Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūs izmantojat pārlūkprogrammas versiju ar ierobežotu CSS atbalstu.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, ieteicams izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer).Turklāt, lai nodrošinātu pastāvīgu atbalstu, mēs rādām vietni bez stiliem un JavaScript.
Vienlaicīgi parāda trīs slaidu karuseli.Izmantojiet pogas Iepriekšējais un Nākamais, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus, vai izmantojiet slīdņa pogas, kas atrodas beigās, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus.
Šajā pētījumā flokulācijas hidrodinamika novērtēta, eksperimentāli un skaitliski izpētot turbulentās plūsmas ātruma lauku laboratorijas mēroga lāpstiņu flokulatorā.Turbulentā plūsma, kas veicina daļiņu agregāciju vai floku sadalīšanos, ir sarežģīta, un šajā rakstā tiek aplūkota un salīdzināta, izmantojot divus turbulences modeļus, proti, SST k-ω un IDDES.Rezultāti liecina, ka IDDES nodrošina ļoti nelielu uzlabojumu salīdzinājumā ar SST k-ω, kas ir pietiekams, lai precīzi modelētu plūsmu lāpstiņas flokulatorā.Piemērotības rādītājs tiek izmantots, lai izpētītu PIV un CFD rezultātu konverģenci un salīdzinātu izmantotā CFD turbulences modeļa rezultātus.Pētījumā galvenā uzmanība pievērsta arī slīdes koeficienta k kvantitatīvai noteikšanai, kas ir 0,18 pie maziem apgriezieniem 3 un 4 apgr./min, salīdzinot ar parasto tipisko vērtību 0,25.Samazinot k no 0,25 līdz 0,18, šķidrumam piegādātā jauda palielinās par aptuveni 27–30% un ātruma gradients (G) palielinās par aptuveni 14%.Tas nozīmē, ka tiek panākta intensīvāka sajaukšana, nekā paredzēts, līdz ar to tiek patērēts mazāk enerģijas, un līdz ar to enerģijas patēriņš dzeramā ūdens attīrīšanas iekārtas flokulācijas blokā var būt mazāks.
Ūdens attīrīšanā koagulantu pievienošana destabilizē mazās koloidālās daļiņas un piemaisījumus, kas pēc tam apvienojas, veidojot flokulāciju flokulācijas stadijā.Pārslas ir vāji saistīti fraktāļu masas agregāti, kurus pēc tam nostādina.Daļiņu īpašības un šķidruma sajaukšanas apstākļi nosaka flokulācijas un apstrādes procesa efektivitāti.Flokulācija prasa lēnu maisīšanu salīdzinoši īsu laika periodu un daudz enerģijas, lai maisītu lielu ūdens daudzumu1.
Flokulācijas laikā visas sistēmas hidrodinamika un koagulanta-daļiņu mijiedarbības ķīmija nosaka ātrumu, ar kādu tiek sasniegts stacionārs daļiņu izmēru sadalījums2.Daļiņām saduroties, tās pielīp viena pie otras3.Oyegbile, Ay4 ziņoja, ka sadursmes ir atkarīgas no Brauna difūzijas flokulācijas transporta mehānismiem, šķidruma bīdes un diferenciālās nosēšanās.Pārslām saduroties, tās aug un sasniedz noteiktu izmēra robežu, kas var izraisīt lūzumu, jo pārslas nevar izturēt hidrodinamisko spēku spēku5.Dažas no šīm salauztajām pārslām pārkombinējas mazākās vai tāda paša izmēra 6.Tomēr spēcīgas pārslas var pretoties šim spēkam un saglabāt savu izmēru un pat augt7.Yukselen un Gregory8 ziņoja par pētījumiem, kas saistīti ar pārslu iznīcināšanu un to spēju atjaunoties, parādot, ka neatgriezeniskums ir ierobežots.Bridžmens, Džefersons9 izmantoja CFD, lai novērtētu vidējās plūsmas un turbulences vietējo ietekmi uz floku veidošanos un sadrumstalotību, izmantojot vietējos ātruma gradientus.Tvertnēs, kas aprīkotas ar rotora lāpstiņām, ir jāmaina agregātu sadursmes ātrums ar citām daļiņām, kad tās ir pietiekami destabilizētas koagulācijas fāzē.Izmantojot CFD un mazāku griešanās ātrumu aptuveni 15 apgr./min, Vadasarukkai un Gagnon11 spēja sasniegt G vērtības flokulācijai ar koniskiem asmeņiem, tādējādi samazinot enerģijas patēriņu maisīšanai.Tomēr darbība ar augstākām G vērtībām var izraisīt flokulāciju.Viņi pētīja sajaukšanas ātruma ietekmi uz pilota lāpstiņas flokulatora vidējā ātruma gradienta noteikšanu.Tie griežas ar ātrumu, kas pārsniedz 5 apgr./min.
