滴灌网式过滤器水头损失试验及分析

李曼 刘贞姬 宗全利

摘 要：滴灌用自清洗网式过滤器是目前国内外应用最广泛的过滤器之一，其水头损失是评价过滤器性能的关键参数。对过滤器的水力性能进行系统研究，分析了80目滤网清水和浑水水头损失的变化规律。通过清水试验，拟合得到了进水流量与水头损失变化的关系式;通过浑水试验，采用单因素分析法对流量相同和含沙量相同条件下的水头损失变化规律进行研究，得到了相应浑水水头损失的计算方法，由此拟合出两种情况下的水头损失计算公式，拟合公式的决定系数均大于0.90。

关键词：网式过滤器; 灌溉; 计算; 清水; 浑水; 水头损失

Abstract：At present， self-cleaning screen filter for drip irrigation is one of the most widely used filters at home and abroad and its head loss is a key parameter for evaluating filter performance. In this paper， the hydraulic performance of the filter was systematically studied and the variation law of the water loss and turbid water head loss of the 80 mesh filter was analyzed. In the clean water test， the relationship between the inflow and the head loss was obtained by fitting. In muddy waters， the variation of head loss under the same flow rate and the same sediment concentration was carried out by the single factor analysis method. In the study， the calculation method of the corresponding head loss of the drowning water was obtained and calculated separately and the formula for calculating the head loss in two cases was fitted. In the water and drowning experiments， the data fit degree was greater than 0.90.

Key words： screen filter; irrigation; calculation; clean water; muddy water; head loss

新疆地区水源多为冰川融水，里面含有大量的无机杂质（泥沙等）、有机杂质（悬浮物和动物残骸等）和其他杂质，基于此，过滤就显得尤为重要。就现阶段国内外对过滤器的研究而言，过滤器水力性能和过滤性能等方面的研究已经成为主流。过滤器水头损失是评价过滤器水力性能及运行经济的一个重要指标。目前国内对过滤器水头损失的研究，普遍以立式过滤器为准。相较而言，卧式自清洗网式过滤器具有安装、维护方便及成本低等优点。本文在总结国内外卧式过滤器研究文献[1-4]的基础上，重点研究其水头损失的变化规律，以此为用户提供参考依据及技术指导。

1 国内外过滤器研究现状

综合过滤器在滴灌系统中的应用，国内外对过滤器的研究主要分为以下3类：一是对过滤器工作原理及过滤性能的研究，以便优化过滤器的内部结构;二是对各种组合式过滤器即新型过滤器的研究，包括离心式网式过滤器、叠片式砂过滤器等，将不同过滤器的优点相结合，提高过滤器的过滤效果;三是对过滤器清洗方式及排污时间的研究，以期为过滤器提供更长的使用寿命，提高其经济效益。

武汉大学董文楚从20世纪90年代起就对砂石过滤器过滤机理、堵塞规律、水头损失及其影响因素等方面做了大量的研究[5-7];徐茂云[8]基于我国现有微灌用筛网式过滤器水力性能试验研究，提出了减小滤网面积、改变过滤器结构使其便于安装等建议;陶洪飞等[9]采用 Fluent软件讨论和分析不同滤网孔径下的速度场、压强场及能态场，得出滤网孔径越小网式过滤器过滤时的内部流场越紊乱、水头损失越大、罐体与出水管交界处的滤网需要承受的压强差越大的结論;宋剑鹏[10]通过对影响自清洗网式过滤器最佳排污时间的因素进行分析，发现过滤器最佳排污时间与过滤器进水含沙量、排污含沙量及过滤时间有关;闫大壮等[11]通过大量研究得出造成滴头堵塞的主要颗粒的数量级;宗全利等[12]研究发现，滤网内外压降随水流流量、滤网厚度、形成滤饼层厚度增大而增大，滤网孔径越小，滤饼孔隙率越小，滤网两侧压降越大。

国外对自清洗过滤器的研究比较早，理论研究比较透彻，灌溉技术较为先进，研制生产了各种类型的自清洗过滤器，水资源利用率较高。Anon[13]在早期就对自清洗过滤器的性能等进行了分析和研究;James[14]提出了自动反冲洗过滤器;Jan[15]研究了自清洗连续过滤系统;Puig等[16]利用量纲分析法推导了若干方程用于计算盘式、网式和砂式过滤器的水头损失，并对过滤器的水头损失进行了分析;Demir等[17]主要从过滤器的滤网网筛角度出发对其水头损失等进行了研究，得到了过滤器不同，其流量和水头损失等也随之不同的结论，基于此进一步确定了其变化范围;Yurdem等[18]研究了用于滴灌系统中网式、旋流器、砂分离器等不同过滤器的效率，得出了在特定流量范围下的水头损失。

