本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于疊片過濾器的濾片流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及裝置。

背景技術(shù)：

微灌是目前較為普及的節(jié)水灌溉方式，其大幅度的降低了農(nóng)業(yè)用水量，但是這類型的灌溉技術(shù)對于水質(zhì)的要求是較為嚴(yán)格的，如果不能有效的去除灌溉水中的各類雜質(zhì)，會嚴(yán)重影響水的質(zhì)量，造成各級設(shè)備的堵塞，嚴(yán)重的會造成整個滴灌或微灌系統(tǒng)的癱瘓和報(bào)廢。

就我國的中小型農(nóng)業(yè)灌溉來說，尤其是在引用黃河水的河套灌區(qū)，其引水中的主要雜質(zhì)是大量細(xì)粒泥沙。因此，在微灌的灌溉系統(tǒng)中，泥沙的過濾效率就成為了灌溉系統(tǒng)是否成功的關(guān)鍵。

目前，疊片式過濾器作為微灌灌溉系統(tǒng)中優(yōu)選的過濾器，其核心部件是疊片，疊片式過濾器的塑料疊片上下表面刻有大量縱向微型溝槽并疊壓在內(nèi)支撐上，通過彈簧和流體壓力壓緊，疊片之間的溝槽交叉，形成一系列獨(dú)特過濾通道的深層過濾單元。疊片式過濾器工作時，水流是從濾芯外環(huán)進(jìn)入疊片濾片由內(nèi)環(huán)流出，疊片通過彈簧和流體壓力壓緊，壓差越大，疊片壓得越緊，形成了疊片自鎖性高效過濾。

目前針對疊片式過濾器過濾效率的研究，主要集中于對其自動反沖洗的分析，其中大田試驗(yàn)以及平臺試驗(yàn)在疊片過濾器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，因其準(zhǔn)確性的保證而得到了較為廣泛的應(yīng)用。但是，針對疊片過濾器的設(shè)計(jì)加工需要制作相應(yīng)的模具，其設(shè)計(jì)制造的周期很長，且利用試驗(yàn)測試對過濾器中濾片的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的方法不夠經(jīng)濟(jì)合理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供了一種用于疊片過濾器的濾片流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及裝置，能夠縮短設(shè)計(jì)制造周期，其優(yōu)化設(shè)計(jì)出的濾片流道結(jié)構(gòu)具有很好的過濾效果，有效降低過濾產(chǎn)生的水頭損失。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于疊片過濾器的濾片流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，包括以下步驟：

建立相鄰濾片間流道的第一結(jié)構(gòu)模型，對所述第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定所述流道的第一流道參數(shù)；

根據(jù)所述第一流道參數(shù)，預(yù)設(shè)流道修正項(xiàng)；

根據(jù)所述流道修正項(xiàng)，通過分形算法對所述第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域邊界進(jìn)行迭代修正，以得到第二結(jié)構(gòu)模型；

對所述第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

進(jìn)一步的，所述的建立濾片間流道的第一結(jié)構(gòu)模型，對所述第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定所述流道的第一流道參數(shù)，進(jìn)一步包括：

通過幾何建模構(gòu)建所述第一結(jié)構(gòu)模型；

對所述第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

對所述第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域設(shè)定邊界條件；

根據(jù)所述邊界條件，通過計(jì)算流體動力學(xué)算法對網(wǎng)格劃分后的第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定所述流道的第一流道參數(shù)。

進(jìn)一步的，所述的根據(jù)邊界條件，通過計(jì)算流體動力學(xué)算法對網(wǎng)格劃分后的第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定所述流道的第一流道參數(shù)，進(jìn)一步包括：

確定所述流道的第一流道參數(shù)包括流道內(nèi)流體的湍流模型、壓力項(xiàng)和壓力速度耦合項(xiàng)；

通過定常的半隱式非耦合算法計(jì)算所述湍流模型；

利用壓力求解器、通過二階迎風(fēng)格式計(jì)算所述壓力項(xiàng)；

通過SIMPLE算法計(jì)算所述壓力速度耦合項(xiàng)。

進(jìn)一步的，所述的根據(jù)第一流道參數(shù)，預(yù)設(shè)流道修正項(xiàng)，進(jìn)一步包括：

根據(jù)第一流道參數(shù)，預(yù)設(shè)所述流道內(nèi)的過濾精度、以及泥沙濃度分布參數(shù)。

進(jìn)一步的，所述的根據(jù)流道修正項(xiàng)，通過分形算法對所述第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域邊界進(jìn)行迭代修正，以得到第二結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)一步包括：

根據(jù)所述流道修正項(xiàng)，利用KOCH曲線對所述第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域邊界進(jìn)行迭代修正。

