果后处理等过程。其中湍流模型选择雷诺应力模型(RSM)，多相流模型选择混合多项流模型(Mixture)，计算方法采用定常的非耦合隐式算法，压力相采用二阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMPLEC算法。

将某一待确定阈值参数设置不同梯度条件，其他两个参数不变，每次只应用该待确定阈值参数的一个维度进行CFD计算。根据计算结果，对流场特性进行初判，并统计分离效率与水头损失变化规律，计算各形式下综合评价指标k’，与原构型k值比较，k提升大于10％即认为该结构参数阈值较优，最终确定三个特征参数最优阈值范围。

4)产品成型与特性参数获取

综合1)-3)步骤所得到的离心式过滤器新结构的特征参数阈值范围，以及该阈值范围对应的分离效率和水头损失值。使用UG对优化后产品进行三维定型，开发高精度模具。依据用户应用需求，选定过滤器内外涂层材料、涂层壁厚等参数，实现产品产业化。

为进一步理解本发明的技术方案，通过举例说明本发明的工作过程。

应用该细颗粒粘性泥沙处理的离心式过滤器优化设计方法进行某微灌用离心式过滤器优化设计。设计背景为：选择的优化原型为市场上常见的某微灌用离心过滤器，其设计流量为30m3/h。特定应用场景为黄河中上游典型灌区——内蒙河套灌区，其泥沙中值粒径d50为54μm，该河段汛期泥沙浓度为2％。

具体优化设计过程如下：

1)待优化原始结构数值计算

根据选取的离心式过滤器实物原型尺寸(见图4)，使用UG软件对离心过滤器内部流域建立等比例三维模型，如图5所示。使用前处理软件ICEM对三维模型进行网格划分，并对入流口、溢流口、底流口进行网格的局部加密，整个模型共计划分为582145个网格。网格划分后的模型如图6所示。

应用FLUENT软件对离心过滤器内水沙两相流运动进行模拟，湍流模型选择雷诺应力模型(RSM)，初始边界条件设置入流口为速度进口velocity-inlet(4.2m/s)，溢流口为自由出流outfiow，溢流口流率为1。计算方法采用定常的非耦合隐式算法，压力相采用二阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMPLEC算法。待RSM模型计算趋于收敛后(残差小于10-4)，选择Mixture多相流模型，加入第二相沙相，密度为2800kg/m³，粒径0.054mm，调整边界条件中入口沙相体积分数为2％，直至计算收敛，至此完成离心过滤器内部流场的数值计算过程。

图7为颗粒在过滤器内部流线图，可以清晰看到有短路流存在，这也是影响其分离效率、精度的主要因素。

根据后处理结果，入流口平均静压力值

为28283Pa；溢流口平均静压力值

为19431Pa，应用公式3得出水头损失ΔH为8852Pa；溢流口沙相平均体积分数为0.8258，根据公式4得出，分离效率E为17.42％，根据公式5计算得出，综合评价指标k为508。

2)新结构参数最优阈值确定

在10°-20°范围内，将锥角设置9个梯度，分别对各梯度条件下进行计算。使用UG软件对新结构内部流域建立模型，如图8所示；使用ICEM对三维模型进行网格划分，如图9所示；使用Fluent对其进行数值计算，具体参数条件设置同上。

图10为颗粒在过滤器内部流线图，可以清晰发现短路流减少，流体在过滤器内部流动路径更长，旋流过滤作用更加充分。

根据计算后处理统计，不同锥角条件下水头损失ΔH、分离效率E、综合评价指标k和k的提升比例，见表1。

表1各锥角梯度下综合评价指标

根据计算结果，当锥角为16°-19°时，其分离效率E为24.62-45.21％，较原结构提高了41％-160％，此时其水头损失ΔH为9536-13018Pa，较原结构增加了8％-47％，综合评价指标k为255-10407，较原结构增加了-1948％-49.79％。当锥角为17°-19°时，k＞10％。由此可知，对于河套灌区引黄灌溉条件下，新形式离心式过滤器的锥角最优阈值为17°-19°。