随着我国工农业的迅速发展，过滤器的总体水平不断提高，我国过滤器设备的发展有了长足的进步，具有高效率、低投入、系统自动化、适合我国国情的微灌设备将是今后研究的主要方向[19]。

2 过滤器滤网类型设计

网式过滤器滤网按形状可分为矩形、楔形、圆形等类型[20]。实际应用中主要采用矩形滤网和楔形滤网，如图1所示。矩形滤网一般是由经线和纬线按一定规律上下交错而织成的，这种方式使滤网较为细密紧致，过滤时固体粒径小于滤网孔隙的可以通过，大于其孔隙的则被截留，过滤后可以获得比较清洁的滤液。楔形滤网材质一般为不锈钢、钛等特殊合金，具有强度大、负荷能力强、使用寿命长、效率高等特点，特殊材质为滤网提供了较好的支撑，使滤网不易变形。

目前随着对过滤器自清洗程度要求的提高，虽然楔形网有不易拆卸、需要因地制宜以及制作成本高等缺点，但对比矩形网的容易造成堵塞、易变形、清洗不干净和使用寿命短等缺点，楔形网明显具有较好的经济效益，因此楔形网更适合推广应用。

3 材料与方法

3.1 试验材料

试验装置如图2所示，其主要由变频柜、蓄水池、进水管、试验用过滤器、出水管、搅拌池、排污管、离心泵以及过滤设备等构成。其中：过滤器外壳直径0.38 m，滤网内直径0.28 m、外直径0.30 m，出水口、进水口以及排污口管径分别为0.20、0.20、0.10 m。试验地点为石河子大学水工水力学试验大厅，其主要研究对象为卧式自清洗网式过滤器，包括浑水试验和清水试验两部分。试验用水采用抽取蓄水池水源的方式，该蓄水池直径4.5 m、高2.0 m。试验供水装置的内部还设置了一个棱柱形搅拌池，其长0.8 m、宽0.8 m、高1.5 m，作用是使试验用水能够有一定的含沙量并且基本保持在一个浓度范围内，搅拌池动力由一个额定功率为1.5 kW的三相异步电动机提供，在试验过程中进水流量大小由变频器来调节。结合新疆灌溉用水水质特点，针对该地区微灌较为常用的规格为80目的网式过滤器进行试验，其对应网孔直径为 0.18 mm，过滤器工作流量为 150～220 m3/h;浑水试验采用细沙，泥沙粒径级配见图3，相应中值粒径d50为0.16 mm。为了在较短时间内发现水头损失变化规律，选用较粗泥沙颗粒级配进行试验。

3.2 泥沙颗粒级配

试验中采用的浑水水样的泥沙粒径级配曲线见图3。所选取泥沙粒径依据为：首先要保证过滤器滤网在较大含沙量（S=0.063 g/L）下不会在很短时间内堵塞，为试验提供足够取样时间（至少10～20 min）;其次要确保在较小含沙量（S=0.006 g/L）下，达到预设压差不会很长时间（小于60～90 min），保证试验的效率。

3.3 试验方法与步骤

根据实际情况，本试验采用清水试验和浑水试验两种情况来进行对比分析。其中清水试验主要通过控制进水流量得到不同的进出口压差值，进而通过计算得出其细过滤网局部水头损失，最后将细过滤网局部水头损失值与进水流量进行拟合，得出两者之间的关系方程。

浑水试验主要采用单因素试验法分别对进水流量一定和进水含沙量一定两种情况进行分析。考虑多方面的因素，本试验采用4级不同进水流量和6级不同进水含沙量，重点测试过滤器的局部水头损失随时间的变化情况，并在此基础上进行拟合分析。其中4级不同进水流量Q分别为220、200、180、160 m3/h，6级不同进水含沙量S分别为0.006、0.013、0.015、0.018、0.027、0.063 g/L。本试验中4种试验流量是按照过滤器工作流量Q=150～220 m3/h范围且级差为20 m3/h来进行选择的，这样既可以保证试验流量有较广的范围，又在过滤器额定流量之内。根据试验所得数据，选取具有代表性的组次进行对比分析，进而得出相应的结论。

