大田滴灌自吸网式过滤器过滤机理和自吸水力性能研究

Although self-suction screen filter is applied widely in many regions，such as Xinjiang, the existing results are limited to basic hydraulic performance tests and preliminary application of filters,which can’t comprehensively reflect its mechanical properties from the filtration mechanism and suction principle.Therefore,this project will study the variation law of filtration cake thickness, the pore structure and size distribution, as well asother parameters through theoretical analysis and laboratory tests. The structure forms of filtration cake will be also given under the conditions of different particle size of sediment, the mesh structure and the size distribution. By analyzing the mechanism of mesh permeability and cake porosity, the model of cake can be built, and the mechanism of filtration can be revealed. By analyzing the force of hydraulic driving and adsorbing, the quantitative relationship between the driving force and the adsorption force will be established and the parameters will be verified such as hydraulic driving device, the size of the suction nozzle opening and the distance between the suction nozzle opening and the screen inner surface. By using the method of dimensional analysis, the quantitative relationship between the head loss and discharge, sediment concentration, sediment grain size, filtration time, mesh forms and mesh nets, will be analyzed and the mathematical expression model of head loss will be explored. Thus, the self-cleaning pressure and time can be studied, and the optimal values will be obtained. Finally, a unified mathematical expression model will be given, which can provide the theory basis for the further application and development of self-suction screen filter.

自吸网式过滤器是新疆等地区大田滴灌应用最广泛过滤器，但现有研究结果仅局限于对过滤器基本水力性能测试和初步应用，不能从滤网过滤机理和自吸原理上综合反应其水力性能，为此本项目拟通过理论分析和室内试验，研究滤网过滤后形成滤饼层的厚度、孔隙结构和孔径分布等参数变化规律，给出不同泥沙粒径、网孔结构和滤网目数条件下滤饼层的结构表征形式，分析滤网透过度和滤饼孔隙度产生机理，建立滤饼压降模型，揭示滤网过滤机理；综合分析水流驱动力和吸嘴吸附力，建立驱动力与吸附吸力之间定量关系，探明水流驱动装置和吸嘴开孔尺寸、吸嘴开口与滤网内表面距离等参数；运用量纲分析等方法，分析水头损失与流量、含沙量、泥沙粒径、过滤时间、网孔形式和目数等影响因素之间定量关系，探求水头损失的数学表达模式；在此基础上，对过滤器自清洗压差和自清洗时间进行研究，获得两者最佳值，给出统一数学表达模型，为自吸网式过滤器的进一步应用和发展提供理论依据

本项目以自吸网式过滤器为研究对象，采用实际工程取样、室内原型试验和理论分析等方法，展开了自吸网式过滤器滤网形成滤饼层的结构参数变化规律、不同条件滤饼层的结构表征、滤网过滤机理、自吸系统水力性能和关键水力性能参数数学表达模式的研究。首先，为分析网式过滤器滤网堵塞的过程和成因，并获得滤网堵塞后压降计算的相关参数，对过滤器介质堵塞和滤饼堵塞 两个过程进行分析；结合试验结果建立滤网内外压降与滤网孔径、滤网厚度、孔隙率、形成滤饼层厚度、滤饼孔隙率等的定量关系式，将计算结果与实测压降进行了对比分析，基于网式过滤器过滤浑水时滤网形成滤饼层的结构参数变化规律及不同条件下形成滤饼层的结构表征研究，揭示了网式过滤器滤网过滤机理。其次，通过动量矩方程、能量方程以及连续方程并根据排污过程对自吸网式过滤器的旋喷管的旋喷动力和吸沙组件的吸附吸力（包括矩形和圆形吸沙口）进行了理论分析，建立了数学表达式，构建了旋喷动力和吸附吸力之间的关系以及吸附吸力与滤饼层结构参数之间的关系。另外，根据旋喷管开口尺寸及方向和旋喷管开孔尺寸等参数对排污系统的影响，采用了三种不同的设计方案，通过ICEM CFD软件建模，并利用FLUENT软件进行数值模拟，确定了旋喷管开口、旋喷管开孔等的最优设计参数，同时，通过对模拟结果及滤网过滤时滤饼层结构特征进行分析确定滤网内表面与吸嘴开口距离的范围，为自吸网式过滤器的结构优化提供理论依据。最后，通过过滤器水头损失和自清洗试验，结合理论分析得了过滤器关键水力性能参数数学表达模式研究，探求水头损失、自清洗压差和自清洗时间的数学表达模型，为网式过滤器的实际应用奠定理论基础。本项目的研究不仅为自吸网式过滤器的研究提供了技术支持和理论保证，并为其他网式过滤器的研究提供理论基础，为推动过滤器的研究均有重要的现实和理论意义。