[发明专利]一种离心式过滤器的优化设计方法

说明书

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。

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，