[發明專利]一種微灌用自清洗網式過濾器及其結構優化設計方法

有效

• 申請號: 202110582057.7
• 申請日: 2021-05-26
• 公開（公告）號: CN113304524B
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 李云開;周志利;侯鵬;趙錢;劉斌
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: B01D29/11
• 分類號: B01D29/11;B01D29/62;G06F30/17;G06F30/28;G06F30/23;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 謝斌

1.一種微灌用自清洗網式過濾器的結構優化設計方法，該微灌用自清洗網式過濾器包括：筒體(1)，為上端封閉、下端敞口的長筒型結構，所述筒體(1)通過下封板(1-1)和上封板(1-2)分隔為過濾腔(1-3)和排污腔(1-4)；進水口(2)，連接在所述筒體(1)的下端；出水口(3)，設置在所述筒體(1)中部且與所述過濾腔(1-3)相連通，且所述出水口(3)與所述進水口(2)的分布形式為垂直分布；排污口(4)，設置在所述筒體(1)上部且與所述排污腔(1-4)相連通；過濾元件(5)，亦為上端封閉、下端敞口的長筒型結構，所述過濾元件(5)同軸設置在所述筒體(1)內且所述過濾元件(5)的兩端分別與所述下封板(1-1)和上封板(1-2)固定連接，所述過濾元件(5)的下端與所述進水口(2)相連通，所述過濾元件(5)的周壁形成濾網；排污元件(6)，沿軸向設置在所述過濾元件(5)內部，所述排污元件(6)被配置為具有圓周運動和軸向直線運動兩個自由度；傳動裝置(7)，固定在所述筒體(1)頂部且與所述排污元件(6)連接，所述傳動裝置(7)被配置為驅動所述排污元件(6)完成圓周運動和軸向直線運動，其特征在于，該方法包括以下步驟：

S1.利用CFD方法定量分析待優化自清洗網式過濾器的水力性能，并確定水頭損失和濾網表面壓力分布均勻性兩個量化參數；

S2.待優化自清洗網式過濾器原始結構模型建立驗證與數值計算；

S3.待優化自清洗網式過濾器過濾元件的優化設計；

S4.待優化自清洗網式過濾器排污元件的優化設計；

在所述步驟S1中，水頭損失用進水口與出水口平均壓力差表征，具體計算公式如下：

式中，ΔH為水頭損失；為進水口的平均靜壓力值；為出水口的平均靜壓力值；

濾網表面壓力分布均勻性則用典型位置沿濾網長度方向的壓力分布離散性表征，具體計算公式如下：

式中，α為不均勻系數；n為取樣點數；Pz為不同坐標點處濾網兩側壓差值；P為濾網取樣點上兩側壓差平均值；

所述步驟S2具體包括：

S21.根據選取的待優化自清洗網式過濾器實物原型尺寸，使用UG軟件對待優化自清洗網式過濾器內部流體域建立等比例三維模型；

S22.使用ICEM前處理軟件對三維模型進行網格劃分；

S23.使用FLUENT軟件對待優化自清洗網式過濾器單相流運動進行模擬，通過模型參數對比，確定湍流模型選擇Realizable k-ε模型，初始邊界條件設置進水口為速度進口，出水口選擇壓力出口，排污口設置為壁面，排污狀態時，排污口與大氣相通設置為自由出流；

S24.采用定常的非耦合隱式算法完成待優化自清洗網式過濾器內部流場的數值求解計算，壓力相采用二階迎風格式，壓力速度耦合采用SIMPLEC算法；

S25.對于濾網所在區域，設置為多孔介質區域，并定義黏性阻力系數C₁和慣性阻力系數C₂：

式中，δ為滲透率；D為濾網孔徑；ε為濾網孔隙率；

S26.當出水口流量基本穩定且進水口和出水口流量相對值小于5％且質量流率殘差值小于1×10^-5時，直至計算收斂，至此完成待優化自清洗網式過濾器內部流場的數值計算過程。

2.根據權利要求1所述的結構優化設計方法，其特征在于，所述排污元件(6)包括：

排污管(6-1)，沿軸向布置在所述過濾元件(5)的軸線上，且所述排污管(6-1)的上端穿過所述過濾元件(5)和筒體(1)后與所述傳動裝置(7)的動作端相連接，所述排污管(6-1)的上部具有與所述排污腔(1-4)相連通的排污孔；

吸污嘴(6-2)，多個所述吸污嘴(6-2)由上至下沿徑向交錯設置在所述排污管(6-1)上并與之相連通。

3.根據權利要求2所述的結構優化設計方法，其特征在于，所述吸污嘴(6-2)與所述排污管(6-1)通過螺紋旋合連接。