一种用于细颗粒泥沙过滤的离心过滤器的优化设计方法
阅读说明：本技术 一种用于细颗粒泥沙过滤的离心过滤器的优化设计方法 (Optimization design method of centrifugal filter for filtering fine-particle silt ) 是由 李云开 侯鹏 王槿妍 于 2021-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于细颗粒泥沙过滤的离心过滤器的优化设计方法,包括以下流程：流程1,建立离心式过滤器结构构型与确定离心式过滤器关键结构参数控制阈值；流程2,确定特定过滤粒径下离心式过滤器最优体积；流程3,确定离心式过滤器串并联布置形式；其中,流程1中,通过数值模拟的方法在水头损失可接受的范围下,进行过滤性能对比得到离心过滤器最优构型；流程2中,针对不同粒径,确定最优构型下的最适宜体积及附属结构；流程3中,依据流量确定过滤器并联关系,根据泥沙粒径过滤需求确定串联关系。(The invention provides an optimal design method of a centrifugal filter for filtering fine-particle sediment, which comprises the following steps: the method comprises the following steps of 1, establishing a centrifugal filter structure configuration and determining a centrifugal filter key structure parameter control threshold; step 2, determining the optimal volume of the centrifugal filter under the specific filtering particle size; flow 3, determining the serial-parallel arrangement form of the centrifugal filters; in the process 1, filtering performance comparison is carried out by a numerical simulation method in a waterhead loss acceptable range to obtain the optimal configuration of the centrifugal filter; in the process 2, the most suitable volume and the attached structure under the optimal configuration are determined according to different particle sizes; in the flow 3, the parallel relation of the filters is determined according to the flow, and the series relation is determined according to the filtering requirement of the sediment particle size.)
技术领域
本发明属于高效节水灌溉技术领域，尤其涉及一种用于细颗粒泥沙过滤的离心过滤器的优化设计方法。
背景技术
合理利用含沙水进行农业灌溉已成为缓解全球水资源紧缺问题的有效途径之一，其泥沙处理效果的好坏直接影响灌溉系统的使用，但目前仅对粗颗粒泥沙为主的高含沙水源形成较为成熟的模式，对于以细颗粒泥沙为主的黄河水等高含沙水源仍没有较为成功的解决方案。采用沉淀、过滤措施处理高浓度细颗粒泥沙难度较大，主要原因在于细颗粒泥沙沉降速度慢导致沉沙池大且成本高，且细颗粒泥沙过滤需求的过滤器目数较高导致频繁地自动反冲洗而产生高能耗问题。因此，开发有效过滤细颗粒泥沙的过滤器对于含沙水应用推广具有重要意义。