進(jìn)一步的，所述的根據(jù)流道修正項(xiàng)，利用KOCH曲線對所述第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域邊界進(jìn)行迭代修正，進(jìn)一步包括：

確定所述流道內(nèi)的過濾精度包括流道截面內(nèi)切圓面積；

確定所述第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域邊界的全部邊角；

保持所述流道截面內(nèi)切圓面積恒定，利用KOCH曲線將任一個所述邊角迭代修正為三個邊角；

對修正后的全部所述邊角進(jìn)行倒角，以得到所述第二結(jié)構(gòu)模型。

進(jìn)一步的，所述的保持流道截面內(nèi)切圓面積恒定，利用KOCH曲線將任一個所述邊角迭代修正為三個邊角，進(jìn)一步包括：

確定所述邊角的三角形截面；

根據(jù)所述流道內(nèi)的過濾精度，分別在所述邊角的兩腰上的預(yù)設(shè)位置迭代增加兩個三角形尖角，以使所述邊角迭代修正為三個邊角；

根據(jù)所述預(yù)設(shè)位置，多次計(jì)算驗(yàn)證所述流道的過流截面，以確定所述流道過流截面最大時所述尖角的最佳位置。

進(jìn)一步的，所述的對第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，進(jìn)一步包括：

對所述第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定修正后的所述流道的第二流道參數(shù)；

對比所述第一流道參數(shù)和第二流道參數(shù)；

其中，所述第二流道參數(shù)包括修正后的流道內(nèi)流體的湍流模型、壓力項(xiàng)和壓力速度耦合項(xiàng)。

進(jìn)一步的，所述的對第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，進(jìn)一步包括：

對所述第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行流體動態(tài)模擬計(jì)算，以確定修正后的所述流道的過濾參數(shù)；

對比所述過濾參數(shù)和流道修正項(xiàng)；

其中，所述過濾參數(shù)包括修正后的所述流道內(nèi)的過濾精度和泥沙濃度分布參數(shù)。

本發(fā)明還提供了一種用于疊片過濾器的濾片流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的裝置，包括：

建模單元，用于建立濾片間流道的第一結(jié)構(gòu)模型，對所述第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定所述流道的第一流道參數(shù)；

修正單元，用于根據(jù)所述第一流道參數(shù)，預(yù)設(shè)流道修正項(xiàng)，根據(jù)所述流道修正項(xiàng)，通過分形算法對所述第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域邊界進(jìn)行迭代修正，以得到第二結(jié)構(gòu)模型；

驗(yàn)證單元，用于對所述第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

(三)有益效果

本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有以下有益效果：本發(fā)明的用于疊片過濾器的濾片流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及裝置中，方法主要包括以下步驟：建立相鄰濾片間流道的第一結(jié)構(gòu)模型，對第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定流道的第一流道參數(shù)；根據(jù)第一流道參數(shù)，預(yù)設(shè)流道修正項(xiàng)；根據(jù)流道修正項(xiàng)，通過分形算法對第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域邊界進(jìn)行迭代修正，以得到第二結(jié)構(gòu)模型；對第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。裝置主要包括建模單元、修正單元和驗(yàn)證單元。該方法及裝置能夠縮短設(shè)計(jì)制造周期，降低設(shè)計(jì)成本，其優(yōu)化設(shè)計(jì)出的濾片流道結(jié)構(gòu)具有很好的過濾效果，有效降低過濾產(chǎn)生的水頭損失；同時該方法和裝置還可以可靠地、低消耗地驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的裝置的模塊連接示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)例的第一結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)截面圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的第二結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)截面圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的第一結(jié)構(gòu)模型的截面速度矢量圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例的第二結(jié)構(gòu)模型的截面速度矢量圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例的第一結(jié)構(gòu)模型的壓力分布圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例的第二結(jié)構(gòu)模型的壓力分布圖；

圖9a～圖9j均為本發(fā)明實(shí)施例的第二結(jié)構(gòu)模型的泥沙含量分布圖；

其中，圖9a為本發(fā)明實(shí)施例的第二結(jié)構(gòu)模型的流道截取示意圖；

圖9b為圖9a中目標(biāo)流道的截面泥沙含量分布圖；

圖9c為圖9b中A區(qū)域的放大示意圖；

圖9d～圖9j為圖9a中截取流道的截面泥沙含量分布圖。

其中，100、建模單元；200、修正單元；300、驗(yàn)證單元；110、邊角區(qū)；111、尖角；120、內(nèi)切圓；130、腰線；140、目標(biāo)流道；150、截取流道。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例一

本實(shí)施例一提供的用于疊片過濾器的濾片流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及裝置，能夠縮短設(shè)計(jì)制造周期，降低設(shè)計(jì)成本，其優(yōu)化設(shè)計(jì)出的濾片流道結(jié)構(gòu)具有很好的過濾效果，有效降低過濾產(chǎn)生的水頭損失；同時該方法和裝置還可以可靠地、低消耗地驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

