Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju pretraživača sa ograničenom podrškom za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite dugmad Prethodno i Sljedeće da se krećete kroz tri slajda odjednom ili koristite dugmad klizača na kraju da se krećete kroz tri slajda odjednom.
U ovoj studiji, hidrodinamika flokulacije je procijenjena eksperimentalnim i numeričkim ispitivanjem polja brzine turbulentnog strujanja u lopatičnom flokulatoru laboratorijske skale.Turbulentno strujanje koje potiče agregaciju čestica ili razbijanje floka je složeno i razmatra se i upoređuje u ovom radu koristeći dva modela turbulencije, odnosno SST k-ω i IDDES.Rezultati pokazuju da IDDES pruža vrlo malo poboljšanje u odnosu na SST k-ω, što je dovoljno za preciznu simulaciju protoka unutar lopatičnog flokulatora.Skor odgovaranja se koristi za istraživanje konvergencije PIV i CFD rezultata i za poređenje rezultata korištenog CFD modela turbulencije.Studija se takođe fokusira na kvantifikaciju faktora klizanja k, koji iznosi 0,18 pri malim brzinama od 3 i 4 o/min u poređenju sa uobičajenom tipičnom vrednošću od 0,25.Smanjenje k sa 0,25 na 0,18 povećava snagu koja se isporučuje fluidu za oko 27-30% i povećava gradijent brzine (G) za oko 14%.To znači da se postiže intenzivnije miješanje od očekivanog, samim tim se troši manje energije, a samim tim i potrošnja energije u jedinici za flokulaciju uređaja za prečišćavanje vode za piće može biti manja.
U prečišćavanju vode, dodavanje koagulanata destabilizuje male koloidne čestice i nečistoće, koje se zatim kombinuju i formiraju flokulaciju u fazi flokulacije.Pahuljice su labavo vezani fraktalni agregati mase, koji se zatim uklanjaju taloženjem.Svojstva čestica i uslovi mešanja tečnosti određuju efikasnost procesa flokulacije i tretmana.Flokulacija zahtijeva sporo miješanje u relativno kratkom vremenskom periodu i puno energije za miješanje velikih količina vode1.
Tokom flokulacije, hidrodinamika cijelog sistema i hemija interakcije koagulanta i čestica određuju brzinu kojom se postiže stacionarna raspodjela veličine čestica2.Prilikom sudara čestice se lijepe jedna za drugu3.Oyegbile, Ay4 je izvijestio da kolizije zavise od mehanizama prijenosa flokulacije Brownove difuzije, smicanja fluida i diferencijalnog taloženja.Kada se pahuljice sudaraju, rastu i dostižu određenu granicu veličine, što može dovesti do lomljenja, jer pahuljice ne mogu izdržati silu hidrodinamičkih sila5.Neke od ovih slomljenih pahuljica rekombinuju se u manje ili iste veličine6.Međutim, jake pahuljice mogu odoljeti ovoj sili i zadržati svoju veličinu, pa čak i rasti7.Yukselen i Gregory8 su izvijestili o studijama koje se odnose na uništavanje pahuljica i njihovu sposobnost regeneracije, pokazujući da je ireverzibilnost ograničena.Bridgeman, Jefferson9 koristili su CFD za procjenu lokalnog utjecaja srednjeg protoka i turbulencije na formiranje i fragmentaciju floka kroz lokalne gradijente brzine.U rezervoarima opremljenim lopaticama rotora, potrebno je mijenjati brzinu kojom se agregati sudaraju s drugim česticama kada su dovoljno destabilizirani u fazi koagulacije.Korištenjem CFD-a i nižim brzinama rotacije od oko 15 o/min, Vadasarukkai i Gagnon11 su uspjeli postići G vrijednosti za flokulaciju sa konusnim lopaticama, čime su minimizirali potrošnju energije za miješanje.Međutim, rad na višim G vrijednostima može dovesti do flokulacije.Oni su istraživali učinak brzine miješanja na određivanje srednjeg gradijenta brzine pilot flokulatora s lopaticama.Okreću se brzinom većom od 5 o/min.