离心过滤器被作为含沙水灌溉的初级处理设施之一，其主要由于目前对100μm以上的粗颗粒泥沙处理效果较好，而对于含有细颗粒粘性泥沙过滤效果较差。事实上，旋流过滤器由其可按照粒度及密度进行分离的特性适用于固液分离，目前离心过滤器对细颗粒泥沙分离效率较低主要由于设计思路集中在不明显增加水头损失的情况下，对过滤器进口、锥段、溢流管等结构的优化设计，增加分离效率，例如：黄青山等人(CN201810103152.2)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，减小了圆锥段的长度。李云开等人(CN202010025837.7)提出了一种离心式过滤器的优化设计方法，采用半封闭式入口及圆台式溢流管，并建立了分离过滤性能在CFD的评价体系及结构参数的控制阈值。目前研究并未采用在水头损失可满足的条件下，寻求更高的分离效率的设计思路，同时也并未考虑结构构型下的体积寻优、多个过滤器串并联等连接方式的影响。
综上所述，提出了一种离心式过滤器的新结构构型，同时以在允许的水头损失情况下提升泥沙分离效率为理念，提出针对特异粒径范围的体积寻优方法，并建立面向灌溉系统控制流量、过滤粒径的过滤器串并联方式，已经成为亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种用于细颗粒泥沙过滤的离心过滤器的优化设计方法，所述设计方法包括以下流程：
流程1：建立离心式过滤器结构构型与确定离心式过滤器关键结构参数控制阈值；
流程2：确定特定过滤粒径下离心式过滤器最优体积；
流程3：确定离心式过滤器串并联布置形式；
其中，流程1中，通过数值模拟的方法在水头损失可接受的范围下，进行过滤性能对比得到离心过滤器最优构型；
流程2中，针对不同粒径，确定最优构型下的最适宜体积及附属结构；
流程3中，依据流量确定过滤器并联关系，根据泥沙粒径过滤需求确定串联关系。
优选的，流程1中，离心过滤器结构构型主要包括整体构型和进口形式，对不同构型与不同进口形式在同一体积下通过数值模拟的方法进行对比，分析其内部流场中短路流、内旋流以及外旋流分布，最终以水头损失及分离中值粒径大小及分离效率为评价指标，在水头损失可接受下，选择分离中值粒径最小且分离效率最高的结构作为最优过滤器结构构型。
优选的，流程1中，不同构型包括直立蜗壳式、直管倾斜式和传统形式，不同进口形式包括蜗壳式进口、半封闭式进口和传统结构。
优选的，流程1中，对最优结构构型的关键结构参数控制阈值进行选择，主要考虑的参数包括圆柱段高度，锥段高度，锥角角度和溢流管深度，将上述参数作为控制阈值进行梯度分析，基于数值模拟方法进行分析，以平均流速及泥沙分离效率为评价指标，在水头损失可接受下，选择分离中值粒径最小的结构作为该结构构型下的参数最优搭配。
优选的，流程1中，适宜的圆柱段高度为总体过滤器比例的1/2-1/8之间，锥段高度为总体过滤器比例的7/8-1/2之间，锥角角度为10°-40°之间，溢流管深度为圆柱段高度的1/4-1之间。
优选的，适宜于过滤器模拟的数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤1：网格划分
根据选取的离心式过滤器实物原型的结构参数，使用NX UG软件对离心过滤器内部流域建立等比例三维模型，使用前处理软件ICEM对三维模型的进口水进行网格划分，网格整体采用非结构化网格，体尺寸为0.5mm，并对进水口、溢流口进行网格的局部加密，网格尺寸0.3mm，网格质量通过无关性检验；
步骤2：模拟模型
湍流模型选择RNG k-ε模型，进水口设置为速度入口，溢流口为压力出口，壁面采用无滑移壁面，求解中选用SIMPLEC算法求解压力-速度耦合，差分格式选择二阶迎风格式，计算精度为10-4；离散相数值计算选择DPM模型，泥沙混合粒径根据原状泥沙颗分数据拟合Rosin-Rammler函数，传播系:1.30；离散相选择密度为2800kg/m3碳酸钙，壁面条件溢流口为逃逸，其他壁面为反弹，拟合公式如式1所示：
优选的，流程2中，在过滤器常规设计流量工况下，进行体积调控，将其体积整体放缩，分析不同粒径泥沙在不同尺寸下的分离效率以及水头损失，其中，在水头损失不超过系统最大设计压力0.6MPa的条件下，得到不同粒径过滤所需的最优体积，即可选取不同体积过滤器串联实现各粒径过滤效率的协同最优。
优选的，流程2中，体积整体放缩为原本尺寸的5/6、4/6、3/6、2/6、1/6。
优选的，流程2中，在过滤器集沙罐处增加位置传感器，当集沙罐中沙量达到整体集沙3/4位置时，开启自动反冲洗系统。
优选的，流程3中，根据灌溉系统要求流量及过滤器设计流量确定系统并联数，根据粒径控制要求对过滤器进行串联布置，前段过滤器用于过滤大粒径颗粒，后段过滤器过滤细颗粒泥沙粒径，最终确定其系统布置形式。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1)本发明的优化设计方法，包括了结构构型建立、结构参数阈值确定、特定过滤粒径下过滤器最优体积确定、串并联布置形式确定等步骤，实现了各粒径范围泥沙颗粒分离效率的提升；