具體的，如圖1所示，該方法包括至少包括步驟S1、步驟S2、步驟S3和步驟S4四個步驟。

S1、建立相鄰濾片間流道的第一結(jié)構(gòu)模型，對第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定流道的第一流道參數(shù)，通過步驟S1的計(jì)算，能夠得到壓力場、速度場等分布參數(shù)，確定疊片過濾器疊片間流道內(nèi)水流的流動特點(diǎn)、速度分布、壓力分布等影響泥沙沉降的因素以及流道結(jié)構(gòu)對過濾效率的影響。

其中，步驟S1進(jìn)一步包括了以下步驟：

S110、通過幾何建模構(gòu)建第一結(jié)構(gòu)模型，建模時優(yōu)選采用PRO/E軟件實(shí)現(xiàn)流道的幾何建模，流道尺寸采用電子顯微鏡以及游標(biāo)卡尺測得。

S120、對第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，優(yōu)選采用GAMBIT對整個模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，GAMBIT是為了幫助分析者和設(shè)計(jì)者建立并網(wǎng)格化計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型而設(shè)計(jì)的一個軟件包，網(wǎng)格優(yōu)選采用0.04mm的四面體網(wǎng)格，并對近壁區(qū)邊界處設(shè)置一定的網(wǎng)格加密。

S130、對第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域設(shè)定邊界條件，優(yōu)選將流道的水流入口和出口的邊界條件分別設(shè)置為流速入口和自由出流。

S140、根據(jù)邊界條件，通過計(jì)算流體動力學(xué)算法對網(wǎng)格劃分后的第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定流道的第一流道參數(shù)；優(yōu)選的，應(yīng)用FLUENT軟件通過計(jì)算流體動力學(xué)算法對網(wǎng)格劃分后的第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，F(xiàn)LUENT軟件是一種CFD軟件包，與流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域均可使用。

在步驟S140中，為了便于計(jì)算，還進(jìn)一步包括了以下步驟：

S141、確定流道的第一流道參數(shù)包括但不限于流道內(nèi)流體的湍流模型、壓力項(xiàng)和壓力速度耦合項(xiàng)。

S142、通過定常的半隱式非耦合算法計(jì)算湍流模型，優(yōu)選湍流模型為Realizable k-ε模型，該模型為FLUENT軟件內(nèi)預(yù)設(shè)的湍流模型之一；采用的半隱式非耦合算法中，流體的各項(xiàng)參數(shù)均為恒定常數(shù)。

S143、利用壓力求解器、通過二階迎風(fēng)格式計(jì)算壓力項(xiàng)，壓力求解器是指基于壓力的求解器。

S144、通過SIMPLE算法計(jì)算壓力速度耦合項(xiàng)，其中，根據(jù)壓力項(xiàng)，通過測量流道尺寸后計(jì)算得出該壓力項(xiàng)的預(yù)設(shè)流速；SIMPLE算法是一種可以計(jì)算任何流速的流動的數(shù)值算法，該算法應(yīng)用于可壓縮流場計(jì)算和不可壓流場計(jì)算。

上述的步驟S140中，基于CFD技術(shù)模擬計(jì)算，能夠得到流速分布云圖、壓力分布云圖、湍流動能強(qiáng)度分布云圖等模擬結(jié)果，如圖3所示，在速度分布云圖的流道截面圖中可以看出，整個流道截面的速度分布為：流道的截面中心速度最大，越向四周速度越小，尤其在各個邊角區(qū)110，可以形成較大的低速區(qū)；觀察整體流道的壓力分布，可以看到由進(jìn)水口到出水口呈均勻下降趨勢的壓力值，靠近出口處的截面流速顯然大于靠近入口處，且其湍動強(qiáng)度較強(qiáng)。通過對上述第一流道參數(shù)的分析，可以看到低速區(qū)的沙粒沉降效果較好但是相對面積較小。

S2、根據(jù)第一流道參數(shù)，預(yù)設(shè)流道修正項(xiàng)，其中，流道修正項(xiàng)包括但不限于流道內(nèi)的過濾精度和泥沙濃度分布參數(shù)，本實(shí)施例中，以流道截面的各個邊角內(nèi)切圓120的面積表示過濾精度。

故而步驟S2中，進(jìn)一步包括：

S210、根據(jù)第一流道參數(shù)，預(yù)設(shè)流道內(nèi)的過濾精度、以及泥沙濃度分布參數(shù)。

S3、根據(jù)流道修正項(xiàng)，通過分形算法對第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域邊界進(jìn)行迭代修正，以得到第二結(jié)構(gòu)模型，通過改變第一結(jié)構(gòu)模型中流道的邊界形狀，運(yùn)用分形算法增加流道的過流截面面積，以加強(qiáng)水流通過的效率，同時減小了流場中的水頭損失，與此同時增加流道截面的低速區(qū)，增加了泥沙沉降的可能，有效的加強(qiáng)了泥沙沉降的效率。

