長柄濾頭的流體力學特性研究
| 論文類型 | 技術與工程 | 發表日期 | 2001-07-01 |
| 來源 | 賀李圭白院士七十壽辰學術論文集 | ||
| 作者 | 李圭白,劉俊新 | ||
| 關鍵詞 | 長柄濾頭 | ||
| 摘要 | ：本文根據試驗結果，運用流體力學原理，研究了不同情況下幾種長柄濾頭的水頭損失變化情況，提出了在單獨水反沖洗、單獨氣反沖洗和氣水同時反沖洗情況下，長柄濾頭的水頭損失計算方法。 | ||
李圭白 劉俊新
摘 要：本文根據試驗結果，運用流體力學原理，研究了不同情況下幾種長柄濾頭的水頭損失變化情況，提出了在單獨水反沖洗、單獨氣反沖洗和氣水同時反沖洗情況下，長柄濾頭的水頭損失計算方法。
濾池反沖洗的好壞，直接影響濾池工作的質量和經濟效益。氣水反沖洗方法，由于沖洗效果好，節水節能，日益得到廣泛應用。長柄濾頭是濾池氣水反沖洗最常用的配水配氣裝置之一，但迄今尚無一個適用的水頭損失計算方法。這是由于長柄濾頭的型式和規格多種多樣，并且還有單獨用水反沖洗、單獨用氣反沖洗和氣水同時反沖洗等多種工作情況，情況比較復雜。本文試圖提出一個對不同型式都適用的長柄濾頭水頭損失計算公式。
長柄濾頭主要由濾帽和濾桿組成(圖1)。濾帽上有許多細的縫隙，反沖洗時水和氣由細縫流出，過濾時濾后水經細縫流入，并能阻止濾料流失。濾桿上部有氣孔一個，下部有縫隙一條，供反沖洗時分布空氣之用。
圖2為試驗裝置，長柄濾頭裝在有機玻璃濾柱下部的隔板上。在隔板上下各設l根測壓管，以測定反沖洗時的水頭損失。反沖洗水由恒位水箱供給。反沖洗空氣由空壓機供給。反沖洗水的流量，在濾柱上部出水管口用容積法測定。空氣流量，在濾柱上部出氣管上用煤氣表測定。為了探求長柄濾頭水頭損失的規律，試驗時先用濾桿進行試驗，然后再裝上濾帽進行整個濾頭的試驗。試驗分單獨用水反沖洗、單獨用氣反沖洗和氣水同時反沖洗三種情況進行。
1．單獨用水反沖洗時長柄濾頭的水頭損失
1.1 塑料濾桿的水頭損失
為了了解影響濾桿水頭損失的各種因素，選用了12種不同規格的塑料濾桿進行試驗(表1)，部分結果如圖3所示。圖中縱軸為水頭損失，橫軸為水在濾桿中的流速。根據試驗結果，可回歸出各濾桿的水頭損失計算式。
表1 塑料濾桿的尺寸和規格
編號
濾桿長度(mm)
濾桿內徑(mm)
小孔直徑(mm)
縫隙面積(mm2)
1
270
16.5
2.5
124
2
270
15.0
2.0
134
3
150
15.0
2.0
56
4
100
16.0
2.0
46
5
410
20.5
2.0
90
6
265
20.5
2.0
52
7
255
21.0
2.5
62
8
270
15.0
0
0
9
100
16.0
0
0
10
50
16.0
0
0
11
410
20.5
0
0
12
265
20.5
0
0
(1)
式中：hw1—水在濾桿中的水頭損失，m；
λ—沿程阻力系數；
ι—濾桿長，m；
D—濾桿的內徑，m；
ξ1—濾桿兩端進口和出口的局部阻力系數；
ξ2—濾桿上縫隙的局部阻力系數；
υw1—濾桿內水的流速，m/s；
g—重力加速度，m/s2
根據各濾桿的計算式，可以得到式(1)中的系數值為l=0.043，x1=1.7，x2=0.0038f2(f2為濾桿上縫隙的面積，以mm2計)所以單獨用水反沖洗時塑料濾桿的水頭損失計算式為：
(2)1.2 塑料濾帽的水頭損失