Korpijärvi, Ahlstedt12 izmantoja četrus dažādus turbulences modeļus, lai pētītu plūsmas lauku tvertnes testa stendā.Viņi mērīja plūsmas lauku ar lāzera Doplera anemometru un PIV un salīdzināja aprēķinātos rezultātus ar izmērītajiem rezultātiem.de Oliveira un Donadel13 ir ierosinājuši alternatīvu metodi ātruma gradientu novērtēšanai no hidrodinamiskajām īpašībām, izmantojot CFD.Piedāvātā metode tika pārbaudīta uz sešām flokulācijas vienībām, kuru pamatā ir spirālveida ģeometrija.novērtēja aiztures laika ietekmi uz flokulantiem un ierosināja flokulācijas modeli, ko var izmantot kā līdzekli, lai atbalstītu racionālu šūnu dizainu ar zemu aiztures laiku14.Zhan, You15 ierosināja kombinētu CFD un populācijas līdzsvara modeli, lai modelētu plūsmas raksturlielumus un floku uzvedību pilna mēroga flokulācijā.Llano-Serna, Coral-Portillo16 pētīja Cox tipa hidroflokulatora plūsmas raksturlielumus ūdens attīrīšanas iekārtā Viterbo, Kolumbijā.Lai gan CFD ir savas priekšrocības, ir arī ierobežojumi, piemēram, skaitliskās kļūdas aprēķinos.Tāpēc visi iegūtie skaitliskie rezultāti ir rūpīgi jāpārbauda un jāanalizē, lai izdarītu kritiskus secinājumus17.Literatūrā ir maz pētījumu par horizontālo deflektoru flokulatoru konstrukciju, savukārt ieteikumi hidrodinamisko flokulatoru projektēšanai ir ierobežoti18.Chen, Liao19 izmantoja eksperimentālu iestatījumu, kas balstīts uz polarizētās gaismas izkliedi, lai izmērītu atsevišķu daļiņu izkliedētās gaismas polarizācijas stāvokli.Feng, Zhang20 izmantoja Ansys-Fluent, lai modelētu virpuļstrāvu un virpuļu sadalījumu koagulēta plākšņu flokulatora un starprievota flokulatora plūsmas laukā.Pēc turbulentas šķidruma plūsmas modelēšanas flokulatorā, izmantojot Ansys-Fluent, Gavi21 izmantoja rezultātus, lai izstrādātu flokulatoru.Vaneli un Teixeira22 ziņoja, ka saikne starp spirālveida cauruļu flokulatoru šķidruma dinamiku un flokulācijas procesu joprojām ir slikti izprotama, lai atbalstītu racionālu dizainu.de Oliveira un Costa Teixeira23 pētīja spirālveida caurules flokulatora efektivitāti un demonstrēja hidrodinamiskās īpašības, izmantojot fizikas eksperimentus un CFD simulācijas.Daudzi pētnieki ir pētījuši tinumu cauruļu reaktorus vai tinumu cauruļu flokulatorus.Tomēr joprojām trūkst detalizētas hidrodinamiskās informācijas par šo reaktoru reakciju uz dažādiem projektiem un darbības apstākļiem (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira un Teixeira26 piedāvā oriģinālos rezultātus no spirālveida flokulatora teorētiskajām, eksperimentālajām un CFD simulācijām.Oliveira un Teixeira27 ierosināja izmantot spirālveida spoli kā koagulācijas-flokulācijas reaktoru kombinācijā ar parasto dekantēšanas sistēmu.Viņi ziņo, ka rezultāti, kas iegūti par duļķainuma noņemšanas efektivitāti, ievērojami atšķiras no tiem, kas iegūti ar parasti izmantotajiem flokulācijas novērtēšanas modeļiem, kas liecina par piesardzību, izmantojot šādus modeļus.Moruzzi un de Oliveira [28] modelēja nepārtrauktu flokulācijas kameru sistēmas uzvedību dažādos darbības apstākļos, ieskaitot izmantoto kameru skaita atšķirības un fiksētu vai mērogotu šūnu ātruma gradientu izmantošanu.Romphophak, Le Men29 PIV momentāno ātrumu mērījumi gandrīz divdimensiju strūklas tīrītājos.Viņi konstatēja spēcīgu strūklas izraisītu cirkulāciju flokulācijas zonā un novērtēja vietējos un momentālos bīdes ātrumus.
Shah, Joshi30 ziņo, ka CFD piedāvā interesantu alternatīvu dizainu uzlabošanai un virtuālās plūsmas raksturlielumu iegūšanai.Tas palīdz izvairīties no plašiem eksperimentāliem iestatījumiem.CFD arvien vairāk tiek izmantots, lai analizētu ūdens un notekūdeņu attīrīšanas iekārtas (Melo, Freire31; Aalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Vairāki pētnieki ir veikuši eksperimentus ar var testēšanas iekārtām (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) un perforētiem diska flokulatoriem31.Citi ir izmantojuši CFD, lai novērtētu hidroflokulatorus (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 ziņoja, ka mehāniskajiem flokulatoriem nepieciešama regulāra apkope, jo tie bieži sabojājas un prasa daudz elektrības.
Lāpstiņu flokulatora veiktspēja ir ļoti atkarīga no rezervuāra hidrodinamikas.Kvantitatīvās izpratnes trūkums par plūsmas ātruma laukiem šādos flokulatoros ir skaidri norādīts literatūrā (Howe, Hand38; Hendricks39).Visa ūdens masa ir pakļauta flokulatora lāpstiņriteņa kustībai, tāpēc sagaidāma slīdēšana.Parasti šķidruma ātrums ir mazāks par lāpstiņas ātrumu ar slīdēšanas koeficientu k, kas tiek definēts kā ūdens ķermeņa ātruma attiecība pret lāpstiņas riteņa ātrumu.Bhole40 ziņoja, ka, izstrādājot flokulatoru, jāņem vērā trīs nezināmi faktori, proti, ātruma gradients, pretestības koeficients un ūdens relatīvais ātrums attiecībā pret asmeni.