具體的，以目前常見的三角形流道為例，根據(jù)流道修正項(xiàng)，利用KOCH曲線對第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域邊界進(jìn)行迭代修正。

其中，步驟S3中進(jìn)一步包括：

S310、確定流道內(nèi)的過濾精度包括流道截面內(nèi)切圓120面積；

S320、確定第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域邊界的全部邊角；

S330、保持流道截面內(nèi)切圓120面積恒定，利用KOCH曲線將任一個邊角迭代修正為三個邊角。

換言之，將流道的任一個邊角視為一個三角形，對其進(jìn)行修正，在修正時引入分形算法，利用KOCH曲線對計(jì)算域的邊界進(jìn)行迭代，迭代方法優(yōu)選為：將KOCH曲線直接運(yùn)用在三角形邊角的兩個邊上，將邊角上的完全尖角111區(qū)域的數(shù)量由一個增加為三個，進(jìn)行改進(jìn)時保持流道截面的內(nèi)切圓120半徑不變以保證原有過濾精度，由于尖角111的增加，使得截面的面積有所增大，從而增加了低速沙粒沉降區(qū)，并增加了流道截面積，減小了水頭損失。

具體的，在步驟S330中，進(jìn)一步包括以下步驟：

S331、確定邊角的三角形截面；

S332、根據(jù)流道內(nèi)的過濾精度，分別在邊角的兩腰上的預(yù)設(shè)位置迭代增加兩個三角形尖角111，以使邊角迭代修正為三個邊角；其中，邊角的兩腰上的預(yù)設(shè)位置分別為邊角的腰線130上的四個四等分節(jié)點(diǎn)中的任一個節(jié)點(diǎn)，即尖角111的預(yù)設(shè)位置為：邊角的兩腰線130上的1/3處、1/2處和2/3處中的一種或兩種組合。

S333、根據(jù)選定的尖角111預(yù)設(shè)位置，反復(fù)多次計(jì)算驗(yàn)證流道的過流截面，以確定流道過流截面最大時尖角111的最佳位置。

S340、對修正后的全部邊角進(jìn)行倒角，以得到第二結(jié)構(gòu)模型，優(yōu)選對各個邊角倒圓角，通過將原有截面的尖角111進(jìn)行倒圓角處理，避免了流道的尖角111處因容易積聚大量泥沙、不易清洗干凈、且經(jīng)過長期的積累，而導(dǎo)致過濾器的堵塞甚至報(bào)廢的問題，有效提高反沖洗的效率，同時還可以為制造帶來方便，降低制造成本。

S4、對第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，本發(fā)明實(shí)施例所述的可靠性驗(yàn)證包括但不限于流道參數(shù)對比驗(yàn)證、以及流道過濾效果驗(yàn)證。

其中，流道參數(shù)對比驗(yàn)證是通過對比優(yōu)化前后的流道內(nèi)流場的參數(shù)，用以確定過濾器的過濾性能的提高，測定過濾器的壓力損失，證實(shí)其降低水頭損失的事實(shí)。

流道參數(shù)對比驗(yàn)證主要包括以下步驟：

S411、對所述第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定修正后的所述流道的第二流道參數(shù)，其中，第二流道參數(shù)包括修正后的流道內(nèi)流體的湍流模型、壓力項(xiàng)和壓力速度耦合項(xiàng)。

具體的，通過反復(fù)修改第二結(jié)構(gòu)模型中的相關(guān)參數(shù)，如尖角111預(yù)設(shè)位置，反復(fù)對第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，從而確定最優(yōu)選的第二結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)最優(yōu)選的第二結(jié)構(gòu)模型確定修正后的流道的第二流道參數(shù)。

其中，最優(yōu)選的第二結(jié)構(gòu)模型的確定是根據(jù)優(yōu)化后的疊片式過濾器的濾片在不同流量條件下工作情況的測定，得到相應(yīng)數(shù)據(jù)而確定的，具體為：

在測定時預(yù)設(shè)邊界條件，流道的入口以流速入口為邊界條件，流道的出口以自由出流為邊界條件，在將流道入口的邊界條件設(shè)置為流速入口時，根據(jù)流量以及流道截面積大小進(jìn)行計(jì)算，而流道出口的邊界條件由于位于過濾器內(nèi)部無法測得任何數(shù)值，因此設(shè)為自由出流

