泵前和泵后组合型网式过滤器的过滤性能

摘要：为探究泵前和泵后组合型网式过滤器的过滤性能，将泵前和泵后网式过滤器串联，通过室内原型试验，开展不同进水流量、含沙质量浓度和滤网目数对组合型过滤器水头损失和除沙率的影响规律试验研究，并与单一网式过滤器的水头损失和除沙率进行对比.研究结果表明：清水条件下组合型过滤器的水头损失与进水流量具有统计学意义；浑水条件下水头损失随进水流量和滤网目数增大而增大，在进水流量为130 m³/h工况下，进水含沙质量浓度对初始水头损失和总水头损失峰值影响较小；通过极差分析得到各因素对除沙率的影响程度由大到小依次为滤网目数、进水含沙质量浓度和进水流量，确定了最优参数组合为泵前60目滤网、泵后100目滤网、进水流量130 m³/h、进水含沙质量浓度0.18 g/L；当进水流量为110 ～150 m³/h时，组合型网式过滤器最大水头损失峰值较单一泵前或泵后过滤器分别高41.51%和39.58%.研究结果可为组合型网式过滤器的设计和应用提供一定参考.

关键词：网式过滤器；组合型过滤器；过滤性能；进水流量；极差分析

中图分类号：S277.9 文献标志码：A 文章编号：1674-8530（2024）09-0888-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0040

杨昊，刘贞姬，雷辰宇，等.泵前和泵后组合型网式过滤器的过滤性能[J]. 排灌机械工程学报，2024，42（9）：888-894.

YANG Hao， LIU Zhenji， LEI Chenyu， et al. Filtration performance of combined pre-pump and post-pump mesh filters[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2024， 42（9）： 888-894. （in Chinese）

Filtration performance of combined pre-pump and post-pump mesh filters

YANG Hao， LIU Zhenji^*， LEI Chenyu， LU Chen， LONG Yangjuan， LI Man

（College of Water Conservancy and Architectural Engineering， Shihezi University， Shihezi， Xinjiang 832000， China）

Abstract： To investigate the filtration performance of combined pre-pump and post-pump mesh filters， the pre-pump and post-pump mesh filters were connected in series. The influence of different inlet water flow， sand content and mesh size on the head loss and sand interception rate of combined filters was carried out through indoor prototype tests， and the test results of the combined filter were compared with the head loss and sand interception rate of single mesh filters. The results show that the head loss of the combined filter under clear water condition is positively correlated with the inlet water flow. Under the muddy water condition， head loss increases with the increase of inlet water flow rate and mesh size. Under the condition of inlet water flow of 130 m³/h， influences of the inlet water sand content on the initial head loss and total peak head loss are relatively small. Through range analysis， in descending order of the influence degree of various factors on the sand interception is screen aperture， sand content and inlet water flow. The optimum combination of filter parameters is determined to be the pre-pump filter with mesh number of 60， the post-pump filter with mesh number of 100， 130 m³/h inlet flow rate and 0.18 g/L inlet sand content. When the flow rate is 110-150 m³/h， the maximum peak head loss of combined mesh filter is 41.51% and 39.58% higher than that of single pre-pump or post-pump filter， respectively. The results of the study have positive significance for application and promotion of the combined mesh filters.

Key words： mesh filter;combined filter;filter performance;inlet flow rate;range analysis

泵前和泵后组合型网式过滤器结合了不同类型过滤器的优缺点，适用范围广，过滤精度高，常用于微灌系统工程中水源杂质的分离过滤.目前众多学者针对单一过滤器开展了大量研究.杨培岭等^[1]对比分析了砂石筛网分体式和一体式过滤器的流场，提出了将滤网融入砂石罐体的一体式优化布置方案.ZONG等^[2]对自清洗网式过滤器的反冲洗压差和反冲洗时间进行了研究，确定了最佳反冲洗时间为30～45 s.文献[3-5]分别研究了不同颗粒介质砂石过滤器压降随流速的变化关系，建立了水头损失计算公式.文献[6-7]采用试验和数值模拟相结合的方法，研究了旋流器锥角对水力性能和分离效率的影响规律.甘光华等^[8]基于CFX对离心泵水力性能进行了数值模拟研究.文献[9-11]研究发现，较大的入口和出口直径与较短和较宽的过滤器外壳组合能够减小自清洗网式过滤器的水头损失，并扩大过滤器工作流量范围.