Camp41 ziņo, ka, apsverot ātrgaitas mašīnas, ātrums ir aptuveni 24% no rotora ātruma un pat 32% zema ātruma mašīnām.Ja starpsienu nebija, Droste un Ger42 izmantoja ak vērtību 0, 25, savukārt starpsienu gadījumā k bija no 0 līdz 0, 15.Howe, Hand38 liecina, ka k ir diapazonā no 0,2 līdz 0,3.Hendrikss39 saistīja slīdes koeficientu ar rotācijas ātrumu, izmantojot empīrisku formulu, un secināja, ka arī slīdēšanas koeficients bija Camp41 noteiktajā diapazonā.Bratby43 ziņoja, ka k ir aptuveni 0,2 lāpstiņriteņa ātrumam no 1,8 līdz 5,4 apgr./min un palielinās līdz 0,35 lāpstiņriteņa ātrumam no 0,9 līdz 3 apgr./min.Citi pētnieki ziņo par plašu pretestības koeficienta (Cd) vērtību diapazonu no 1,0 līdz 1,8 un slīdēšanas koeficienta k vērtībām no 0,25 līdz 0,40 (Feir un Geyer44; Hyde un Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; un Bratby un Marais48 ).Literatūrā nav novērots būtisks progress k definēšanā un kvantitatīvajā noteikšanā kopš Camp41 darba.
Flokulācijas procesa pamatā ir turbulence, lai atvieglotu sadursmes, kur turbulences/flokulācijas mērīšanai izmanto ātruma gradientu (G).Sajaukšana ir ķīmisko vielu ātras un vienmērīgas izkliedēšanas process ūdenī.Sajaukšanās pakāpi mēra ar ātruma gradientu:
kur G = ātruma gradients (sek-1), P = ievadītā jauda (W), V = ūdens tilpums (m3), μ = dinamiskā viskozitāte (Pa s).
Jo augstāka ir G vērtība, jo vairāk sajaukts.Rūpīga sajaukšana ir būtiska, lai nodrošinātu vienmērīgu koagulāciju.Literatūrā norādīts, ka svarīgākie projektēšanas parametri ir sajaukšanas laiks (t) un ātruma gradients (G).Flokulācijas procesa pamatā ir turbulence, lai atvieglotu sadursmes, kur turbulences/flokulācijas mērīšanai izmanto ātruma gradientu (G).Tipiskās projektētās vērtības G ir no 20 līdz 70 s–1, t ir no 15 līdz 30 minūtēm, un Gt (bez izmēra) ir no 104 līdz 105. Ātrās maisīšanas tvertnes vislabāk darbojas ar G vērtībām no 700 līdz 1000 ar ilgu laiku. apmēram 2 minūtes.
kur P ir jauda, ko šķidrumam piešķir katra flokulatora lāpstiņa, N ir griešanās ātrums, b ir lāpstiņas garums, ρ ir ūdens blīvums, r ir rādiuss un k ir slīdēšanas koeficients.Šis vienādojums tiek piemērots katram asmenim atsevišķi, un rezultāti tiek summēti, lai iegūtu flokulatora kopējo ievadīto jaudu.Rūpīga šī vienādojuma izpēte parāda slīdēšanas koeficienta k nozīmi lāpstiņas flokulatora projektēšanas procesā.Literatūrā nav norādīta precīza k vērtība, bet tā vietā ieteikts diapazons, kā minēts iepriekš.Tomēr saistība starp jaudu P un slīdes koeficientu k ir kubiskā.Tādējādi, ja visi parametri ir vienādi, piemēram, mainot k no 0,25 uz 0,3, šķidrumam pārvadītā jauda uz vienu asmeni samazināsies par aptuveni 20%, bet k samazināšana no 0,25 līdz 0,18 palielinās.par aptuveni 27-30% uz vienu lāpstiņu Šķidrumam piešķirtā jauda.Galu galā k ietekme uz ilgtspējīgu lāpstiņu flokulatora dizainu ir jāizpēta, veicot tehnisko kvantitatīvo noteikšanu.
Precīzai empīriskai slīdēšanas kvantitatīvai noteikšanai nepieciešama plūsmas vizualizācija un simulācija.Tāpēc ir svarīgi aprakstīt lāpstiņas tangenciālo ātrumu ūdenī pie noteikta rotācijas ātruma dažādos radiālos attālumos no vārpstas un dažādos dziļumos no ūdens virsmas, lai novērtētu dažādu lāpstiņu pozīciju ietekmi.
Šajā pētījumā flokulācijas hidrodinamika novērtēta, eksperimentāli un skaitliski izpētot turbulentās plūsmas ātruma lauku laboratorijas mēroga lāpstiņu flokulatorā.PIV mērījumi tiek reģistrēti uz flokulatora, veidojot laika vidējā ātruma kontūras, kas parāda ūdens daļiņu ātrumu ap lapām.Turklāt ANSYS-Fluent CFD tika izmantots, lai modelētu virpuļojošo plūsmu flokulatorā un izveidotu laika vidējā ātruma kontūras.Iegūtais CFD modelis tika apstiprināts, novērtējot atbilstību starp PIV un CFD rezultātiem.Šī darba uzmanības centrā ir slīdes koeficienta k kvantitatīva noteikšana, kas ir lāpstiņas flokulatora bezizmēra konstrukcijas parametrs.Šeit sniegtais darbs nodrošina jaunu pamatu slīdes koeficienta k kvantitatīvai noteikšanai pie maziem apgriezieniem 3 apgr./min un 4 apgr./min.Rezultātu ietekme tieši veicina labāku izpratni par flokulācijas tvertnes hidrodinamiku.