在試驗中采用了3種常用的塑料濾帽，如圖4。圖5為濾帽的水頭損失與水在縫隙中流速的關系的試驗結果。由圖可見，濾帽的水頭損失，只和縫隙流速有關，而與濾帽的型式無關。根據試驗結果，可回歸出塑料濾帽的水頭損失計算式為：
hw2=0.036υ2w2 (3)
式中：hw2--塑料濾帽的水頭損失，m；
vw1--水在濾帽中的縫隙流速，m／s。
hw=hw1+hw2
單獨水反沖洗時，塑料長柄濾頭的水頭損失：
2．單獨用氣反沖洗時長柄濾頭的水頭損失
單獨用氣反沖洗以前，濾柱內的水是靜止的，這時1號測壓管中的水位標高與2號測壓管相同。當向濾柱下部送入空氣，單獨用氣進行反沖洗，會出現1號測壓管水位低于2號測壓管的現象。這是由于在濾桿內有氣水混合液存在，破壞了流體密度的均勻性的緣故，致使測壓管水頭差出現負值。這時，便不能用測壓管水頭差來表示濾頭的水頭損失廠。圖6為單獨用氣反沖洗時的情況。當開始向濾柱下部送入空氣時，空氣先聚集在隔板下并形成氣層，接著氣層不斷增厚。氣層下面的水面不斷下降；當水面降至濾桿上的小孔時，空氣開始經小孔流入濾桿，并在小孔以上的濾桿中形成氣水混合液，這時可以觀察到1號測壓管中的水位突然下降，兩測壓管的水頭差出現負值，如圖7所示。負值的大小約相當于濾頭內空氣排開的水柱高度。若空氣流量較小，當流進隔板下配氣室的氣流量與經小孔流走的氣流量相等時，水面便停止下降并穩定于一定位置，形成一個穩定的氣層厚度。若空氣流量很大，水面會一直下降到濾桿下部的縫隙處，這時，空氣開始經縫隙流入濾桿，并在縫隙以上的濾桿中形成氣水混合液，這時l號測壓管中的水位又一次突然下降，使測壓管水頭差的負值顯著增大，如圖7。由圖可見，當空氣只經小孔流入濾桿時，水頭差負值基本上與空氣流量無關；當空氣經縫隙流入濾桿時，水頭差負值隨空氣流量增大而增大。
從設計的角度考慮，1號測壓管水頭表示配氣室的壓力，其值在氣反沖洗以前最大，氣反沖洗以后減小。所以，剛開始向配氣室送氣時需要克服的壓力最大，為最不利情況。因此，單獨用氣反沖洗時，送入濾池底部配氣室的空氣壓力，只要不小于水靜壓力就可以了。
為了在濾池下部配氣室內分布空氣，要求氣層具有一定的厚度。事實上，氣層厚度與空氣流經小孔的水頭損失有關。如圖6所示，當水面處于一穩定位置，這時小孔外面的空氣壓力與水面上的壓力相同，小孔里面的空氣壓力與該處水上的壓力相同。由于小孔內外水體相連，根據連同管原理，小孔內外空氣壓力差應等于小孔與水面的標高差hg，這正是空氣流經小孔的水頭損失。圖8為水頭損失與小孔流速的關系的實測結果。由圖可見，當小孔流速較小時，兩者近似直線關系；當小孔流速較大時，兩者有拋物線關系，其計算式如下：
當v0<20 m/s時， ha=2.1×10-3v0
當v0>20 m/s時， ha=1.05×10-4v02
式中：ha--空氣流經小孔的水頭損失，m；
v0--小孔流速，m/s。
當空氣流量很大時，水面將降至濾桿下部的縫隙處，由于縫隙面積很大，能使大量空氣流進濾桿，所以縫隙能對氣層厚度起控制作用。這時，濾桿縫隙至小孔為氣水混合液充滿，其密度小于水，故小孔與水面的標高差將不再能表示水頭損失。
柱形長柄濾頭；濾帽縫隙面積198mm2；濾桿內徑16.5mm；濾桿長270mm；小孔直徑1.6mm；
1—水流量0.1L/s；2—水流量0.067L/s；3—水流量0.033L/s
3．氣、水同時沖洗時長柄濾頭的水頭損失
