Using Computational Fluid Dynamics to Predict Head Losses in the Auxiliary Elements of a Microirrigation Sand Filter

Abstract

It is often assumed that total head losses in a sand filter are solely due to the filtration media and that there are analytical solutions, such as the Ergun equation, to compute them. However, total head losses are also due to auxiliary elements (inlet and outlet pipes and filter nozzles), which produce undesirable head losses because they increase energy requirements without contributing to the filtration process. In this study, ANSYS Fluent version 6.3, a commercial computational fluid dynamics (CFD) software program, was used to compute head losses in different parts of a sand filter. Six different numerical filter models of varying complexities were used to understand the hydraulic behavior of the several filter elements and their importance in total head losses. The simulation results show that 84.6% of these were caused by the sand bed and 15.4% were due to auxiliary elements (4.4% in the outlet and inlet pipes, and 11.0% in the perforated plate and nozzles). Simulation results with different models show the important role of the nozzles in the hydraulic behavior of the sand filter. The relationship between the passing area through the nozzles and the passing area through the perforated plate is an important design parameter for the reduction of total head losses. A reduced relationship caused by nozzle clogging would disproportionately increase the total head losses in the sand filter.

Diseño De Una Nueva Crepina Para Reducir La Caída De Presión en Filtros De Arena

“…Mediante el uso de la técnica de dinámica de fluidos computacional (CFD), Arbat et al (2011) hallaron que la caída de presión en el drenaje del filtro se debía a la aceleración del fluido al atravesar el drenaje y a la curvatura del flujo hidráulico dentro del medio de filtración al aproximarse al drenaje. Bové et al (2015c), utilizando esta misma técnica, señalaron diversos puntos en los que se podía intervenir para reducir la caída de presión en el drenaje.…”

Efeito das dimensões da placa difusora no comportamento hidráulico de um modelo comercial de filtro de areia

“…ARBAT et al (2011) salientam que as perdas de carga causadas pelas estruturas internas de filtros de areia devem ser minimizadas, sendo a aplicação de critérios de projeto a principal alternativa para propor modificações nos equipamentos. Adicionalmente, MESQUITA et al (2012 b) salientam que os tipos de componentes internos contribuem diferentemente para o comportamento da variação da perda de carga em função da taxa de filtração durante o processo de filtração, sendo que ARBAT et al (2011), analisando resultados de simulação utilizando fluidodinâmica computacional, obtiveram que 84,6% da perda de carga total em filtros de areia são originados pela camada de areia, sendo o restante, 15,4%, contribuição das tubulações de entrada e saída (4,4%) e placa difusora e crepinas (11%).…”

Desenvolvimento tecnológico de um filtro de areia para irrigação localizada

“…Os autores concluíram que a perda de pressão do equipamento é afetada pelo aumento da altura da camada filtrante, da vazão de filtragem e da redução do tamanho dos grãos de areia do leito poroso. Arbat et al (2011) destacam, porém, que a perda de pressão é também afetada pelas estruturas físicas do equipamento, como por exemplo, tubulações de entrada e saída, e acessórios internos do filtro (placa difusora e dreno). Burt (2010), durante ensaios experimentais com filtros de areia, salienta que as válvulas de retrolavagem também contribuem significativamente para a perda de pressão total do equipamento.…”

“…Mesquita et al (2012) salientam que os modelos de componentes internos de filtros comerciais contribuem diferentemente para o comportamento da variação da perda de pressão em função da taxa de filtração durante o processo de filtração. Arbat et al (2011), analisando resultados de simulação utilizando fluidodinâmica computacional, observaram que 84,6% da perda de pressão total em filtros de areia são originados pela camada de areia e o restante, 15,4%, contribuições das tubulações de entrada e saída (4,4%) e placa difusora e crepinas (11%).…”

“…Concordando com os resultados encontrados por Arbat et al (2011), Ponciano de Deus et al (2013 identificaram uma contribuição de 11,2% para a estrutura física do filtro (placa difusora plana sem bordas e drenos cilíndricos) e 88,8% para leito filtrante. Porém, esses autores observaram um aumento para 16% para a parte estrutural em função da troca da placa difusora plana para o modelo plano com bordas.…”