Laboratorijas flokulators sastāv no atvērtas augšdaļas taisnstūrveida kastes ar kopējo augstumu 147 cm, augstumu 39 cm, kopējo platumu 118 cm un kopējo garumu 138 cm (1. att.).Galvenie Camp49 izstrādātie dizaina kritēriji tika izmantoti, lai izstrādātu laboratorijas mēroga lāpstiņu flokulatoru un piemērotu izmēru analīzes principus.Eksperimentālā iekārta tika uzcelta Libānas Amerikas universitātes Vides inženierijas laboratorijā (Biblo, Libāna).
Horizontālā ass atrodas 60 cm augstumā no apakšas, un tajā ir ievietoti divi lāpstiņas riteņi.Katrs lāpstiņas ritenis sastāv no 4 lāpstiņām ar 3 lāpstiņām uz katras lāpstiņas, kopā 12 lāpstiņas.Flokulācija prasa maigu maisīšanu ar mazu ātrumu no 2 līdz 6 apgr./min.Visizplatītākie sajaukšanas ātrumi flokulatoros ir 3 apgr./min un 4 apgr./min.Laboratorijas mēroga flokulatora plūsma ir paredzēta, lai attēlotu plūsmu dzeramā ūdens attīrīšanas iekārtas flokulācijas tvertnes nodalījumā.Jauda tiek aprēķināta, izmantojot tradicionālo vienādojumu 42 .Abiem rotācijas ātrumiem ātruma gradients \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) ir lielāks par 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , Reinoldsa skaitlis norāda uz turbulentu plūsmu (1. tabula).
PIV izmanto, lai sasniegtu precīzus un kvantitatīvus šķidruma ātruma vektoru mērījumus vienlaikus ļoti lielā skaitā punktu50.Eksperimentālajā iestatījumā bija iekļauts laboratorijas mēroga lāpstiņu flokulators, LaVision PIV sistēma (2017) un Arduino ārējā lāzera sensora sprūda.Lai izveidotu laika vidējā ātruma profilus, PIV attēli tika ierakstīti secīgi tajā pašā vietā.PIV sistēma ir kalibrēta tā, lai mērķa apgabals atrastos katras trīs konkrētas lāpstiņas lāpstiņas garuma viduspunktā.Ārējais sprūda sastāv no lāzera, kas atrodas vienā flokulatora platuma pusē, un sensora uztvērēja otrā pusē.Katru reizi, kad flokulatora svira bloķē lāzera ceļu, PIV sistēmai tiek nosūtīts signāls, lai uzņemtu attēlu ar PIV lāzeru un kameru, kas sinhronizēta ar programmējamu laika bloku.Uz att.2 parāda PIV sistēmas uzstādīšanu un attēlu iegūšanas procesu.
PIV ierakstīšana tika sākta pēc tam, kad flokulators tika darbināts 5–10 minūtes, lai normalizētu plūsmu un ņemtu vērā to pašu refrakcijas indeksa lauku.Kalibrēšana tiek veikta, izmantojot kalibrēšanas plāksni, kas ir iegremdēta flokulatorā un novietota interesējošā asmeņa garuma viduspunktā.Pielāgojiet PIV lāzera pozīciju, lai izveidotu plakanu gaismas loksni tieši virs kalibrēšanas plāksnes.Pierakstiet izmērītās vērtības katram katra asmeņa rotācijas ātrumam, un eksperimentam izvēlētie griešanās ātrumi ir 3 apgr./min un 4 apgr./min.
Visiem PIV ierakstiem laika intervāls starp diviem lāzera impulsiem tika iestatīts diapazonā no 6900 līdz 7700 µs, kas ļāva minimālajai daļiņu pārvietošanai 5 pikseļi.Tika veikti izmēģinājuma testi ar attēlu skaitu, kas nepieciešams, lai iegūtu precīzus vidējos mērījumus laikā.Vektoru statistika tika salīdzināta paraugiem, kas satur 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 un 280 attēlus.Tika konstatēts, ka 240 attēlu izlases lielums sniedz stabilus vidējos rezultātus laikā, ņemot vērā, ka katrs attēls sastāv no diviem kadriem.
Tā kā plūsma flokulatorā ir turbulenta, ir nepieciešams neliels nopratināšanas logs un liels skaits daļiņu, lai atrisinātu nelielas turbulentas struktūras.Lai nodrošinātu precizitāti, tiek izmantotas vairākas izmēra samazināšanas iterācijas, kā arī savstarpējās korelācijas algoritms.Sākotnējam aptaujas loga izmēram 48 × 48 pikseļi ar 50% pārklāšanos un vienu adaptācijas procesu sekoja galīgais aptaujas loga izmērs 32 × 32 pikseļi ar 100% pārklāšanos un divi adaptācijas procesi.Turklāt kā sēklu daļiņas plūsmā tika izmantotas stikla dobas sfēras, kas ļāva iegūt vismaz 10 daļiņas katrā aptaujas logā.PIV ierakstīšanu aktivizē palaišanas avots programmējamā laika blokā (PTU), kas ir atbildīgs par lāzera avota un kameras darbību un sinhronizēšanu.