以上主要是对泵后有压过滤器的研究，而对泵前过滤器及其组合型过滤器的研究较少.李继霞等^[12]设计一种网式旋流自清洗泵前过滤器，分析了过滤器出口直径、吸污器转速和吸污口宽度对除杂率的影响，得到过滤器和吸污器内部流场的分布规律.杨圆坤等^[13]分析了不同滤网条件对微压过滤冲洗池过滤时间、拦截泥沙质量和泥沙去除率的影响规律.周洋等^[14]对旋转网筒过滤器进行室内物理模型试验，结果表明网筒转速随流量增大而增大，随含沙质量浓度增大而减小.

综上所述，现有网式过滤器研究主要是针对单一泵前或泵后进行试验，而泵后网式过滤器在实际应用过程中往往存在滤网易堵塞、自清洗效果差等问题.因此，文中在不同进水流量、含沙质量浓度以及滤网目数条件下，对泵前和泵后组合型网式过滤器开展清水和浑水试验，并与单一网式过滤器进行对比，探究组合型网式过滤器水头损失和除沙率的影响因素.

1 试 验

1.1 试验装置

试验装置由蓄水池、搅拌机、组合型网式过滤器、水泵（额定流量为160 m³/h）、变频柜、进水连接管道、出水连接管道等组成，如图1所示.

组合型网式过滤器由泵前漂浮式过滤器和泵后自清洗网式过滤器串联组成，泵前过滤器主要包括滤网、浮筒、自清洗装置和支撑结构等（见图2a），过滤器48目和60目滤网孔径分别为0.32 mm×0.32 mm，0.25 mm×0.25 mm.泵后过滤器为立式结构，主要包括粗滤网、细滤网（起主要过滤作用，文中泵后过滤器滤网均指细滤网）和吸沙组件（见图2b），过滤器80目和100目滤网孔径分别为0.20 mm×0.20 mm，0.16 mm×0.16 mm.

1.2 试验材料

试验用泥沙为新疆玛纳斯河流域天然细河沙，其中悬浮泥沙颗粒粒径较小，无法对其进行级配测试.粒径在0.10～0.25 mm的泥沙级配为51.46%，粒径在0.10～5.00 mm的泥沙级配为93.53%.

1.3 试验方法

试验分为清水试验和浑水试验.选取3种滤网目数组合（M₁：泵前60目，泵后80目；M₂：泵前60目，泵后100目；M₃：泵前48目，泵后80目），结合新疆地区实际工程情况和试验设备允许流量（0～160 m³/h），设置进水流量以10 m³/h为梯度从110 m³/h递增至160 m³/h，共6组进水流量，并通过电磁流量计进行校核，蓄水池中含沙水经过滤后回到蓄水池中实现循环过滤.

清水条件下采用精密压力表测量组合型过滤器进、出水口压强，探究不同滤网目数组合情况下过滤器水头损失随流量的变化规律.

浑水条件下开展定流量和定含沙质量浓度两组试验，为了使过滤系统具有较好的过滤效果和有效过滤时长，结合预试验及农田灌溉水质标准设置进水含沙质量浓度分别为0.12，0.15，0.18 g/L.试验开始前调节变频柜频率控制过滤系统进水流量，待系统稳定运行3 min后向蓄水池中匀速手动加沙，通过控制加沙速率改变过滤器进水含沙质量浓度，在蓄水池中设置搅拌机使含沙水混合均匀.加沙过程中部分泥沙在重力作用下沉降，难以进入过滤系统，考虑泵前过滤器主要起到对悬浮杂质的拦截以及泵后过滤器对泥沙的关键过滤作用，将提前配置好的含沙水加入泵前过滤器进水口一侧，以控制实际进入到组合型过滤系统的含沙质量浓度.在过滤系统进、出水口处每隔1 min读取一次压力表示数，当泵后过滤器滤网内外压降达到排污压差时， 试验停止.