2)本发明提出了一种新的离心式过滤器结构构型，将蜗壳式圆柱段与半封闭式进口相结合，并以分离效率为控制指标，提出过滤器关键结构参数确定方法，降低了离心过滤器有效分离的中值粒径；
3)本发明建立了基于离心过滤器构型的最优体积确定方法及附属结构，针对不同构型过滤器及不同过滤粒径需求，确定泥沙过滤的最优体积，并附属结构确定方法，可对应得到不同粒径最优分离效率所对应产品；
4)本发明提出了不同流量、不同粒径过滤形式下的离心过滤器串并联方法，采用并联方式满足对流量需求，采用串联方式针对不同粒径泥沙进行多级精细过滤，以协同实现不同粒径范围的最优分离效率。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明优选实施例选取的三种结构构型示意图；
图3为本发明优选实施例的最优结构构型示意图；
图4为本发明优选实施例选取的三种进口形式示意图；
图5为本发明优选实施例确定的最优结构构型及缩放的不同尺寸下对不同粒径的分离效率；
图6为本发明优选实施例的过滤器应用布置形式。
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。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
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。
本发明的一个宽泛实施例中，一种用于细颗粒泥沙过滤的离心过滤器的优化设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下流程：
流程1：建立离心式过滤器结构构型与确定离心式过滤器关键结构参数控制阈值；
流程2：确定特定过滤粒径下离心式过滤器最优体积；
流程3：确定离心式过滤器串并联布置形式；
其中，流程1中，通过数值模拟的方法在水头损失可接受的范围下，进行过滤性能对比得到离心过滤器最优构型；
流程2中，针对不同粒径，确定最优构型下的最适宜体积及附属结构；
流程3中，依据流量确定过滤器并联关系，根据泥沙粒径过滤需求确定串联关系。
优选的，流程1中，离心过滤器结构构型主要包括整体构型和进口形式，对不同构型与不同进口形式在同一体积下通过数值模拟的方法进行对比，分析其内部流场中短路流、内旋流以及外旋流分布，最终以水头损失及分离中值粒径大小及分离效率为评价指标，在水头损失可接受下，选择分离中值粒径最小且分离效率最高的结构作为最优过滤器结构构型。
优选的，流程1中，不同构型包括直立蜗壳式、直管倾斜式和传统形式，不同进口形式包括蜗壳式进口、半封闭式进口和传统结构。
优选的，流程1中，对最优结构构型的关键结构参数控制阈值进行选择，主要考虑的参数包括圆柱段高度，锥段高度，锥角角度和溢流管深度，将上述参数作为控制阈值进行梯度分析，基于数值模拟方法进行分析，以平均流速及泥沙分离效率为评价指标，在水头损失可接受下，选择分离中值粒径最小的结构作为该结构构型下的参数最优搭配。
优选的，流程1中，适宜的圆柱段高度为总体过滤器比例的1/2-1/8之间，锥段高度为总体过滤器比例的7/8-1/2之间，锥角角度为10°-40°之间，溢流管深度为圆柱段高度的1/4-1之间。
优选的，适宜于过滤器模拟的数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤1：网格划分
根据选取的离心式过滤器实物原型的结构参数，使用NX UG软件对离心过滤器内部流域建立等比例三维模型，使用前处理软件ICEM对三维模型的进口水进行网格划分，网格整体采用非结构化网格，体尺寸为0.5mm，并对进水口、溢流口进行网格的局部加密，网格尺寸0.3mm，网格质量通过无关性检验；
步骤2：模拟模型
湍流模型选择RNG k-ε模型，进水口设置为速度入口，溢流口为压力出口，壁面采用无滑移壁面，求解中选用SIMPLEC算法求解压力-速度耦合，差分格式选择二阶迎风格式，计算精度为10-4；离散相数值计算选择DPM模型，泥沙混合粒径根据原状泥沙颗分数据拟合Rosin-Rammler函数，传播系:1.30；离散相选择密度为2800kg/m3碳酸钙，壁面条件溢流口为逃逸，其他壁面为反弹，拟合公式如式1所示：
优选的，流程2中，在过滤器常规设计流量工况下，进行体积调控，将其体积整体放缩，分析不同粒径泥沙在不同尺寸下的分离效率以及水头损失，其中，在水头损失不超过系统最大设计压力0.6MPa的条件下，得到不同粒径过滤所需的最优体积，即可选取不同体积过滤器串联实现各粒径过滤效率的协同最优。