3D modeļa izstrādei un galveno plūsmas vienādojumu risināšanai tika izmantota komerciālā CFD pakotne ANSYS Fluent v 19.1.
Izmantojot ANSYS-Fluent, tika izveidots laboratorijas mēroga lāpstiņu flokulatora 3D modelis.Modelis ir izgatavots taisnstūra kastes formā, kas sastāv no diviem lāpstiņu riteņiem, kas uzstādīti uz horizontālas ass, tāpat kā laboratorijas modelis.Modelis bez brīvsāniem ir 108 cm augsts, 118 cm plats un 138 cm garš.Ap maisītāju ir pievienota horizontāla cilindriska plakne.Cilindriskās plaknes ģenerēšanai ir jāīsteno visa maisītāja rotācija uzstādīšanas posmā un jāmodelē rotējošais plūsmas lauks flokulatora iekšpusē, kā parādīts 3.a attēlā.
3D ANSYS plūsmas un modeļa ģeometrijas diagramma, ANSYS plūstoša flokulatora korpusa siets interesējošā plaknē, ANSYS plūsmas diagramma interesējošā plaknē.
Modeļa ģeometrija sastāv no diviem reģioniem, no kuriem katrs ir šķidrums.Tas tiek panākts, izmantojot loģiskās atņemšanas funkciju.Vispirms no kastes atņemiet cilindru (ieskaitot maisītāju), lai attēlotu šķidrumu.Pēc tam no cilindra atņemiet maisītāju, iegūstot divus objektus: maisītāju un šķidrumu.Visbeidzot, starp abām zonām tika izmantota bīdāmā saskarne: cilindra-cilindra saskarne un cilindra-maisītāja saskarne (3.a attēls).
Konstruēto modeļu savienošana ir pabeigta, lai atbilstu turbulences modeļu prasībām, kas tiks izmantoti skaitlisko simulāciju veikšanai.Tika izmantota nestrukturēta sieta ar paplašinātiem slāņiem cietās virsmas tuvumā.Izveidojiet izplešanās slāņus visām sienām ar augšanas ātrumu 1,2, lai nodrošinātu sarežģītu plūsmas modeļu uztveršanu, ar pirmā slāņa biezumu \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m, lai nodrošinātu, ka \ ( {\teksts {y))^{+}\le 1.0\).Korpusa izmērs tiek pielāgots, izmantojot tetraedra pielāgošanas metodi.Tiek izveidots divu saskarņu priekšpuses izmērs ar elementa izmēru 2,5 × \({10}^{-3}\) m un miksera priekšpuses izmērs ir 9 × \({10}^{-3}\ ) m tiek piemērots.Sākotnēji ģenerētais tīkls sastāvēja no 2144409 elementiem (3.b att.).
Par sākotnējo bāzes modeli tika izvēlēts divu parametru k-ε turbulences modelis.Lai precīzi modelētu virpuļojošo plūsmu flokulatora iekšpusē, tika izvēlēts skaitļošanas ziņā dārgāks modelis.Turbulentā virpuļplūsma flokulatora iekšpusē tika skaitliski pētīta, izmantojot divus CFD modeļus: SST k – ω51 un IDDES52.Abu modeļu rezultāti tika salīdzināti ar eksperimentālajiem PIV rezultātiem, lai apstiprinātu modeļus.Pirmkārt, SST k-ω turbulences modelis ir divu vienādojumu turbulentās viskozitātes modelis šķidruma dinamikas lietojumiem.Šis ir hibrīda modelis, kas apvieno Wilcox k-ω un k-ε modeļus.Sajaukšanas funkcija aktivizē Wilcox modeli pie sienas un k-ε modeli pretimnākošajā plūsmā.Tas nodrošina, ka visā plūsmas laukā tiek izmantots pareizais modelis.Tas precīzi prognozē plūsmas atdalīšanu nelabvēlīgu spiediena gradientu dēļ.Otrkārt, tika izvēlēta Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) metode, ko plaši izmanto Individuālās virpuļu simulācijas (DES) modelī ar SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) modeli.IDDES ir hibrīds RANS-LES (lielo virpuļu simulācijas) modelis, kas nodrošina elastīgāku un lietotājam draudzīgāku izšķirtspējas mērogošanas (SRS) simulācijas modeli.Tas ir balstīts uz LES modeli, lai atrisinātu lielus virpuļus, un atgriežas pie SST k-ω, lai simulētu maza mēroga virpuļus.SST k–ω un IDDES simulāciju rezultātu statistiskā analīze tika salīdzināta ar PIV rezultātiem, lai apstiprinātu modeli.