1.4 评价指标

1.4.1 水头损失

水头损失是评价过滤器水力性能的主要指标，包括沿程水头损失和局部水头损失.考虑过滤器主体结构和连接管道长度较短，沿程水头损失较小可忽略不计.过滤系统进水口和出水口之间存在一定的高程差，故组合型网式过滤器的总水头损失ΔH可表示为

ΔH=h_j+Δh，（1）

其中

h_j=ξ₁v²₁2g+ξ₂v²₂2g，（2）

式中：h_j为局部水头损失；Δh为过滤系统进出水口高程差；ξ₁，ξ₂分别为泵前过滤器和泵后过滤器的局部水头损失系数；v₁，v₂分别为泵前和泵后过滤器进水断面平均流速；g为重力加速度.

根据连续性方程Q=Av，流速为

v=QA，（3）

式中：Q为过滤系统进水流量；A为过流断面面积.

根据式（1）—（3），可得总水头损失与进水流量的关系式为

ΔH=ξQ²（A²₁+A²₂）2gA²₁A²₂+Δh，（4）

式中：ξ为组合型网式过滤器局部水头损失系数；A₁，A₂分别为泵前和泵后过滤器进水断面面积.

令k=ξ12g，可将式（4）简化为

ΔH=kQ²（A²₁+A²₂）A²₁A²₂+Δh，（5）

式中：k为总水头损失系数，与过滤器种类、材质和滤网规格有关.

1.4.2 除沙率

泵前和泵后组合型网式过滤器的除沙率为滤网拦截泥沙质量与各级过滤前含沙水中泥沙质量的比值，分别记为η₁和η₂，即

η₁=S₀-S₁S₀×100%，（6）

η₂=S₁-S₂S₁×100%，（7）

式中：S₀，S₁，S₂分别为过滤前、一级过滤和二级过滤后含沙水中泥沙质量.

2 结果与分析

2.1 清水条件下各过滤器水力性能

图3为清水条件下，泵前、泵后以及组合型网式过滤器总水头损失随流量变化曲线，可以看出，当进水流量从110 m³/h增大至160 m³/h时，泵前、泵后以及组合型网式过滤器的水头损失增长率分别为62.44%，114.66%，97.28%.

从试验结果可知，各过滤器的水头损失与进水流量具有统计学意义，其中泵前过滤器的水头损失随进水流量变化最小.分析认为，泵前过滤器滤网表面积较大，进水流速小，且泵前过滤器滤筒内压强与大气压强相近，造成的水头损失较小.

对试验数据进行拟合，得到清水条件下过滤器的水头损失与进水流量关系式，其形式与目前常用的水头损失计算公式一致，决定系数R²均大于0.990 0，拟合度较高，可认为该公式适用于实际工程中对组合型网式过滤器的水头损失计算.

2.2 水头损失影响因素分析

组合型网式过滤器M₁在相同含沙质量浓度、不同进水流量条件下的总水头损失随时间变化情况如图4所示，可以看出：当进水流量为110～130 m³/h时，对应的水头损失变化缓慢；当进水流量为130～160 m³/h时，对应的水头损失增长较快；随着进水流量增大，组合型过滤系统的初始水头损失呈上升趋势，总水头损失峰值也增大；以进水含沙质量浓度ρ=0.15 g/L为例，不同进水流量条件下组合型网式过滤器的初始水头损失和总水头损失峰值增长率分别为48.18%和59.58%.

组合型网式过滤器M₁和M₂在相同进水流量、不同含沙质量浓度条件下的总水头损失随时间变化情况如图5所示，可以看出：随着进水含沙质量浓度不断增大，组合型过滤器M₁ 和M₂的初始水头损失和总水头损失峰值变化均较小；泵后过滤器滤网目数越大，过滤系统水头损失出现拐点的时间提前，且总水头损失峰值有所增大；以进水流量Q=130 m³/h为例，组合型网式过滤器M₁在不同含沙质量浓度条件下的水头损失出现拐点对应的时间分别为1 800，1 500，1 320 s，而组合型网式过滤器M₂的水头损失出现拐点对应的时间分别为990，900，810 s，明显小于滤网目数组合M₁；同一滤网目数组合网式过滤器初始水头损失变化量为0.03～0.22 m，水头损失峰值变化量为0.10～0.19 m，均小于对应初始值的5%，认为进水含沙质量浓度对组合型网式过滤器水头损失影响不大.