S412、對比第一流道參數(shù)和第二流道參數(shù)，如對比優(yōu)化前后的流道內(nèi)的湍流模型、壓力項(xiàng)和壓力速度耦合項(xiàng)，其計(jì)算結(jié)果均為相對值，通過對比優(yōu)化前后的流道內(nèi)流場的參數(shù)，以確定過濾器的過濾性能的提高，通過測定過濾器的壓力損失，證實(shí)其降低水頭損失的事實(shí)。

流道過濾效果驗(yàn)證主要包括以下步驟：

S421、對第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行流體動態(tài)模擬計(jì)算，以確定修正后的流道的過濾參數(shù)；其中，過濾參數(shù)包括修正后的流道內(nèi)的過濾精度和泥沙濃度分布參數(shù)。

S422、對比過濾參數(shù)和流道修正項(xiàng)。

優(yōu)選的，使用兩相流模擬算法對第二結(jié)構(gòu)模型的流道內(nèi)流體流動進(jìn)行計(jì)算，對于水沙混合流動采用歐拉-歐拉模型計(jì)算，從而驗(yàn)證所設(shè)計(jì)產(chǎn)品中泥沙分布，以證實(shí)泥沙沉降水平的提高。

具體的，根據(jù)優(yōu)化后的疊片過濾器的濾片在泥沙兩相流模擬算法下的歐拉方程，模擬計(jì)算泥沙在流道內(nèi)的分布情況。其中，同樣選用湍流模型的Realizable k-ε模型，計(jì)算方法采用參數(shù)恒定的半隱式非耦合算法，壓力項(xiàng)使用二階迎風(fēng)格式，所用的是基于壓力的壓力求解器，壓力速度耦合項(xiàng)采用SIMPLE算法計(jì)算。在歐拉模型的設(shè)定中，將固相顆粒設(shè)置為沙粒(sand)，設(shè)置相應(yīng)密度，顆粒濃度分布等數(shù)值。得到計(jì)算結(jié)果，將計(jì)算結(jié)果與預(yù)設(shè)的流道修正項(xiàng)進(jìn)行對比，根據(jù)泥沙濃度的分布判斷第二模型結(jié)構(gòu)是否達(dá)到了預(yù)期的效果。

本發(fā)明實(shí)施例所述的方法適用于各種類型的疊片過濾器中濾片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的濾片其過濾性能有了很大程度上的提高。由于流道形狀的改變，優(yōu)化后的濾片流道結(jié)構(gòu)使其截面面積有所增大，可以降低過濾過程中的水頭損失，同時，增加的尖角111為過濾提供了更多的泥沙沉降區(qū)域，增強(qiáng)了過濾效果，經(jīng)過倒圓角設(shè)計(jì)的尖角111，利于反沖洗并更容易制造，很大程度上減少了流道堵塞的隱患，令其可以長時間運(yùn)行，減少反沖洗次數(shù)且在反沖洗過后可以保持之前的高效。

由上述可知，該方法充分利用CFD的可視化計(jì)算優(yōu)勢，大大的降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了開發(fā)周期并且提高了自主開發(fā)能力；該方法對于完善疊片過濾器濾片的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法理論，彌補(bǔ)疊片過濾器設(shè)計(jì)理論上的不足有著顯著的意義以及廣闊的前景。

實(shí)施例二

基于實(shí)施例一所述的方法，本實(shí)施例二提供了一種用于疊片過濾器的濾片流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的裝置，利用該裝置可以很好的實(shí)施如實(shí)施例一所述的方法，從而實(shí)現(xiàn)對疊片過濾器的濾片形成的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠優(yōu)化，能夠縮短設(shè)計(jì)制造周期，降低設(shè)計(jì)成本，其優(yōu)化設(shè)計(jì)出的濾片流道結(jié)構(gòu)具有很好的過濾效果，有效降低過濾產(chǎn)生的水頭損失；同時該方法和裝置還可以可靠地、低消耗地驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

如圖2所示，該裝置主要包括建模單元100、修正單元200和驗(yàn)證單元3003，其中，建模單元100用于建立濾片間流道的第一結(jié)構(gòu)模型，對第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定流道的第一流道參數(shù)；修正單元200，用于根據(jù)第一流道參數(shù)，預(yù)設(shè)流道修正項(xiàng)，根據(jù)流道修正項(xiàng)，通過分形算法對第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域邊界進(jìn)行迭代修正，以得到第二結(jié)構(gòu)模型；驗(yàn)證單元3003，用于對第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

以下通過一個實(shí)驗(yàn)例進(jìn)一步詳細(xì)說明實(shí)施例一的方法和實(shí)施例二的裝置的具體結(jié)構(gòu)和原理。

實(shí)驗(yàn)例

本實(shí)驗(yàn)例中涉及的方法如實(shí)施例一所述，采用的實(shí)驗(yàn)裝置如實(shí)施例二所述。以下以農(nóng)業(yè)用疊片過濾器的相鄰兩個濾片間流道的結(jié)構(gòu)為例，具體說明其流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法及裝置。