Par sākotnējo bāzes modeli tika izvēlēts divu parametru k-ε turbulences modelis.Lai precīzi modelētu virpuļojošo plūsmu flokulatora iekšpusē, tika izvēlēts skaitļošanas ziņā dārgāks modelis.Turbulentā virpuļplūsma flokulatora iekšpusē tika skaitliski pētīta, izmantojot divus CFD modeļus: SST k – ω51 un IDDES52.Abu modeļu rezultāti tika salīdzināti ar eksperimentālajiem PIV rezultātiem, lai apstiprinātu modeļus.Pirmkārt, SST k-ω turbulences modelis ir divu vienādojumu turbulentās viskozitātes modelis šķidruma dinamikas lietojumiem.Šis ir hibrīda modelis, kas apvieno Wilcox k-ω un k-ε modeļus.Sajaukšanas funkcija aktivizē Wilcox modeli pie sienas un k-ε modeli pretimnākošajā plūsmā.Tas nodrošina, ka visā plūsmas laukā tiek izmantots pareizais modelis.Tas precīzi prognozē plūsmas atdalīšanu nelabvēlīgu spiediena gradientu dēļ.Otrkārt, tika izvēlēta Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) metode, ko plaši izmanto Individuālās virpuļu simulācijas (DES) modelī ar SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) modeli.IDDES ir hibrīds RANS-LES (lielo virpuļu simulācijas) modelis, kas nodrošina elastīgāku un lietotājam draudzīgāku izšķirtspējas mērogošanas (SRS) simulācijas modeli.Tas ir balstīts uz LES modeli, lai atrisinātu lielus virpuļus, un atgriežas pie SST k-ω, lai simulētu maza mēroga virpuļus.SST k–ω un IDDES simulāciju rezultātu statistiskā analīze tika salīdzināta ar PIV rezultātiem, lai apstiprinātu modeli.
Izmantojiet uz spiedienu balstītu pārejas šķīdinātāju un izmantojiet gravitāciju Y virzienā.Rotācija tiek panākta, piešķirot maisītājam acu kustību, kur rotācijas ass sākumpunkts atrodas horizontālās ass centrā un rotācijas ass virziens ir Z virzienā.Abām modeļa ģeometrijas saskarnēm tiek izveidots tīkla interfeiss, kā rezultātā tiek izveidotas divas ierobežojošās lodziņa malas.Tāpat kā eksperimentālajā tehnikā, rotācijas ātrums atbilst 3 un 4 apgriezieniem.
Robežnosacījumus maisītāja un flokulatora sienām noteica siena, un flokulatora augšējo atveri noteica izeja ar nulles manometrisko spiedienu (3.c att.).VIENKĀRŠA spiediena-ātruma komunikācijas shēma, otrās kārtas funkciju gradienta telpas diskretizācija ar visiem parametriem, pamatojoties uz mazāko kvadrātu elementiem.Visu plūsmas mainīgo konverģences kritērijs ir mērogots atlikums 1 x \({10}^{-3}\).Maksimālais iterāciju skaits vienā laika posmā ir 20, un laika soļa lielums atbilst rotācijai par 0,5°.Risinājums konverģē 8. iterācijā SST k–ω modelim un 12. iterācijā, izmantojot IDDES.Turklāt laika soļu skaits tika aprēķināts tā, lai maisītājs veiktu vismaz 12 apgriezienus.Lietojiet datu paraugu ņemšanu laika statistikai pēc 3 apgriezieniem, kas ļauj normalizēt plūsmu, līdzīgi kā eksperimentālajā procedūrā.Salīdzinot ātruma cilpu izvadi katram apgriezienam, tiek iegūti tieši tādi paši rezultāti pēdējiem četriem apgriezieniem, kas norāda, ka ir sasniegts līdzsvara stāvoklis.Papildu apgriezieni neuzlaboja vidēja ātruma kontūras.
Laika soli nosaka attiecībā pret griešanās ātrumu, 3 apgr./min. vai 4 apgr./min.Laika posms tiek precizēts līdz laikam, kas nepieciešams maisītāja pagriešanai par 0,5°.Tas izrādās pietiekami, jo risinājums viegli saplūst, kā aprakstīts iepriekšējā sadaļā.Tādējādi visi skaitliskie aprēķini abiem turbulences modeļiem tika veikti, izmantojot modificētu laika soli 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) 3 apgr./min, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 apgr./min.Konkrētajā precizēšanas laika posmā šūnas Courant numurs vienmēr ir mazāks par 1,0.
Lai izpētītu modeļa acs atkarību, rezultāti vispirms tika iegūti, izmantojot sākotnējo 2,14M sietu un pēc tam rafinēto 2,88M sietu.Režģa pilnveidošana tiek panākta, samazinot maisītāja korpusa šūnas izmēru no 9 × \({10}^{-3}\) m līdz 7 × \({10}^{-3}\) m.Abu modeļu turbulences oriģinālajām un izsmalcinātajām acīm tika salīdzinātas ātruma moduļu vidējās vērtības dažādās vietās ap asmeni.Procentuālā atšķirība starp rezultātiem ir 1,73% SST k–ω modelim un 3,51% IDDES modelim.IDDES parāda lielāku procentuālo atšķirību, jo tas ir hibrīds RANS-LES modelis.Šīs atšķirības tika uzskatītas par nenozīmīgām, tāpēc simulācija tika veikta, izmantojot sākotnējo sietu ar 2, 14 miljoniem elementu un griešanās laika soli 0, 5 °.
Eksperimenta rezultātu reproducējamība tika pārbaudīta, katru no sešiem eksperimentiem veicot otro reizi un salīdzinot rezultātus.Salīdziniet ātruma vērtības lāpstiņas centrā divās eksperimentu sērijās.Vidējā procentuālā atšķirība starp abām eksperimentālajām grupām bija 3,1%.Katram eksperimentam PIV sistēma tika arī neatkarīgi atkārtoti kalibrēta.Salīdziniet analītiski aprēķināto ātrumu katra asmens centrā ar PIV ātrumu tajā pašā vietā.Šis salīdzinājums parāda atšķirību ar maksimālo procentuālo kļūdu 6,5% asmenim 1.