对试验结果进行分析可知，随着过滤系统进水流量增大，水流受到滤网和过滤系统边界造成的黏滞阻力越大，因此初始水头损失和总水头损失峰值均增大，一定时间内进入过滤系统的泥沙质量增多，泵前和泵后过滤器分别在短时间内完成介质堵塞和滤饼堵塞，最终完全堵塞.而进水含沙质量浓度的大小主要影响一定时间内进入过滤系统的泥沙总量，加速过滤系统的堵塞过程，对过滤系统的总水头损失峰值影响不大.过滤器滤网目数对过滤系统总水头损失的影响主要是基于过滤介质对水流的阻碍作用，滤网目数越大，对应的水头损失系数越大，则过滤系统的总水头损失也越大.

将试验结果与李继霞等^[12]、李曼等^[15]对单一泵前和泵后网式过滤器的试验结果进行对比，如表1所示，表中ΔH_max为水头损失峰值.

由表1可以看出：当含沙质量浓度为0.15 g/L时，泵前过滤器水头损失峰值为15.90 m，而组合型网式过滤器在试验工况下的水头损失峰值为11.82～22.50 m，最大值较泵前过滤器高41.51%，其水头损失主要是由泵后过滤器滤网堵塞造成的；当含沙质量浓度为0.12 g/L时，泵后过滤器的水头损失峰值为11.00～16.27 m，而组合型网式过滤器在试验工况下的水头损失峰值为11.87～22.71 m，最大值较泵后过滤器高39.58%，这是由于组合型网式过滤器和单一过滤器相比结构复杂，造成了更大的总水头损失.

分析对比结果可知，进水流量对泵前过滤器水头损失影响较小，而泵后过滤器以及组合型网式过滤器的水头损失峰值均随进水流量增大而增大.进水含沙质量浓度对泵前、泵后以及组合型过滤器的水头损失影响不大，这与水头损失影响因素分析结果一致.各工况条件下组合型网式过滤器水头损失峰值明显高于泵前或泵后单一过滤器.

2.3 除沙率影响因素分析

除沙率反映了网式过滤器的泥沙处理能力，不同进水流量和含沙质量浓度条件下组合型网式过滤器M₁各级除沙率如图6所示.

由图6可以看出：组合型网式过滤器一级过滤和二级过滤除沙率随进水含沙质量浓度增大而增大，随进水流量增大而减小；对比各工况条件下的一级过滤和二除沙率，泵后过滤器的除沙率明显高于泵前过滤器；当进水流量为110 m³/h时，不同进水含沙质量浓度条件下组合型网式过滤器二级过滤比一级过滤除沙率高11.43%～14.20%，大部分泥沙在进入组合型网式过滤器后被拦截在泵后过滤器滤网表面，部分粗颗粒泥沙在泵前过滤器的筛分和重力作用下沉降到蓄水池底部.

分析试验结果可知，进水含沙质量浓度越大，一定时间内进入过滤系统的泥沙增多，各级过滤器滤网表面拦截的泥沙质量增大，除沙率增大.对比一级和二级除沙率表明，泵后过滤器除沙率明显高于泵前过滤器，在过滤过程中起主要作用，对泵后过滤器的结构进行优化并选择合适的滤网目数有利于提高组合型过滤系统的整体过滤性能.

将试验结果与单一泵前和泵后网式过滤器的试验结果进行对比，如表2所示，表中η为除沙率.

由表2可以看出：当进水含沙质量浓度为0.15 g/L时，泵前过滤器的除沙率最大为38.60%，而组合型过滤器在试验工况下的除沙率为52.17%～60.00%，明显高于泵前过滤器；当含沙质量浓度为0.12 g//L时，泵后过滤器的除沙率为58.80%，而组合型过滤器在不同进水流量条件下的除沙率为47.06%～57.14%，低于泵后过滤器.这是由于泵前过滤器主要拦截悬浮泥沙杂质，而部分大颗粒泥沙在重力作用下沉降，实际进入组合型过滤器的泥沙含量低于设置进水含沙质量浓度，除沙率降低.

极差分析结果如表3所示，表中R为极差，K_i为各因素下与i（i=1，2，3）水平相关的试验结果之和，k_i为各因素下与i水平相关的试验结果之和的平均值.

