微灌水源的水質形式較多,其中含砂水是一種常見的水質形式,例如我國北方地區廣泛提取的地下水及引用的含砂河流水[1]等.作為微灌水源,這些水質如果不進行嚴格的凈化過濾,將造成灌水器的嚴重堵塞,甚至可致整個微灌系統癱瘓乃至報廢.過濾器是承擔灌溉水源水質過濾的專用關鍵設備.目前,用于含砂水過濾的微灌過濾設備主要還以離心篩網組合式過濾器為主,但該型過濾器卻普遍存在結構復雜、水力損失大以及價格較高等不足,在一定程度上影響了微灌技術的推廣與發展.針對這一實際問題,山西省水利廳在大量調查研究的基礎上于2003年適時提出了進行新的先進的離心篩網過濾器研究的科研計劃,并委托運城市水科所承擔這一研究任務.通過三年的試驗研究,一種結構簡單、性能優良、造價低廉的離心篩網一體式微灌過濾器終于研制成功.

1、組合式過濾器工作原理及存在問題
　　圖1為目前廣泛應用的離心篩網組合式過濾器結構示意圖.其工作原理[2]:水流從離心過濾器上部進口切向進入,在水流旋轉離心力的作用下分離出水中絕大部分砂粒或大于水密度的固體物質,分離出的這些砂粒或固體物質則在重力作用下沿壁面自然下落至儲污罐中;清水、部分小粒徑砂粒及小于水密度的雜物則在中部高壓能作用下上升并通過上部出口及連接管道進入篩網過濾器進行二次過濾,經篩網二次過濾后,清水即進入灌溉供水管道.從流體特征上看,在這一運動過程中,離心過濾器內部流體呈現的是一種特殊的三維強旋轉剪切湍流運動,它由兩種旋轉液流構成,即順螺旋線向下運動的外旋轉流和沿螺旋線向上運動的內旋轉流,它們的旋轉方向相同,但軸向方向相反,這主要是由于內旋流旋速(線速度)低于外旋流而壓能卻高于外旋流所致.從結構組成上看,該型過濾設備結構組成比較復雜,主要表現在離心、篩網過濾器及儲污罐三者各自獨立,而要組成一個完整的過濾系統就必須依靠管道來連接,這勢必將帶來連接件的增多,加之篩網過濾器分組所形成的多叉管結構,必然導致系統水力損失增大,設備的整體重量及造價也將相應提高,這是該型結構過濾器的主要不足之處.

2、一體式過濾器結構的研究思路
　　從組合式結構中離心過濾器的工作原理可以看出,外旋流主要進行水砂分離,內旋流則依靠較高的壓能將清水自然送出.利用這一流體運動特征和原理,研究中采取了將篩網過濾器置于離心過濾器之中的研究思路,即設想將篩網設計成圓柱形或圓錐形結構,并使其軸線與離心過濾器的中心軸線相吻合.但是這一設計,篩網恰好占據了內旋流的位置,而水流要進入下游管道,就必須通過篩網,由于篩網占據了內旋流流場的空間,使強烈旋轉的水流流場尺寸變小,亦即水流通過粘性摩擦與紊動而消耗能量的空間變小了,加之由于篩網具有一定的梳流作用,使得篩網內的水流旋轉速度及壓能明顯下降,受水流粘滯力的影響,內旋流旋速的下降必將造成外旋流旋速的下降,而外旋流旋速的下降又將直接導致水砂分離能力的下降,這是研究中不希望出現的.為此,研究中采取了縮小進口直徑來加大初始流速借以增大離心作用的方法來解決這一問題.同時,考慮到內旋流壓能的降低,在結構上將原上出水結構改為了下出水結構,這樣改變不僅減少了原結構中的兩個90°彎管,而且大大簡化了整體結構.另外,對儲污室的處理也采取了與離心過濾器連為一體的結構,并將其斷面予以適當擴大.這樣處理,一方面可有效降低下部水流的旋速,利于砂粒的自然下沉,另一方面也相應擴大了儲污室的容積,減少了管理工作量.對于其各部結構尺寸的擬定,原則上參照相同適應流量范圍下原組合式結構中離心過濾器的罐體尺寸進行.其結構示意圖詳見圖2.

3、水力及濾砂性能測試與生產考核
　3.1　水力及濾砂性能測試
　　水力及濾砂性能測試在太原理工大學水流實驗大廳進行.結合生產實際,試驗選擇了適用于Q=80~140 m³/h流量范圍段的過濾器作為研究對象.為了選出較優的結構型式,對確定的研究對象共擬定了兩種不同的進口直徑D100、D80(目前同流量范圍段組合式過濾器對應的進出口直徑為D150),兩種不同的罐體高H1、H2(H1為高罐體,H2為低罐體,H1>H2),以及兩種不同的篩網型式圓錐形、圓柱形,共計8組組合試驗設置進行試驗.試驗含砂量(體積比)的選取考慮到試驗工作量并參照有關規范取1/1 000.篩網則采用目前國內微灌設備中最常用的100目不銹鋼篩網.
　　試驗是在對比測試中進行的.首先進行的是Q=70 m³/h情況下錐形篩網與柱形篩網的對比試驗,結果錐形篩網成功,柱形失敗(砂粒覆滿表面,整個骨架被壓扁破壞),說明錐形篩網結構優于柱形,柱形被舍棄.后對同流量下D100與D80進口直徑的設置進行試驗,結果D100設置失敗,D80成功,則D100設置被舍棄.最后則對D80進口直徑下不同罐體高的兩種設置進行了水力與濾砂性能的對比試驗,試驗結果詳見表1.