Pirms slīdēšanas koeficienta kvantitatīvās noteikšanas ir nepieciešams zinātniski izprast slīdēšanas jēdzienu lāpstiņu flokulatorā, kas prasa izpētīt plūsmas struktūru ap flokulatora lāpstiņām.Konceptuāli slīdēšanas koeficients ir iebūvēts lāpstiņu flokulatoru konstrukcijā, lai ņemtu vērā lāpstiņu ātrumu attiecībā pret ūdeni.Literatūrā ir ieteikts, ka šis ātrums ir 75% no asmens ātruma, tāpēc vairums dizainparaugu parasti izmanto ak no 0,25, lai ņemtu vērā šo korekciju.Lai pilnībā izprastu plūsmas ātruma lauku un izpētītu šo slīdēšanu, ir jāizmanto ātruma plūsmas līnijas, kas iegūtas no PIV eksperimentiem.1. asmens ir visdziļākais asmens, kas atrodas vistuvāk vārpstai, 3. asmens ir visattālākais asmens, un 2. asmens ir vidējais asmens.
Ātruma plūdlīnijas uz asmens 1 parāda tiešu rotējošu plūsmu ap asmeni.Šie plūsmas modeļi rodas no punkta, kas atrodas lāpstiņas labajā pusē, starp rotoru un lāpstiņu.Aplūkojot apgabalu, kas norādīts ar sarkanu punktētu lodziņu 4.a attēlā, ir interesanti noteikt citu recirkulācijas plūsmas aspektu virs un ap asmeni.Plūsmas vizualizācija parāda nelielu plūsmu recirkulācijas zonā.Šī plūsma tuvojas no lāpstiņas labās puses aptuveni 6 cm augstumā no lāpstiņas gala, iespējams, attēlā redzamā rokas pirmā asmens, kas atrodas pirms asmens, ietekmes.Plūsmas vizualizācija pie 4 apgr./min parāda tādu pašu uzvedību un struktūru, acīmredzot ar lielāku ātrumu.
Trīs lāpstiņu ātruma lauka un strāvas grafiki pie diviem rotācijas ātrumiem 3 apgr./min. un 4 apgr./min.Trīs lāpstiņu maksimālais vidējais ātrums pie 3 apgr./min ir attiecīgi 0,15 m/s, 0,20 m/s un 0,16 m/s, un maksimālais vidējais ātrums pie 4 apgr./min ir 0,15 m/s, 0,22 m/s un 0,22 m/s s, attiecīgi.uz trim loksnēm.
Starp 1. un 2. lāpstiņu tika atrasta cita spirālveida plūsmas forma. Vektora lauks skaidri parāda, ka ūdens plūsma virzās uz augšu no 2. lāpstiņas apakšas, kā to norāda vektora virziens.Kā parādīts punktotajā lodziņā 4.b attēlā, šie vektori nevirzās vertikāli uz augšu no lāpstiņas virsmas, bet griežas pa labi un pakāpeniski nolaižas.Uz lāpstiņas 1 virsmas ir izdalīti lejupejoši vektori, kas tuvojas abiem lāpstiņām un ieskauj tos no starp tiem izveidotās recirkulācijas plūsmas.Viena un tā pati plūsmas struktūra tika noteikta pie abiem rotācijas ātrumiem ar lielāku ātruma amplitūdu 4 apgr./min.
3. lāpstiņas ātruma lauks nedod būtisku ieguldījumu no iepriekšējās lāpstiņas ātruma vektora, kas savieno plūsmu zem lāpstiņas 3. Galvenā plūsma zem lāpstiņas 3 ir saistīta ar vertikālā ātruma vektoru, kas paceļas līdz ar ūdeni.
Ātruma vektorus virs lāpstiņas 3 virsmas var iedalīt trīs grupās, kā parādīts 4.c attēlā.Pirmais komplekts ir tas, kas atrodas asmens labajā malā.Plūsmas struktūra šajā pozīcijā ir taisna pa labi un uz augšu (ti, virzienā uz lāpstiņu 2).Otrā grupa ir asmens vidusdaļa.Šīs pozīcijas ātruma vektors ir vērsts taisni uz augšu, bez novirzēm un bez rotācijas.Ātruma vērtības samazināšanās tika noteikta, palielinoties augstumam virs asmens gala.Trešajai grupai, kas atrodas lāpstiņu kreisajā perifērijā, plūsma nekavējoties tiek virzīta pa kreisi, ti, uz flokulatora sienu.Lielākā daļa plūsmas, ko attēlo ātruma vektors, iet uz augšu, un daļa plūsmas iet horizontāli uz leju.
Divi turbulences modeļi, SST k – ω un IDDES, tika izmantoti, lai izveidotu laika vidējā ātruma profilus 3 apgr./min un 4 apgr./min lāpstiņas vidējā garuma plaknē.Kā parādīts 5. attēlā, līdzsvara stāvoklis tiek sasniegts, panākot absolūtu līdzību starp ātruma kontūrām, ko rada četras secīgas rotācijas.Turklāt IDDES ģenerētās laika vidējā ātruma kontūras ir parādītas 6.a attēlā, bet vidējā laika ātruma profili, ko ģenerē SST k – ω, ir parādīti 6.a attēlā.6b.
Izmantojot IDDES un laika vidējā ātruma cilpas, ko ģenerē SST k–ω, IDDES ir lielāks ātruma cilpu īpatsvars.