由表3可以看出，各因素对组合型过滤器除沙率影响程度由大到小依次为滤网目数、含沙质量浓度和流量.滤网目数极差为22.11，远大于进水含沙质量浓度和流量，对除沙率的影响程度最大.以除沙率作为分析评价指标，最优工况组合为泵前60目，泵后100目滤网，进水流量130 m³/h，进水含沙质量浓度0.18 g/L.

3 讨 论

开展原型试验探究组合型网式过滤器过滤性能，得到了清水条件下的水头损失拟合计算公式，发现流量和滤网目数是影响水头损失的主要因素，且滤网目数对除沙率影响最大.将试验结果与李继霞等^[12]、李曼等^[15]的研究结果进行对比，发现组合型网式过滤器的除沙率明显高于单一泵前过滤器，但低于泵后过滤器.这是因为组合型网式过滤器对进水含沙质量浓度的控制与传统泵后过滤器存在一定的区别：组合型过滤器主要对水中悬浮杂质进行过滤，进入过滤系统的泥沙含量往往小于设计进水含沙质量浓度.刘焕芳等^[16]研究表明网式过滤器水头损失随流量增大而增大，进水口流量值超过140 m³/h后水头损失增加较快，文中显示当进水流量在130～160 m³/h水头损失变化具有相似规律.

在实际工程中，泵后网式过滤器往往还存在滤网易堵塞、使用寿命短等问题，需要频繁清洗或更换滤网，增设泵前过滤器能够较好地解决这一问题.由于目前国内外对泵前过滤器的研究成果相对较少，将组合型试验与李继霞等^[12]、李曼等^[15]对单一泵前或泵后过滤器试验结果进行对比时难以得到同一工况下的定量结论，在后续研究中可对相似工况下单一泵前或泵后过滤器进行试验，以达到更好的对比效果.此外，进一步探究组合型网式过滤器对树叶、藻类等有机物杂质的过滤机理，分析泵前和泵后滤网目数匹配对过滤效率的影响规律也具有一定的研究价值.

4 结 论

对泵前和泵后组合型网式过滤器开展清水试验以及不同进水流量和含沙质量浓度条件下的浑水试验，对试验结果进行分析得到结论如下：

1） 清水条件下，组合型网式过滤器的水头损失随进水流量增大而增大，得到了水头损失拟合计算公式，其决定系数R²大于0.990 0，可用于实际计算.

2） 浑水条件下，组合型网式过滤器的初始水头损失和总水头损失峰值与流量具有统计学意义，不同含沙质量浓度下水头损失变化率小于对应初始值的5%，认为含沙质量浓度对水头损失影响不大.滤网目数越大，总水头损失峰值越大，水头损失出现拐点的时间提前.

3） 极差分析结果表明，各因素对除沙率影响程度由大到小依次为滤网目数、进水含沙质量浓度和流量.结合正交试验结果确定了最优参数组合：泵前60目，泵后100目滤网，进水流量130 m³/h，含沙质量浓度0.18 g/L.泵后过滤器除沙率高于泵前过滤器，对泵后过滤器滤网目数的选取是提高组合型过滤器过滤性能的关键.

参考文献（References）

[1]杨培岭， 周洋， 任树梅， 等. 砂石-筛网组合过滤器结构优化与性能试验[J]. 农业机械学报， 2018， 49（10）： 307-316.

YANG Peiling， ZHOU Yang， REN Shumei， et al. Structural optimization and performance test of sand-screen combination filter[J]. Transactions of the CSAM， 2018， 49（10）： 307-316. （in Chinese）

[2]ZONG Quanli， LIU Zhenji， LIU Huanfang， et al. Backwashing performance of self-cleaning screen filters in drip irrigation systems[J]. Plos one， 2019， 14（12）： 0226354.

[3]FENG Ji， XUE Song， LIU Haisheng. Review of filter and its performance testing in agricultural efficient water-saving drip irrigation system[C]//Proceedings of the 2nd International Conference on Environmental Preven-tion and Pollution Control Technologies， 2020：1823-1832.

[4]BOVE J， ARBAT G， DURAN-ROS M， et al. Pressure drop across sand and recycled glass media used in micro irrigation filters[J]. Biosystems engineering， 2015， 137： 55-63.

