自清洗过滤器吸污器的改进设计-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

【摘要】吸污式自清洗过滤器是一种新型的过滤设备，吸污器是其重要部件。本文运用计算流体动力学（CFD）的研究方法，对吸污器进行流体力学分析，研究其内部流场压力分布、速度分布等流体力学特性，提出了三种结构改进措施，以达到各吸管均匀吸污的目的。
【关键词】自清洗过滤器吸污器结构设计CFD
在水资源日益匮乏、水污染异常严重的今天，废水综合治理越来越重要。但是，我国过滤与分离机械，不论是大型化、高参数产品的开发，节能型、多功能设备的研制，还是传统设备的机械化、自动化、智能化水平的提高与完善，都与世界存在着十分明显的差距[1]。自清洗过滤器是一种上世纪70年代末发展起来的新型过滤器，具有很多优点，其中最主要的优点是利用水压自我操作、自我清洗、压力损失小[2]。吸污式自清洗过滤器作为一种新型过滤设备，在清洗时可以不间断供水，广泛适用于工业、农业、市政、海水淡化过程等的过滤分离[3]。
传统的自清洗过滤器的吸污器结构简单，但各个吸管在自清洗的时候所吸入的污水量不同，导致过滤效果并不能达到最佳状态。本文针对传统的吸污器结构，结合过滤理论[4]，并运用现代计算流体动力学（CFD）研究方法对其进行改进设计。
1 吸污器的结构与作用
吸污式自清洗过滤器的示意图见图1。它由筒体、滤网、吸污器、排污阀、驱动机构等部件组成。吸污器是过滤器的重要部件，它是空心结构，在其轴线上按一定距离均布着若干个吸污管，吸污器与一个排污阀相通。在排污阀打开时，过滤器内部水压与外部大气之间形成的压差使吸污管产生强劲吸力，水流的高速流动将杂质冲下携入吸污器，通过排污阀排出。吸污器由一个连有丝杆装置的双向电机驱动，按照固定的转速作螺旋式的运动，这样几个吸嘴就能吸遍整个滤网内表面。
采用吸管吸污结构具有如下特点：高效率，体积紧凑；机械结构可靠；最小的冲洗流速要求，滤网压力低时仍能保证清洗效果；冲洗所需水量少，并且不引起下游水供应的断流。

2 吸污器的流场分析
通过ANSYS建立有限元模型，导入CFX软件，进行计算流体动力学（CFD）分析。在CFX前处理中设置边界条件，然后求解，后处理和分析。
2.1 有限元模型及边界条件
本文分析的吸污器结构及相关尺寸如图2所示，以此建立有限元模型。
本分析根据过滤器的实际情况设定吸污器排污管的出口流速分别为2.45、4.53、6.61 m/s，吸管1至吸管4的入口压力设定为1MPa。其它面设为固定边界。
2.2 计算结果和分析
收敛精度控制为：最大残差MAX小于10－4；平均残差RMS小于10－5。
对吸污器施以不同流量，也就是改变出口压力的边界条件。排污管等径时，在不同流量下的吸管流速及相对方差与极差分析见表1。相对方差指各吸管流速的均方差除以平均值，相对极差指各吸管流速的极差除以平均值。
分析表明，排污管等径时，吸管流量的相对方差约3.29%，相对极差约8.51%，各吸管的流量相差较大；对于确定形状的吸污器，不同流量时，各吸管流量的相对方差、相对极差基本变化不大，排污管出口流速与各吸管的流速之比不变。
为了提高吸污及过滤效果，有必要通过改变吸污器部件的结构尺寸进行流场的优化设计，使得各个吸管的流量保持一致，这样吸管吸污时不至于有的吸管流量大，造成清洗水浪费；有的吸管流量小，吸污不完全。
3 吸污器流场的改进设计
3.1 排污管变径设计
排污管等径时，吸管1至4流速呈减少趋势，流动阻力递增。增大排污管的直径，有利于流阻的均布，从而使各吸管流量均布。因此首先仅对排污管的一段进行变径设计，即增大D2处的直径，以寻找各吸管流量一致。
（1）有限元模型及边界条件
按照图3的吸污器结构建立有限元分析模型，取D1-D2为以下几组数值：52-62；52-72；52-82；52-88；52-92。52-92指左端D1=52mm，右端D2=92mm，依此类推。吸污器排污管的出口流速设定为6.61 m/s，吸管入口压力均设定为1MPa。
（2）计算结果和分析
排污管等径52-52的流场如图4所示，排污管变径52-92的流场如图5所示。对比图5与图4发现，排污管变径后，各吸管的流速趋于一致，具体流速与流量的相对方差与相对极差见表2。

由图3及表2可见，D2在52-88mm间，随着D2的增大，相对方差减小，各管流速趋向均一；但在D2=92mm处，相对方差又增大，可见排污管直径变化程度并非越大越好。
3.2 吸管变径的设计（即各吸管直径不等）若仅改变各吸管的截面尺寸（不改变排污管尺寸），当吸管直径变小时，其流量将变小，反之流量变大，理论上调整吸管的截面尺寸可以使各吸管的流量相等。
调整吸管1－4的尺寸并建立几组有限元模型进行分析，结果图3排污管变径时的吸污器结构示意图见表3。

根据吸管流速及截面积计算流量，根据流量与平均流量的差别，进而再调整吸管直径，最终得出采用表3中分析3中的吸管尺寸时，吸管流量的相对方差由吸管等径时的3.53%降为0.73%，相对极差由9.24%降为1.98%，达到均匀吸污的目的。
3.3 吸嘴变径的设计
同样取吸管1－4的内径均为15.3mm，吸嘴高3mm，以不同的吸嘴内径进行分析，结果见表4。
根据吸管流速及截面积计算流量，根据流量与平均流量的差别，进而再调整吸嘴直径，最终得出采用分析3中的吸嘴尺寸时，相对方差由吸嘴等径时的3.53%降为1.43%，相对极差由9.24%降为4.05%，达到优化目的。
4 结论
本文应用计算流体力学对自清洗过滤器吸污器流场进行分析，并改变吸污器结构，以达到均匀吸污目的，结论如下：
（1）排污管等径时，吸管流量的相对方差约3.29％，相对极差约8.51％，各吸管的流量相差较大。
（2）通过对吸污器在不同变径排污管下的流场分析表明，在一定范围内增大排污管末端的直径，有利于各吸管流场压降的均衡，从而改善流量分布。
（3）合理调整各吸管或吸嘴的内径可以做到各吸管流量相等，吸污能力相近。

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