Korpijärvi, Ahlstedt12 je koristio četiri različita modela turbulencije za proučavanje polja strujanja na ispitnom stolu za rezervoar.Izmjerili su polje protoka laserskim dopler anemometrom i PIV-om i uporedili izračunate rezultate sa izmjerenim rezultatima.de Oliveira i Donadel13 su predložili alternativnu metodu za procjenu gradijenata brzine iz hidrodinamičkih svojstava koristeći CFD.Predložena metoda je testirana na šest flokulacijskih jedinica zasnovanih na spiralnoj geometriji.procijenio je učinak vremena zadržavanja na flokulanse i predložio model flokulacije koji se može koristiti kao alat za podršku racionalnom dizajnu ćelija s malim vremenima zadržavanja14.Zhan, You15 je predložio kombinovani CFD i model ravnoteže populacije za simulaciju karakteristika protoka i ponašanja flokulacije u punoj flokulaciji.Llano-Serna, Coral-Portillo16 je istraživao karakteristike protoka hidroflokulatora tipa Cox u postrojenju za prečišćavanje vode u Viterbu, Kolumbija.Iako CFD ima svoje prednosti, postoje i ograničenja kao što su numeričke greške u proračunima.Stoga sve dobijene numeričke rezultate treba pažljivo ispitati i analizirati kako bi se izvukli kritični zaključci17.U literaturi postoji nekoliko studija o dizajnu horizontalnih pregradnih flokulatora, dok su preporuke za dizajn hidrodinamičkih flokulatora ograničene18.Chen, Liao19 koristio je eksperimentalnu postavku zasnovanu na raspršenju polarizirane svjetlosti za mjerenje stanja polarizacije raspršene svjetlosti od pojedinačnih čestica.Feng, Zhang20 je koristio Ansys-Fluent da simulira distribuciju vrtložnih struja i vrtloga u polju protoka koagulisanog pločastog flokulatora i međukorugovanog flokulatora.Nakon simulacije turbulentnog protoka fluida u flokulatoru koristeći Ansys-Fluent, Gavi21 je koristio rezultate za dizajniranje flokulatora.Vaneli i Teixeira22 su izvijestili da je veza između dinamike fluida flokulatora sa spiralnom cijevi i procesa flokulacije još uvijek slabo shvaćena da podržava racionalni dizajn.de Oliveira i Costa Teixeira23 proučavali su efikasnost i demonstrirali hidrodinamička svojstva flokulatora sa spiralnom cijevi kroz fizičke eksperimente i CFD simulacije.Mnogi istraživači su proučavali reaktore sa namotanim cijevima ili flokulatore sa spiralnom cijevi.Međutim, još uvijek nedostaju detaljne hidrodinamičke informacije o reakciji ovih reaktora na različite dizajne i radne uvjete (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira i Teixeira26 predstavljaju originalne rezultate iz teorijskih, eksperimentalnih i CFD simulacija spiralnog flokulatora.Oliveira i Teixeira27 predložili su korištenje spiralnog namotaja kao reaktora za koagulaciju-flokulaciju u kombinaciji sa konvencionalnim sistemom dekante.Oni navode da se rezultati dobijeni za efikasnost uklanjanja zamućenosti značajno razlikuju od onih dobijenih sa uobičajeno korišćenim modelima za procenu flokulacije, što ukazuje na oprez pri upotrebi takvih modela.Moruzzi i de Oliveira [28] su modelirali ponašanje sistema kontinuiranih flokulacijskih komora u različitim radnim uvjetima, uključujući varijacije u broju korištenih komora i korištenje fiksnih ili skaliranih gradijenata brzine ćelije.Romphophak, Le Men29 PIV mjerenja trenutnih brzina u kvazi-dvodimenzionalnim mlaznim čistačima.Pronašli su jaku cirkulaciju izazvanu mlazom u zoni flokulacije i procijenili lokalne i trenutne brzine smicanja.