[5]MESQUITA M， DEUS F P D， TESTEZLAF R， et al. Design and hydrodynamic performance testing of a new pressure sand filter diffuser plate using numerical simulation[J]. Biosystems engineering， 2019， 183： 58-69.

[6]FU S C， QIAN Y C， YUAN H X， et al. Effect of cone angles of a hydrocyclone for the separation of waste plastics with low value of density difference[J]. Waste ma-nagement， 2022， 140： 183-192.

[7]张文华， 李东来， 徐京明， 等. 锥形溢流管开缝水力旋流器流场特性与分离性能研究[J]. 流体机械， 2023， 51（8）： 64-72.

ZHANG Wenhua， LI Donglai， XU Jingming， et al. Study on flow field characteristics and separation performance of hydrocyclone with conical overflow pipe slit[J]. Fluid machinery， 2023， 51（8）： 64-72. （in Chinese）

[8]甘光华， 胡亚辉， 张现， 等. 非光滑表面叶片对离心泵水力性能的影响研究[J]. 机电工程， 2023， 40（5）： 781-787.

GAN Guanghua， HU Yahui， ZHANG Xian， et al. Study on influence of non-smooth surface blade on hydraulic performance of centrifugal pump[J]. Journal of mecha-nical amp; electrical engineering， 2023， 40（5）： 781-787. （in Chinese）

[9]CANO N D， CAMARGO A P， AIT-MOUHEB N， et al. Optimisation of the filter housing dimensions of an automatic flushing strainer-type filter[J]. Biosystems engineering， 2022， 219： 25-37.

[10]DEUS F P D， MESQUITA M， TESTEZLAF R， et al. Methodology for hydraulic characterisation of the sand filter backwashing processes used in micro irrigation[J]. MethodsX， 2020， 7： 100962.

[11]GRACIANO-URIBE J， PUJOL T， PUIG-BARGUES J， et al. Assessment of different pressure drop-flow rate equations in a pressurized porous media filter for irrigation systems[J]. Water， 2021， 13（16）： 2179.

[12]李继霞， 姜有忠， 黄光迪， 等. 网式旋流自清洗泵前过滤器的设计与试验[J]. 农机化研究， 2021， 43（12）： 174-180.

LI Jixia， JIANG Youzhong， HUANG Guangdi， et al. Design and test of filter in front of net swirl self-cleaning pump[J]. Journal of agricultural mechanization resear-ch， 2021， 43（12）： 174-180. （in Chinese）

[13]杨圆坤， 陶洪飞，艾合买提·马合木江， 等. 不同滤网条件的微压过滤冲洗池过滤性能研究[J]. 水资源与水工程学报， 2020， 31（6）： 249-255.

YANG Yuankun， TAO Hongfei， AIHEMAITI Mahemujiang， et al. Filtration performance of micro-pressure filtering and washing pool with different screen materials[J]. Journal of water resources and water engineering， 2020， 31（6）： 249-255. （in Chinese）

[14]周洋， 陶洪飞， 杨文新， 等. 旋转网筒过滤器转速变化规律及影响因素研究[J]. 水资源与水工程学报， 2020， 31（6）： 243-248.

ZHOU Yang， TAO Hongfei， YANG Wenxin， et al. Va-riation law of the rotational speed of rotating mesh cylinder filters and its influencing factors[J]. Journal of water resources and water engineering， 2020， 31（6）： 243-248. （in Chinese）

[15]李曼， 刘贞姬， 石凯. 滴灌用网式过滤器排污效果试验研究[J]. 灌溉排水学报， 2019， 38（10）： 55-62.

LI Man， LIU Zhenji， SHI Kai. Experimental study on sewage discharge effect of drip irrigation net filter[J]. Journal of irrigation and drainage， 2019， 38（10）： 55-62. （in Chinese）

[16]刘焕芳， 刘飞， 谷趁趁， 等. 自清洗网式过滤器水力性能试验[J]. 排灌机械工程学报， 2012， 30（2）： 203-208.

LIU Huanfang， LIU Fei， GU Chenchen， et al. Experiment on hydraulic performance of self-cleaning screen filter[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering， 2012， 30（2）： 203-208. （in Chinese）

（责任编辑 陈建华）