4 结果与分析

4.1 清水条件下过滤器水头损失变化规律

清水條件下，自清洗网式过滤器不会发生堵塞现象，其有效过滤面积不会减小，在此情况下过滤器能够正常工作，并不会产生其他的水头损失，因此滤网进、出口之间的总水头差即其总水头损失。在过滤器流量允许的范围内，通过变频柜将过滤器流量从小到大进行调节，结合试验中进、出口压力表差值得出过滤器细过滤网的水头损失[21]。

由于在清水状态下，过滤器的内部结构以及材质等均不会发生变化，因此过滤器总水头系数不会随过滤时间的延长而变化，其水头损失只与进水口的进水流量即过滤器进水口断面平均流速有关。根据试验资料，可以用下式表示清水状态下水头损失与流量的关系[8]：

本试验获得的公式是清水水头损失的一般形式，由清水条件下过滤器水头损失曲线（见图4）可以看出，公式中的决定系数R2大于0.90，拟合度较高，可用于实际研究，且可以得到目数一定时进水口流量越大其清水水头损失越大的结论。

4.2 浑水水头损失

在试验用水中如果含有一定的泥沙等杂质，那么过滤器细过滤网的堵塞情况会变得很明显。在过滤刚开始的时候，细过滤网表面所拦截下来的泥沙等杂质比较少，过滤产生的阻力也不大，过滤网内外侧的压差变化也不是很突出，且上升不快。过滤器工作一段时间后，一方面水流中的泥沙等杂质会在细过滤网表面不断堆积，使得过滤网表面有效过滤面积慢慢减小，另一方面过滤层表面阻力变大使过滤网内外侧压差迅速产生变化，局部水头损失快速上升。

4.2.1 相同进水流量，不同进水含沙量

试验在进水口的进水流量相同但含沙量不同的条件下进行，其中进水流量分别为160、180、200、220 m3/h，则过滤器水头损失随过滤时间所显示出来的变化规律见图5。

由图5可知，在浑水条件下，当进水流量相同含沙量不同时，过滤器所产生的水头损失呈现出相似的变化规律，即在进水流量不变的情况下，过滤器刚开始运行时细过滤网拦截的杂质较少，内外压差不大，因而水头损失不发生变动。此后，过滤器进水口含沙量逐渐增大，随着过滤时间的延长，水头损失增大，并出现拐点，且含沙量越大，拐点越早出现。由于过滤器滤网表面堆积大量的杂质，滤网内外压差迅速增大，水头损失也随之快速上升，因此进水含沙量越大，过滤器过滤一次所用的时间就会越短，且更易堵塞。

4.2.2 相同含沙量，不同进水流量

在试验中，进水口含沙量相同但进水流量不同的条件下所显示出来的规律见图6。其主要是在过滤器含沙量一定的条件下，调节其进水口的进水流量，进而得出其水头损失随时间的变化关系。

由图6可知：试验中，当进水含沙量相同时，浑水水头损失总体的变化趋势较为相似。即初始条件下，过滤器滤网表面杂质较少，内外两侧水头损失变化不大。随着进水流量的增大，滤网表面的杂质增多，有效过滤面积减小，滤网内外侧压差较大，水头损失随之迅速增大，过滤时间相应减少且较早地出现拐点，因此更易发生堵塞现象，且在进水含沙量一定的条件下，过滤器的水头损失也会随进水流量的增大而增大。由此可知，进水流量越大，水头损失随时间的变化就会越显著。

5 浑水水头损失理论计算

综上分析可知，当试验用水中含有泥沙等杂质时，过滤器进水含沙量、过滤时间和进水流速都与过滤器的浑水水头损失Δh有关，浑水水头损失Δh可用如下经验公式进行计算[21-23]：

利用式（4）对试验数据进行拟合并在此基础上回归分析，可以得到以下两种关系（见图7和图8），即流量Q一定、含沙量S不同以及含沙量 S一定 、流量 Q不同，并以此来确定两种情况下的系数a和指数b，结果见表1和表2。

6 结论与讨论

（1）清水和浑水两种水质试验表明，进水流量越大过滤器水头损失越大。

（2）浑水试验表明，当进水流量一定时进水口含沙量越大过滤器水头损失越大，当进水口含沙量一定时随着进水流量的增大水头损失也会增大，这两种情况下过滤器过滤时间均相应减少，且堵塞现象较为显著。

（3）针对 80目滤网，在定性分析了流量为220 m3/h 和含沙量为0.018 g/L 条件下浑水水头损失变化规律的基础上，研究了浑水水头损失计算方法，给出了该方法的适用条件，对各种组合条件下的水头损失计算公式进行了拟合，结果表明各公式拟合精度较高，决定系数均大于0.90。

本文所提出的浑水水头损失计算方法和计算公式，没有考虑滤网目数影响，以后还需进行目数对水头损失的影响研究，使其具有更广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 李强强，宗全利，刘贞姬，等.卧式自清洗网式过滤器排污时间试验及计算[J].排灌机械工程学报，2014， 32（12）：1098-1104.