氣、水同時沖洗時，長柄濾頭的水頭損失比較復雜。用圖2所示的裝置進行試驗，觀察用長柄濾頭進行氣、水同時反沖洗時，1號測壓管和2號測壓管水頭差的變化。試驗時，保持反沖洗水流量不變，而使反沖洗氣流量由小變大。圖9為測壓管水頭差隨氣流量而變化的情況。由圖可見，當氣流量較小時，空氣只經小孔流入濾桿，測壓管水頭差值較大；當氣流量較大時，空氣經濾桿下部縫隙流入濾桿，這時測壓管水頭差明顯減小。從設計角度考慮，空氣只經小孔流入濾桿的水頭差較大，為不利情況，是設計應該考慮的工況，只要這一工況能夠滿足，其它工況也就同時得到滿足。下面重點討論在這種工況下長柄濾頭的水頭損失的計算問題。
氣、水同時沖洗，當空氣只從小孔流進濾桿時，小孔以下為水，小孔以上為氣水混合液。可以列出1號測壓管斷面至小孔斷面的水流伯努力方程式，和小孔斷面至2號測壓管斷面的混合液流伯努力方程式，將兩式末項水頭損失相加，整理之，可得總水頭損失的計算式：
(7)
式中：h——水在長柄濾頭中的水頭損失，m；
H1——1號測壓管水頭，m；
H2——2號測壓管水頭，m；
L——小孔以上濾桿的長度，m；
vw1——水在濾桿中的流速，m/s；
vm——混合液在濾桿中的流速，m/s；
rw——水的比重；
rm——混合液的比重；
g——重力加速度，g = 9.8 m2/s。
n=Qa/Qw (8)
rm=rw/(1+n) (10)
并且式(7)可寫成下列形式：
h=H1-H2+n/(1+n).L+n.[(v2w1/2g)]（11）
將試驗所得參數值代入式(11)右端，便可計算出氣、水同時沖洗時長柄濾頭的水頭損失值。
試驗發現，長柄濾頭的水頭損失，還可看作由單獨水反沖洗的水頭損失和附加水頭損失兩部分組成，表示如下氣
h=hw+h′ (12)
式中：hw—單獨水反沖洗時長柄濾頭的水頭損失；
h′—附加水頭損失，其值與濾桿中的水流速和氣流速有關，關系式如下：
h′=(0.19v,w1+0.01)va (13)
式中：va為假定單獨用氣反沖洗時濾桿中空氣的流速，可按下式計算：
va=Qa/f1=nQw/f1=nvw1
式中：f1為濾桿的斷面積。其它符號同前。
圖10為式(12)與試驗資料的對照情況。由圖可見，兩者吻合情況良好。
將式(12)代入式(11)，可得測壓管水頭差的計算式：
H1-H2=hw+h′-[n/(1+n).L+n.v2w1/2g
4．小結
（1）單獨用水反沖洗時，長柄濾頭的水頭損失可按下式計算：
hw=(0.043(l/D)+1.7+0.0038f2).[(v2w1)/2g+0.036.v2w2]
（2）單獨用氣反沖洗時，長柄濾頭的測壓管水頭差為負值。所以，送入配氣室的空氣壓力只需按水靜壓力計算即可滿足要求。
（3）水、氣同時反沖洗時，長柄濾頭的測壓管水頭差可按下式計算：
H1-H2=hw+(0.19υw1+0.01)nww1-[n/(1+n).L-n.[v2w1/2g]
劉俊新簡歷
劉俊新，男，1957年12月生于北京，1975年參加工作，1982年1月畢業于哈爾濱建筑工程學院給水排水工程專業，獲學士學位，1987年在哈爾濱建筑工程學院給水排水工程專業獲碩士學位并留校工作，1993年評為副研究員，1997年評為研究員。1998年在哈爾濱建筑大學環境工程學科獲博士學位。1994～1996年和1998～1999年先后兩次赴荷蘭應用科學研究院高訪并參加國際合作項目。1999年應聘中國科學院生態環境研究中心“知識創新工程”，并入選中國科學院“百人計劃”。現任中國科學院生態環境研究中心研究員，博士生導師。
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