1、通過建模單元100建立相鄰濾片間流道的第一結(jié)構(gòu)模型，對第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定所述流道的第一流道參數(shù)。

如圖3所示，采用PRO/E軟件實(shí)現(xiàn)流道的幾何建模，流道的截面形狀為三角形，共計(jì)三個邊角，流道尺寸包括：流道截面內(nèi)切圓120的直徑為217.32mm，過流截面面積為0.0614mm²；采用GAMBIT軟件對第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用尺度為0.04mm的四面體網(wǎng)格，并對流道的入口、出口以及計(jì)算域的近壁區(qū)邊界處設(shè)置網(wǎng)格加密。入口的邊界條件設(shè)置為流速入口，出口的邊界條件設(shè)置為自由出流，入口處流速以通過過濾器的流量計(jì)算得出。

2、根據(jù)邊界條件，利用建模單元100通過計(jì)算流體動力學(xué)算法對網(wǎng)格劃分后的第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定流道的第一流道參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)中，可將相鄰兩個濾片間的流道內(nèi)流體的流動視為典型的粘性流動，且不可壓縮，滿足流體運(yùn)動的連續(xù)方程和動量守恒方程；應(yīng)用FLUENT模擬軟件對第一結(jié)構(gòu)模型的水流運(yùn)動進(jìn)行模擬，所選湍流模型是經(jīng)過低雷諾數(shù)修正的Realizable k-ε模型，計(jì)算方法采用恒定參數(shù)的半隱式非耦合算法，壓力項(xiàng)使用基于壓力的求解器通過二階迎風(fēng)格式算法計(jì)算而得，壓力速度耦合項(xiàng)采用SIMPLE算法計(jì)算。

3、通過建模單元100確定流道的第一流道參數(shù)，具體為：計(jì)算第一結(jié)構(gòu)模型的流場的速度、壓力分布等參數(shù)，確定泥沙沉降區(qū)、泥沙沉降量的決定因素以及流道邊界結(jié)構(gòu)對于過濾效率和堵塞問題的影響。

如圖5、圖7所示，基于CFD軟件的模擬計(jì)算結(jié)果，得到了流速分布云圖和壓力分布云圖等參數(shù)示意圖，圖中下方的漸變數(shù)值條表示了各種色彩深度所代表的流速值、壓力值等參數(shù)的范圍。

由圖5可以看出，流場中流速分布具有很強(qiáng)的規(guī)律性，速度較大區(qū)(圖中截面中心處為淺色區(qū)，表示為區(qū)域Ⅰ)和速度較小區(qū)(近壁處速度顯示為深色區(qū)，表示為區(qū)域Ⅱ、區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅳ)。由中心向外擴(kuò)散，流速是逐漸減小的，中間主流區(qū)流速較高，如區(qū)域Ⅰ，主要由于過水，兼顧水流的混摻；近壁區(qū)的流速最小，如區(qū)域Ⅱ、區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅳ，利于沙粒的沉降，形成低流速區(qū)，沖刷效果差，使沙?？梢源罅砍两?，為過濾的主要利用區(qū)域，應(yīng)予以重視并盡量增加其區(qū)域面積，尤其如圖5中的區(qū)域Ⅳ，該區(qū)域流速小，面積相對較大，加強(qiáng)了泥沙沉降的效果，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)予以最大強(qiáng)化。

4、根據(jù)第一流道參數(shù)，向修正單元200輸入預(yù)設(shè)的流道修正項(xiàng)，根據(jù)流道修正項(xiàng)，利用修正單元200通過分形算法對第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域邊界進(jìn)行迭代修正，以得到第二結(jié)構(gòu)模型，對第二結(jié)構(gòu)模型的流道進(jìn)行修正分析。

根據(jù)上述分析可知，為提高疊片過濾器的過濾性能，應(yīng)盡量增加近壁處的低流速區(qū)，同時還要保證過濾器的過濾精度：低流速的邊角應(yīng)予以保留并將其加強(qiáng)，使得泥沙沉降的區(qū)域進(jìn)一步增大，并且在保證過濾精度的前提下(即保證過流截面的內(nèi)切圓120直徑不變)，盡可能的提高過流截面的面積，增加相同流速下的過流量，減少過濾過程中的水頭損失。

針對邊角的低流速區(qū)的沉沙優(yōu)勢，對流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：

如圖4所示，首先對第一結(jié)構(gòu)模型的流道的三角形進(jìn)行修正，引入分形算法，利用Koch曲線對流道截面進(jìn)行迭代修正，將Koch曲線直接運(yùn)用在三角形的兩個腰線130上，將完全尖角111的數(shù)量由一個增加為三個，修正時保持流道截面的內(nèi)切圓120半徑不變以保證原有過濾精度；由于尖角111的增加，使得截面的面積有所增大，從而增加了低速沙粒沉降區(qū)，并增加了流道的過流截面面積，減小了水頭損失。