[2] 刘焕芳，王军，胡九英，等.旋流网式过滤器水力性能的试验研究[J].水利学报，2005，36（12）： 418-422.

[3] 宗全利，刘焕芳，郑铁刚，等.微灌用网式新型自清洗过滤器的设计与试验研究[J].灌溉排水学报，2010，29（1）：78-82.

[4] 刘焕芳，王军，胡九英，等.微灌用网式过滤器局部水头损失的试验研究[J].中国农村水利水电，2006（6）：57-60.

[5] 董文楚.微灌用过滤砂料选择与参数测定[J].喷灌技术，1995（2）：42-44.

[6] 董文楚.微灌用砂过滤器水力性能研究[J].喷灌技术，1996（1）：7-14.

[7] 董文楚.微灌用滤网过滤器设计原理与方法[J]. 喷灌技术，1989（3）：7-13.

[8] 徐茂云.微灌用筛网过滤器水力性能的试验研究[ J].水利学报，1992，23（3）：54-56.

[9] 陶洪飞，朱玲玲，马英杰，等.滤网孔径对网式过滤器内部流场的影响[J].灌溉排水学报，2017，36（12）：1-7.

[10] 宋剑鹏.自清洗网式过滤器最佳排污时间试验研究[J].人民黄河，2017，39（3）：145-148.

[11] 闫大壮，杨培岭，任树梅.滴头流道中颗粒物质运移动态分析与CFD模拟[J].农业机械学报，2007（6）：71-75.

[12] 宗全利，杨洪飞，刘贞姬，等.网式过滤器滤网堵塞成因分析与压降计算[J].农业机械学报，2017，48（9）：215-222.

[13] ANON.Self Cleaning Water Filter[J]. Process Engineering（Sydney），1984，2（1）：27-29.

[14] JAMES E Amburgey. Optimization of the Extended Terminal Subfluidization Wash （ETSW） Filter back Washing Procedure[J]. Water Research，2005（39）：314-330.

[15] JAN Hermene. Auto-Line Filter. Self-Cleaning， Continuous Filtration System Filter&Sep-Aration[J]. 2002，39（7）：28-30.

[16] PUIG BARGUES ，BARRAGAN J， RAMIREZ de Cartegena F.Development of Equations Forcalculating the Head Loss in Effluent Filtration in Microirrigation Systems Using[J]. Dimensionalanalysis Biosystems Engineering，2003，92（3）：383-390.

[17] DEMIR V， YURDEM H， YAZGI A， et al. Determination of the Head Losses in Metal Body Discfilters Used in Drip Irrigation Systems[J]. Turkish Journal of Agriculture & Forestry， 2009， 33（3）：219-229.

[18] YURDEM H， DEMIR V， DEGIRMENCIOGLU A . Development of a Mathematical Model to Predict Head Losses from Discfilters in Drip Irrigation Systems Using Dimensional Analysis[J]. Biosystems Engineering， 2010， 100（1）：14-23.

[19] 山侖，康绍忠，吴普特.中国节水农业[J].北京：中国农业出版社，2004：58-61.

[20] 杨洪飞，宗全利，刘贞姬，等.大田滴灌用网式过滤器滤网堵塞成因分析[J].节水灌溉，2017（2）：94-98.

[21] 刘焕芳，郑铁钢，刘飞.自吸网式过滤器过滤时间与自清洗时间变化规律分析[J].农业机械学报，2010，41（7）：80-83.

[22] 刘飞，刘焕芳，宗全利，等.自清洗网式过滤器水头损失和排污时间研究[J].农业机械学报，2013， 44（5）：127-134.

[23] 宗全利，刘飞，刘焕芳，等.大田滴灌自清洗网式过滤器水头损失试验[J].农业工程学报，2012，28（16）：86-92.

【责任编辑 许立新】