滤池反冲洗时气水压力计算

刘俊新 李圭白

　　对于单纯用水反冲洗滤池，设计手册中有滤池各部分水头损失的计算公式^[1]。对于气水反冲洗滤池，滤料层处于气、液、固三相流状态，配水配气系统内为气、液两相流体，单纯以水冲洗时的计算公式已不适用，而从理论上又很难确定出三相或两相流体的水头损失，因此需要通过试验来测定。根据水力学原理，单纯用水反冲洗时，滤池各部分的水头损失可用测压管水头差来确定；在气水反冲洗情况下，由于气体通入破坏了原流体密度的均匀性，测压管水头差不再等同干水头损失，它反映的是压力的变化。对于设计，需要知道的正是压力的差值。因此，以长柄滤头做为配水配气系统的气水反冲洗滤池，由于可不设承托层，其反冲洗气和水的压力可表示

　　　　　　　　　　　　H=h₁+h₂+h₃+h₄　　　　　　　(1)

　　式中：H——滤池所需反冲洗气和水的压力，m
　　　　　h₁——排水槽顶与反冲洗进水进气管之间的静水位差，m
　　　　　h₂——配水配气系统压差，m
　　　　　h₃——滤层的压差，m
　　　　　h₄——富余水头，m
　　在式(1)中，h₁和h₄是常数，h₂的计算笔者已专门论述^[2]，本文将主要讨论h₃的计算方法。

1．试验装置

　　以长柄滤头配水配气的试验装置如图1所示。滤头上面填装0.55m、粒径为0.5～1.2mm
　　的石英砂滤料，滤料层上面是0.6m的水层。在滤柱的侧面安装有测压管，以测滤头、滤料层和水层的水位差。

2．单独用气反冲洗时滤池所需反冲洗气压力

　　用气反冲洗前，滤柱和各测压管内的水位是静止、相等的。当向滤柱内通入空气反冲洗时，下面的测压管水位随空气量的增大逐渐低于上面的测压管水位，即测压管水头差为负值。
　　从设计角度考虑，1^# 测压管水头表示配气室内水的压力，其值在气反冲前最大、开始后减小，所以开始向配气室送气时需要克服的压力最大，为最不利情况。因此，对于单独用气反冲洗滤池，送入滤池底部气室的空气压力可按下式计算：

　　　　　　　　　H=h₁+h₄ 　　　(2)
　　式中符号同前。

　

3．气水同时反冲洗时滤池所需反冲洗气和水的压力

　　在气水同时反冲洗时，滤池各部分的水头损失计算比较复杂，特别是滤层处于气液固三相流状态，很难从理论上确定其水头损失。从设计考虑，试验中主要考察了图l所示各测压管水头差的变化。在每组试验中，保持水反冲洗强度不变，使气反冲洗强度由小变大，通过各测压管可反映出长柄滤头、滤料层和以上水层的测压管水头差的变化。
　　图2是气水同时反冲洗时，滤层以及水层的测压管水头差的变化情况。由图可见，其变化具有一定的规律性，试验中调节水反冲洗强度分别为2、3、6、9 L/s·m²，在气反冲洗强度>3 L/s·m²后，不同水反冲洗强度所产生的测压管水头差基本相同，并随气反冲洗强度的增加而略有降低。
　　为了考察气水同时反冲洗与单独用水反冲洗时滤层测压管水头差之间的关系，以便确定气水同时反冲洗时滤层压差的简便计算方法，试验中对单独用水反冲洗时滤层的测压管水头差进行了测定，结果如图3所示。由图可见，当水反冲洗强度达到4.5～5 L/s·m²时，滤层开始流化，此后滤层的水头损失基本不变。
　　对照图2、3中的试验结果可看出，气水同时反冲洗时滤层的测压管水头差略小于单独用水反冲洗时滤层流化后的水头损失。因此，气水同时反冲洗时滤层的压差h₃可按单独用水反冲洗时滤层的水头损失计算。

4．结论

　　（1）对于单独用气反冲洗滤池，送入滤池底部气室的空气压力为排水槽顶与反冲洗进水进气管之间的静水位差与富余水头之和。　　（2）本试验条件下，气水同时反冲洗时，送入滤池底部配水配气室的气和水的压力可按下式计算：

　　　　　　　　　　　　H=h₁+h₂+h₃+h₄

　　其中，滤层的压差h₃可按单独用水反冲洗时滤层的水头损失计算。

参考文献

　　1.上海市政院主编，《给水排水设计手册》（第3册）城市给水，中国建筑工业出版社，北京，1986。
　　 2.李圭白、刘俊新, 1989, 长柄滤头的流体力学特性研究, 中国给水排水, 5(5): 4–8。