　3.2、測試結果分析
　　從表中各對比數據可以看出如下特點:①流量愈大,濾砂率及水頭損失亦愈大.②高罐體的濾砂率及水頭損失均大于低罐體.分析結果認為:對于特點①,在相同的進口直徑下,流量愈大,進入離心過濾器的初始流速愈大,其相應所產生的旋流離心作用也愈強,因而水砂分離效果也愈好.但旋流速度愈大,水流的紊動則愈強烈,水流的能量消耗也愈大,因而水力損失也愈大,這與“水頭損失與流速的平方成正比”的關系是相符的.對于特點②,雖然水流進入離心過濾器的初始速度是相同的,但由于罐體高度(實際上是分離室高度)的不同,導致了其旋轉流場大小的不同.對于高罐體而言,旋流分離室的軸向長度較低罐體為長,相應地其流場也大,在相同的流量工況下,水流在過濾器旋流分離室內強烈旋轉運動的路徑和時間都要較低罐體為長,因而高罐體過濾器的水砂旋流分離效果要較低罐體充分,其濾砂效果也就必然高于低罐體.相應地高罐體內的水流紊動能耗也必然大于低罐體,這也是高罐體水頭損失大于低罐體的原因所在.但在本試驗對比條件下,水頭損失相差不大,這可能與兩罐體高度相差值不大有關.
　　對比結果表明,雖然高罐體設置的水頭損失略大于低罐體,但濾砂率卻較為明顯地高于低罐體,經綜合分析,高罐體設置方案最終被作為本研究的最優選擇.
　　濾砂率(除砂效果)是評價過濾器性能的一個主要技術指標.目前國內生產的(離心篩網)組合式過濾器中的離心過濾器的除砂效果為[3]:泥砂顆粒在60~150目時,清除效果為98% ~92%.經查閱有關資料[4]對于不銹鋼絲篩網(微灌普遍要求采用不銹鋼篩網),60目對應的孔(凈)徑為0. 303 mm, 150目對應的孔(凈)徑為0.109 mm.對照試驗結果(詳見圖3)可以看出,當下限流量在75 m³/h左右時,大于0.1 mm(約對應150目孔徑)粒徑砂粒的除砂效果即達到了國內同類產品92%的水平,說明其適宜的下限流量較國內同類產品還略低,上限流量由于試驗條件所限未能予以測試,但從其“流量—濾砂率曲線”的變化趨勢分析,其適宜的上限流量應可達到140 ~150 m³/h,甚至更高.

　　水頭損失是評價過濾器水力性能及運行經濟性的又一重要的技術經濟指標,與同類產品相比,在相同的適應流量(80~140 m³/h)范圍內,本研究過濾器的水頭損失相當于同類產品的32.5% ~68.6%,節能效果十分突出.

　　設備造價是衡量設備的一個重要經濟指標,本研究過濾器總重不足140 kg,僅相當于國內同類產品總重的30% ~40%,且結構構造簡單,保守估算,其成本造價最高也僅相當于同類產品的30% ~40%.

　3.3、生產考核
　　為檢驗一體式過濾器在實際生產中的應用效果,于2005年3月~6月在運城市萬榮縣漢薛鎮南景村9號機井上進行了實地考核,通過近3個多月計405 h的運行觀察,結果表明在該井1/18 500含砂水質情況下,其濾砂效果與試驗室試驗狀況基本相符,可放心用于生產中.
4、結　語
　　一體式微灌過濾器的研制成功說明將篩網過濾器置于離心過濾器之內的結構型式是可行的,試驗結果及生產考核表明,濾砂效果不但達到了國內同類產品的水平,且適應的下限流量還略較同類產品為低.同時,水力損失大大低于同類產品,成本造價僅約為同類產品的30% ~40%.另外,由于構造簡單,占地少,也為管理維護帶來極大方便,是一種新的先進的微灌過濾設備. 2005年10月13日,由山西省科學技術廳組織國內有關專家對該研究成果進行了技術鑒定[5],鑒定認為:該“研究成果具有廣闊的推廣應用前景,達到同類研究的國內領先水平”.
　　當然,該項研究只是針對適于80 ~140 m³/h流量范圍段過濾器的試驗研究結果,為使之形成系列化、產品化,還應對其他不同的流量范圍進行試驗研究.同時,對結構形式還需進行進一步深入研究,使之達到經濟效果與水力效果的最佳組合.