其中，尖角111的預(yù)設(shè)位置可以設(shè)置在流道截面的三角形腰線130的中點(diǎn)處、三分之一處或三分之二處等，考慮到有效擴(kuò)大流道截面積并增大低速區(qū)面積，根據(jù)不同數(shù)據(jù)下的處理結(jié)果，優(yōu)選將尖角111設(shè)置在腰線130中點(diǎn)處為尖角111的最佳位置。

然后，將原有的邊角和新增的尖角111分別進(jìn)行倒圓角處理，優(yōu)選使用尺寸為0.1mm的圓弧進(jìn)行倒圓角，進(jìn)行倒圓角處理之后，能有效避免尖角111處存積泥沙不易清洗的弊端，因此可以提高反沖洗的效率，同時還可以為制造帶來方便。

如圖4所示，圖4表示的第二結(jié)構(gòu)模型的流道截面直徑保持217.32mm不變，分形算法中，尖角111的預(yù)設(shè)位置設(shè)置于最佳位置處，即三角形截面的兩個腰線130的二分之一處，由圖4可以看出，此時流道具有三個尖角111，過流截面的面積為0.0656mm。

5、利用驗(yàn)證單元300對第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，所述的可靠性驗(yàn)證包括但不限于流道參數(shù)對比驗(yàn)證、以及流道過濾效果驗(yàn)證，并對優(yōu)化后流道的性能進(jìn)行分析。

其中，流道參數(shù)對比驗(yàn)證的分析結(jié)果如下：

分別將圖3和圖4對比、將圖5和圖6對比可以看出，優(yōu)化前的第一結(jié)構(gòu)模型與優(yōu)化后的第二結(jié)構(gòu)模型相比，優(yōu)化后的流道過流截面的面積增大，且同時保證了過濾精度不變，與此同時，第二結(jié)構(gòu)模型的邊角區(qū)110的截面面積、較之優(yōu)化前的第一結(jié)構(gòu)模型的邊角區(qū)110的截面面積增加了兩倍以上，保證了有效泥沙沉降區(qū)的擴(kuò)大。

將圖7和圖8對比可以看出，經(jīng)過修正后，第二結(jié)構(gòu)模型的整個流道區(qū)域的壓降有明顯的減小，在壓力下降的均勻性上并沒有明顯的變化，但是起止的壓力差有明顯的下降，這表示整個流動過程中的水頭損失有明顯減小。

流道過濾效果驗(yàn)證的分析結(jié)果如下：

通過使用兩相流模擬算法對第二結(jié)構(gòu)模型的流道內(nèi)流體流動進(jìn)行計(jì)算，對于水沙混合流動采用歐拉-歐拉模型計(jì)算，從而驗(yàn)證所設(shè)計(jì)產(chǎn)品中泥沙分布，以證實(shí)泥沙沉降水平的提高。

基于泥沙濃度分布的模擬，采用SIMPLE算法求解離散后的控制方程組，各求解變量的計(jì)算方式采用二階迎風(fēng)格式算法，設(shè)置固相顆粒為沙粒，密度設(shè)置為2650kg/m³；確定固相顆粒尺寸均勻、且形狀為球形，直徑為0.05mm(固相顆粒直徑可根據(jù)所需要適用的情況進(jìn)行調(diào)整改變)；再對固相顆粒濃度分布進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置濃度為0.2％，進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖9a～圖9j均為本發(fā)明實(shí)施例的第二結(jié)構(gòu)模型的泥沙含量分布圖，根據(jù)優(yōu)化后流道截面的泥沙分布情況來看，由于從水流入口到出口的過流截面積線性減小，導(dǎo)致單位面積上的流速增加；而流道中心屬于主流區(qū)，流速比近壁區(qū)大。

設(shè)置流道的進(jìn)入泥沙濃度為0.2％，在兩相流模擬算法的計(jì)算結(jié)果中，泥沙相的體積濃度分布范圍在0～0.26％，根據(jù)圖9a～圖9j中截面泥沙分布可以看出泥沙相的體積比在整個截面分布并不均勻，主流區(qū)泥沙濃度較邊角區(qū)110更?。桓鶕?jù)圖9a～圖9j可以指出，單條流道內(nèi)的泥沙濃度分布相對穩(wěn)定，運(yùn)動過程中遇到上下流道重合過程時，重合段所占比例越大，流道中泥沙顆粒相的濃度就越高，其中，重合段是指上下相鄰兩個流道底邊相重合的部分；同理隨重合段比例的減小，泥沙顆粒相的濃度也相應(yīng)減小；在其泥沙顆粒相濃度較高時，近壁區(qū)的邊角低速區(qū)為泥沙顆粒相的沉降創(chuàng)作了良好的條件。

