DUGi

Operational conditions and modelling of backwashing in pressurised porous media filters

http://dugi.udg.edu/item/http:@@@@hdl.handle.net@@10256@@27788

ENG- Pressurised sand filters are widely used in drip irrigation systems to ensure water quality by retaining suspended particles, thereby preventing emitter clogging. One of the main operational challenges of these systems is reducing their high energy consumption, which is directly linked to the pressure drop generated during the filtration and backwashing cycles. This energy demand depends on the internal filter design, the properties of the filtering medium, the flow regime, and operating conditions. Backwashing is a critical process for restoring the filter’s functional state and is often operated under conditions that prioritise cleaning efficiency over energy and water efficiency. Within this context, the main objective of this doctoral thesis was to evaluate the operating conditions and model the backwashing process in pressurised porous media filters, proposing design and operational strategies to improve their performance. Three scientific questions were formulated: (1) the validity of classical pressure drop equations under real operating conditions; (2) the predictive capacity of analytical and simulation models to estimate bed expansion; and (3) the impact of the filter medium type and nozzle design on global hydraulic behaviour. Firstly, CFD simulations were conducted in filtration mode, experimentally validated using a laboratory-scale filter. Three types of porous media (glass microspheres and two silica sands) and two bed heights (117 mm and 317 mm) were tested. Five classical equations were compared to model pressure drop (Ergun, Darcy-Forchheimer, Darcy, Kozeny-Carman, and a power function). For superficial velocities below 38.3 m h^(-1), all equations performed adequately. At higher velocities, the Ergun equation yielded the best precision (error <10%). Additionally, an analytical model was developed to account for non-uniform flow by dividing the bed into three zones with different gradients, successfully reproducing the simulated pressure losses. Next, CFD simulations in backwashing mode were carried out using an Eulerian–Eulerian multiphase formulation. These simulations accurately predicted the fluidised bed expansion for various flow rates when using microspheres, although expansion was overestimated for sand at low velocities. Due to the high computational demand, two analytical models based on control volume balances were proposed. Experimental validations showed that one model represents a lower expansion limit, while the other accurately predicted real expansion, especially with microspheres

CAT- Els filtres de sorra a pressió s’utilitzen àmpliament en sistemes de reg per degoteig per garantir la qualitat de l’aigua mitjançant la retenció de partícules en suspensió, evitant així l’obturació dels emissors. Un dels principals reptes operatius d’aquests sistemes és reduir el seu alt consum energètic, relacionat directament amb la pèrdua de càrrega generada durant les fases de filtració i contrarentat. Aquest consum depèn del disseny intern del filtre, de les propietats del medi filtrant, del règim de flux i de les condicions d’operació. El contrarentat és un procés fonamental per restaurar l’estat funcional del filtre, però sovint es prioritza l’eficàcia de neteja per sobre de l’eficiència energètica i hídrica. En aquest context, l’objectiu principal d’aquesta tesi doctoral fou avaluar les condicions operatives i modelitzar el procés de contrarentat en filtres pressuritzats de medi porós, proposant estratègies de disseny i d’operació per millorar-ne el rendiment. Es van formular tres preguntes científiques: (1) la validesa de les equacions clàssiques de pèrdua de pressió en condicions reals d’operació; (2) la capacitat predictiva dels models analítics i de simulació per estimar l’expansió del llit; i (3) l’impacte del tipus de medi filtrant i del disseny de les crepines sobre el comportament hidràulic global. En primer lloc, es van dur a terme simulacions CFD en mode filtració, validant-les experimentalment amb un filtre a escala de laboratori. Es van assajar tres tipus de medi (microesferes de vidre i dues sorres silícies) i dues alçades de llit (117 mm i 317 mm). Es van comparar cinc equacions clàssiques per modelitzar la pèrdua de càrrega (Ergun, Darcy-Forchheimer, Darcy, Kozeny-Carman i una funció potencial). Per velocitats superficials inferiors a 38,3 mm/s, totes les equacions mostraren una bona precisió. A velocitats més altes, l’equació d’Ergun presentà els millors resultats (error <10%). També es desenvolupà un model analític que considera la no uniformitat del flux, dividint el llit en tres zones amb diferents gradients, reproduint amb èxit les pèrdues de càrrega simulades. Tot seguit, es realitzaren simulacions CFD en mode contrarentat mitjançant una formulació multifàsica Euleriana-Euleriana. Aquestes van predir amb precisió l’expansió del llit fluiditzat per a diversos cabals amb microesferes, tot i que amb sorra es va sobreestimar lleugerament l’expansió a velocitats baixes. Davant l’elevada demanda computacional, es proposaren dos models analítics basats en balanços de volums de control. Les validacions experimentals mostraren que un dels models representa un límit inferior d’expansió, mentre que l’altre prediu amb encert l’expansió real, especialment amb microesferes

Programa de Doctorat en Medi Ambient

Universitat de Girona