Uzmanīgi pārbaudiet ātruma profilu, kas izveidots ar IDDES pie 3 apgr./min, kā parādīts 7. attēlā. Mikseris griežas pulksteņrādītāja virzienā, un plūsma tiek apspriesta saskaņā ar parādītajām piezīmēm.
Uz att.7 ir redzams, ka uz lāpstiņas 3 virsmas I kvadrantā ir plūsmas atdalīšana, jo plūsma nav ierobežota augšējā cauruma klātbūtnes dēļ.II kvadrantā plūsmas atdalīšanās nav novērota, jo plūsmu pilnībā ierobežo flokulatora sienas.III kvadrantā ūdens griežas ar daudz mazāku vai mazāku ātrumu nekā iepriekšējos kvadrantos.Ūdens I un II kvadrantā tiek pārvietots (ti, pagriezts vai izstumts) uz leju, iedarbojoties ar maisītāju.Un III kvadrantā ūdens tiek izspiests ar maisītāja lāpstiņām.Ir acīmredzams, ka ūdens masa šajā vietā pretojas flokulatora uzmavai, kas tuvojas.Rotācijas plūsma šajā kvadrantā ir pilnībā atdalīta.IV kvadrantā lielākā daļa gaisa plūsmas virs lāpstiņas 3 ir vērsta uz flokulatora sienu un pakāpeniski zaudē savu izmēru, palielinoties augstumam līdz augšējai atverei.
Turklāt centrālā atrašanās vieta ietver sarežģītus plūsmas modeļus, kas dominē III un IV kvadrantā, kā parādīts zilās punktētās elipsēs.Šim iezīmētajam laukumam nav nekāda sakara ar virpuļojošo plūsmu lāpstiņas flokulatorā, jo var identificēt virpuļojošo kustību.Tas ir pretstatā I un II kvadrantam, kur ir skaidra atdalīšana starp iekšējo plūsmu un pilnu rotācijas plūsmu.
Kā parādīts attēlā.6, salīdzinot IDDES un SST k-ω rezultātus, galvenā atšķirība starp ātruma kontūrām ir ātruma lielums tieši zem lāpstiņas 3. SST k-ω modelis skaidri parāda, ka paplašinātu liela ātruma plūsmu nes lāpstiņa 3 salīdzinot ar IDDES.
Vēl viena atšķirība ir atrodama III kvadrantā.No IDDES, kā minēts iepriekš, tika atzīmēta rotācijas plūsmas atdalīšana starp flokulatora svirām.Tomēr šo pozīciju spēcīgi ietekmē zemā ātruma plūsma no pirmā asmens stūriem un iekšpuses.No SST k – ω vienai un tai pašai vietai kontūrlīnijas parāda salīdzinoši lielākus ātrumus salīdzinājumā ar IDDES, jo nav saplūstošas plūsmas no citiem reģioniem.
Lai pareizi izprastu plūsmas uzvedību un struktūru, ir nepieciešama kvalitatīva izpratne par ātruma vektora laukiem un straumes līnijām.Ņemot vērā, ka katrs asmens ir 5 cm plats, visā platumā tika izvēlēti septiņi ātruma punkti, lai nodrošinātu reprezentatīvu ātruma profilu.Turklāt ir nepieciešama kvantitatīvā izpratne par ātruma lielumu kā augstuma funkciju virs asmens virsmas, attēlojot ātruma profilu tieši virs katras lāpstiņas virsmas un nepārtrauktā 2,5 cm attālumā vertikāli līdz 10 cm augstumam.Papildinformāciju skatiet attēlā S1, S2 un S3.Pielikums A. 8. attēlā parādīta katra lāpstiņas virsmas ātruma sadalījuma līdzība (Y = 0,0), kas iegūta, izmantojot PIV eksperimentus un ANSYS-Fluent analīzi, izmantojot IDDES un SST k-ω.Abi skaitliskie modeļi ļauj precīzi simulēt plūsmas struktūru uz flokulatora lāpstiņu virsmas.
Ātruma sadalījums PIV, IDDES un SST k–ω uz asmens virsmas.X ass apzīmē katras loksnes platumu milimetros, sākotne (0 mm) apzīmē lapas kreiso malu un beigas (50 mm) apzīmē lapas labo malu.
Ir skaidri redzams, ka lāpstiņu 2 un 3 ātruma sadalījumi ir parādīti 8. un 8. attēlā.S2 un S3 A pielikumā uzrāda līdzīgas tendences ar augstumu, savukārt asmens 1 mainās neatkarīgi.2. un 3. asmeņu ātruma profili kļūst pilnīgi taisni un tiem ir vienāda amplitūda 10 cm augstumā no asmens gala.Tas nozīmē, ka šajā brīdī plūsma kļūst vienmērīga.Tas ir skaidri redzams no PIV rezultātiem, kurus IDDES labi atveido.Tikmēr SST k – ω rezultāti parāda dažas atšķirības, īpaši pie 4 apgr./min.
Ir svarīgi atzīmēt, ka lāpstiņa 1 saglabā vienādu ātruma profila formu visās pozīcijās un nav normalizēta augstumā, jo maisītāja centrā izveidotais virpulis satur visu roku pirmo lāpstiņu.Turklāt, salīdzinot ar IDDES, PIV asmens ātruma profili 2 un 3 uzrādīja nedaudz lielākas ātruma vērtības lielākajā daļā vietu, līdz tās bija gandrīz vienādas 10 cm virs asmens virsmas.
Publicēšanas laiks: 27. decembris 2022