同理，可计算得出：河套灌区引黄灌溉条件下，新形式离心式过滤器的圆台状溢流管上下半径比最优阈值范围为

此时分离效率在22.14-38.65％，其水头损失为9125-11540Pa；封闭部分在入流管横截面上的投影面积占入流管横截面面积的比例最优阈值为

此时分离效率在21.54-44.21％，其水头损失为10214-14215Pa。

3)产品成型与特性参数获取

根据结果，对于河套灌区引黄灌溉条件下，锥角α最优阈值为[16°,19°]；入流管封闭部分在入流管横截面上的投影面积占入流管横截面面积的比例

最优阈值为[0.25，0.50]；圆台状溢流管上下半径比

最优阈值范围为[0.80，0.95]。对于中值粒径54μm沙粒分离效率在21.54-45.21％范围内，水头损失在9125-14215Pa范围内，根据上述阈值范围，进行精细建模，新结构产品的成型图如图11所示。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种离心式过滤器的优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)离心式过滤器新结构特征提出，包括选用锥角α为10-20°的小锥角，在保证溢流管内径不变的情况下，将溢流管外壁调整为空心圆台状，入流管采用切向半封闭式入流口结构，即靠近离心过滤器轴心的一部分为封闭结构，远离轴心的部分为贯通结构；

2)分离过滤性能在计算流体动力学中的评价体系建立，即采用计算流体动力学对离心式过滤器的分离过滤性能进行量化分析，评价指标包括水头损失和分离效率，其中，

水头损失用入流口与溢流口压力差表征，为方便计算在入流口和溢流口上均匀的选取有限个特征点代表整个面上的平均压力值，具体计算公式如下：

式中：

为入流口平均静压力值；

为入流口平均静压力值；k_i为入流口第i个特征点的静压力值；p_i为溢流口第i个特征点的静压力值；m为入流口特征点的个数；n为溢流口特征点的个数，

分离效率用1减去溢流口沙粒相的体积分数和入流口沙粒相的体积分数比值表征，其中溢流口沙粒相的体积分数用溢流口各点沙粒相体积分数的积分得到，为方便计算在溢流口面上均匀的选取有限个特征点，计算公式为：

式中：g(x，y)为溢流口各点上的沙相体积分数；q_i为特征点的沙相体积分数；n为特征点的个数；S_D为溢流口面积，

提出综合评价指标k来表征过滤器分离性能，k值为过滤前后的损失值与对应分离效率的比值，物理意义为单位分离效率所需消耗的能量，

式中：k为综合评价指标；ΔH为过滤前后水头损失值；

为过滤器分离效率值；

3)不同水源条件下结构参数最优阈值确定，包括锥体锥角、圆台溢流管外壁的上下半径比，以及入流管封闭部分在入流管横截面上的投影面积占入流管横截面面积的比例，将某一待确定阈值参数设置不同梯度条件，其他两个参数不变，每次只应用该待确定阈值参数的一个维度进行计算流体动力学计算，统计分离效率与水头损失变化规律，计算各形式下综合评价指标k’，与原构型k值比较，最终确定三个特征参数最优阈值范围；

4)产品成型与特性参数获取，综合1)-3)步骤所得到的离心式过滤器新结构的特征参数阈值范围，以及该阈值范围对应的分离效率和水头损失值，对优化后产品进行三维定型，开发高精度模具。

2.根据权利要求1所述的一种离心式过滤器的优化设计方法，其特征在于，锥角α最优阈值为[17°,19°]，入流管封闭部分在入流管横截面上的投影面积占入流管横截面面积的比例最优阈值为[0.45，0.50]，圆台状溢流管上下半径比最优阈值范围为[0.70，0.85]。

Images