优选的，流程2中，体积整体放缩为原本尺寸的5/6、4/6、3/6、2/6、1/6。
优选的，流程2中，在过滤器集沙罐处增加位置传感器，当集沙罐中沙量达到整体集沙3/4位置时，开启自动反冲洗系统。
优选的，流程3中，根据灌溉系统要求流量及过滤器设计流量确定系统并联数，根据粒径控制要求对过滤器进行串联布置，前段过滤器用于过滤大粒径颗粒，后段过滤器过滤细颗粒泥沙粒径，最终确定其系统布置形式。
下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。
应用该不同粒径细颗粒泥沙过滤的离心过滤器产品及其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：特定应用场景为黄河中上游典型灌区——内蒙河套灌区，其小区设计流量为100m3/h，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)离心式过滤器结构构型与关键结构参数控制阈值确定
针对上述条件，本文选取三种结构构型如图2所示TC传统形式，SI细长优化型，CI蜗壳优化型三种结构构型，并选取蜗壳式进口、半封闭式进口、传统进口三种进口形式，进行对比过滤器设计流量参照市场常见设备50m3/h，进行数值模拟探究其过滤效率与水头损失变化。
其数值模拟模型设置为：湍流模型选择RNG k-ε模型，进水口设置为速度入口，2.76m/s；溢流口为压力出口，壁面采用无滑移壁面，求解中选用SIMPLEC算法求解压力-速度耦合，差分格式选择二阶迎风格式，计算精度为10-4。离散相数值计算选择DPM模型，泥沙混合粒径根据原状泥沙颗分数据拟合Rosin-Rammler函数，传播系数(Spread Parameter)1.30。离散相选择密度为2800kg/m3碳酸钙，壁面条件溢流口为逃逸(escape)，其他壁面为反弹(reflect)。拟合公式如式5所示。以CI过滤器为例进行模型校正，50m3/h流量条件下数值模拟和实验测试水头损失、分离效率情况，数值模拟和实验测试水头损失、分离效率拟合情况较好，均在5％以内。
经过对比，发现在蜗壳优化型结构构型基础与半封闭式进口配合情况下，水头损失为0.14Mpa，在可接受范围内，同时分离效率较其他形式提升14.29％-550.02％，因此，以此构型为基础构型进行最优结构参数配置。
其中，圆柱段高度设置为总体过滤器比例的1/2、3/8、1/4、1/8，锥段高度设置为总体过滤器比例的1/2、5/8、3/4、7/8，锥角设置角度为10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°，溢流管深度为圆柱段高度的1/4、1/2、3/4、1，以这些值进行全正交测试，进行梯度分析，经过对比，发现在圆柱段高度设置为总体过滤器比例的1/4，锥段高度设置为总体过滤器比例的3/4，锥角设置角度为20°、25°，溢流管深度为圆柱段高度的3/4时，水头损失为0.16Mpa，在可接受范围内，同时中值粒径减小1.06％-45.98％，分离效率较其他形式提升3.06％-45.98％。
(2)特定粒径下过滤器最优结构确定
为进一步提升分离效率，可调控过滤器整体尺寸实现以能耗的适当增加获得更高的分离效率。由步骤(1)中确定的结构构型为945mm，基于此，对其进行缩放处理，分别缩放为850mm，756mm，662mm，分析其不同尺寸下对不同粒径的分离效率，结果如图5所示，缩放高度为756mm时，其对70μm以上粒径分离效率最高，而缩放高度为662mm时，其对30-70μm粒径分离效率最高，并且其水头损失为0.21-0.32MPa，在可接受范围以内，由于设计工况中泥沙中值粒径d50为54μm，因此，将662mm作为30-70μm过滤设备，将756mm设备作为70μm以上粒径过滤设备，同时，由于河段汛期泥沙浓度为2％，因此，在过滤器集沙罐处增加位置传感器，当集沙罐中沙量达到整体集沙3/4位置时，开启自动反冲洗系统
(3)过滤器应用布置形式
由于其泥沙中值粒径d50为54μm，则考虑采用756mm过滤器作为一级离心过滤器，而662mm过滤器作为二级过滤设备的串联形式，进行过滤。同时其小区设计流量为100m3/h，而过滤器设计流量为50m3/h，因此，考虑两套系统并联的形式进行过滤，其产品布置图如图6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。
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