具體的，如圖9a～圖9j所示選取了目標(biāo)流道的中心處，與相鄰兩濾片的任一截取流道之間交錯疊加的7個截取流道150的剖面，通過7個剖面上泥沙顆粒相的體積濃度比，分別分析泥沙相在交錯前、交錯過程中和交錯后的泥沙相濃度的分布規(guī)律。

圖9a～圖9j中給出的入口處泥沙濃度為0.2％時，分別截取到的7個剖面內(nèi)的泥沙相體積濃度分布圖，圖9a中分別截取有7個截面a～g的截取流道150的截面示意圖，圖中7個截取流道150的截取截面a～g分別順次對應(yīng)于圖9d～圖9j所示；圖9a中在截取流道150下方的流道定義為目標(biāo)流道140，如圖9b和圖9c所示；圖9a中給出的顏色漸變對比圖例為圖9b～圖9j中各區(qū)域標(biāo)號對應(yīng)的圖例表示，該圖例中分別包括共計(jì)11個顏色尺度以供對比使用，分別為尺度1～11。

觀察可知，圖9d～圖9j所示的截取流道150的截面泥沙濃度分布圖中，圖9d和圖9e中上方的流道為同一流道，稱為第一根流道；圖9f～圖9i為同一條流道，稱為第二根流道；圖9j為第三根流道。其中，因第二根流道所示數(shù)據(jù)較為全面，故而以第二根流道為例。當(dāng)目標(biāo)流道140與第二根流道重合前，遠(yuǎn)離第二根流道的尖角111處泥沙濃度較高，且這一特征一直保持到流道后端，說明在與另外一個疊片凹槽流道進(jìn)行疊加的過程中，外部流道內(nèi)水流對自身流道造成的紊流會導(dǎo)致泥沙顆粒向相反的方向運(yùn)動，偏移至梯形腰上的分形尖角111處，能有效加大疊片過濾器的過濾能力。

隨著水流的運(yùn)動，目標(biāo)流道140與第二流道重合的部分越來越多，根據(jù)圖9a中的圖例對比可知，在重合處的泥沙相濃度分布十分不穩(wěn)定，從尺度3增加到了尺度9，即從0.18％增加到了0.32％；隨著重合部分越來越多，泥沙相濃度也在增加。說明單根流道內(nèi)泥沙顆粒相的體積濃度比較穩(wěn)定，但當(dāng)流道內(nèi)水流遇到其他重合的流道時，泥沙顆粒相的濃度就會發(fā)生變化，重合越多時，濃度越高；當(dāng)水流繼續(xù)運(yùn)動時，重合段又會越來越少，泥沙相濃度也會相應(yīng)的有所減少。

由上述可靠性驗(yàn)證可以看出，泥沙在優(yōu)化后所創(chuàng)造出的尖角111處確實(shí)有明顯的聚集情況，其泥沙聚集程度比優(yōu)化前的流道有明顯提升，達(dá)到了增強(qiáng)泥沙沉降的性能要求。

綜上，本實(shí)施例的用于疊片過濾器的濾片流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及裝置中，方法主要包括以下步驟：建立相鄰濾片間流道的第一結(jié)構(gòu)模型，對第一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以確定流道的第一流道參數(shù)；根據(jù)第一流道參數(shù)，預(yù)設(shè)流道修正項(xiàng)；根據(jù)流道修正項(xiàng)，通過分形算法對第一結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算域邊界進(jìn)行迭代修正，以得到第二結(jié)構(gòu)模型；對第二結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。裝置主要包括建模單元100、修正單元200和驗(yàn)證單元3003。該方法及裝置能夠縮短設(shè)計(jì)制造周期，降低設(shè)計(jì)成本，其優(yōu)化設(shè)計(jì)出的濾片流道結(jié)構(gòu)具有很好的過濾效果，有效降低過濾產(chǎn)生的水頭損失；同時該方法和裝置還可以可靠地、低消耗地驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：實(shí)現(xiàn)圖1相關(guān)的各方法實(shí)施例所提供的方法的全部或部分步驟可以通過程序指令相關(guān)的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述方法實(shí)施例的步驟；而前述的存儲介質(zhì)包括：ROM、RAM、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。

通過以上的實(shí)施方式的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到各實(shí)施方式可借助軟件加必需的通用硬件平臺的方式來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以通過硬件。基于這樣的理解，上述技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品可以存儲在計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中，如ROM/RAM、磁碟、光盤等，包括若干指令用以使得一臺計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行各個實(shí)施例或者實(shí)施例的某些部分所述的方法。

最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的實(shí)施例的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明的實(shí)施例各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。