Shah, Joshi30 izvještava da CFD nudi zanimljivu alternativu za poboljšanje dizajna i dobijanje virtualnih karakteristika protoka.Ovo pomaže da se izbjegnu opsežna eksperimentalna podešavanja.CFD se sve više koristi za analizu postrojenja za prečišćavanje vode i otpadnih voda (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Nekoliko istraživača je izvršilo eksperimente na opremi za testiranje limenki (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) i perforiranim disk flokulatorima31.Drugi su koristili CFD za procjenu hidroflokulatora (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 je izvijestio da mehanički flokulatori zahtijevaju redovno održavanje jer se često kvare i zahtijevaju puno struje.
Performanse flokulatora s lopaticama u velikoj mjeri zavise od hidrodinamike rezervoara.Nedostatak kvantitativnog razumijevanja polja brzine protoka u takvim flokulatorima jasno je uočen u literaturi (Howe, Hand38; Hendricks39).Cijela vodena masa je podložna kretanju rotora flokulatora, pa se očekuje proklizavanje.Tipično, brzina fluida je manja od brzine lopatice za faktor klizanja k, koji je definiran kao omjer brzine vodenog tijela i brzine lopatice.Bhole40 je izvijestio da postoje tri nepoznata faktora koja treba uzeti u obzir pri dizajniranju flokulatora, a to su gradijent brzine, koeficijent otpora i relativna brzina vode u odnosu na oštricu.
Camp41 izvještava da kada se razmatraju mašine velike brzine, brzina je oko 24% brzine rotora i čak 32% za mašine male brzine.U odsustvu septa, Droste i Ger42 su koristili ak vrijednost od 0,25, dok se u slučaju septa k kretao od 0 do 0,15.Kako, Hand38 sugerira da je k u rasponu od 0,2 do 0,3.Hendrix39 je povezao faktor klizanja sa brzinom rotacije koristeći empirijsku formulu i zaključio da je faktor klizanja također unutar raspona koji je ustanovio Camp41.Bratby43 je izvestio da je k oko 0,2 za brzine rotora od 1,8 do 5,4 o/min i da se povećava na 0,35 za brzine impelera od 0,9 do 3 o/min.Drugi istraživači navode širok raspon vrijednosti koeficijenta otpora (Cd) od 1,0 do 1,8 i koeficijenta klizanja k vrijednosti od 0,25 do 0,40 (Feir i Geyer44; Hyde i Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; i Bratby i Marais48 ).Literatura ne pokazuje značajan napredak u definisanju i kvantifikaciji k od rada Camp41.
Proces flokulacije se zasniva na turbulenciji radi olakšavanja sudara, pri čemu se gradijent brzine (G) koristi za mjerenje turbulencije/flokulacije.Miješanje je proces brzog i ravnomjernog raspršivanja hemikalija u vodi.Stepen miješanja se mjeri gradijentom brzine:
gdje je G = gradijent brzine (sec-1), P = ulazna snaga (W), V = zapremina vode (m3), μ = dinamički viskozitet (Pa s).
Što je G vrijednost veća, to je više mješovita.Temeljno miješanje je neophodno kako bi se osigurala ujednačena koagulacija.Literatura pokazuje da su najvažniji projektni parametri vrijeme miješanja (t) i gradijent brzine (G).Proces flokulacije se zasniva na turbulenciji radi olakšavanja sudara, pri čemu se gradijent brzine (G) koristi za mjerenje turbulencije/flokulacije.Tipične projektne vrijednosti za G su 20 do 70 s–1, t je 15 do 30 minuta, a Gt (bez dimenzija) je 104 do 105. Rezervoari za brzo miješanje najbolje rade s G vrijednostima od 700 do 1000, uz zadržavanje vremena oko 2 minute.
gdje je P snaga koju tečnosti prenosi svaka lopatica flokulatora, N je brzina rotacije, b je dužina lopatice, ρ je gustina vode, r je polumjer, a k je koeficijent klizanja.Ova jednačina se primjenjuje na svaku lopaticu pojedinačno i rezultati se zbrajaju kako bi se dobila ukupna ulazna snaga flokulatora.Pažljivo proučavanje ove jednačine pokazuje važnost faktora klizanja k u procesu projektovanja flokulatora sa lopaticama.Literatura ne navodi tačnu vrijednost k, već umjesto toga preporučuje raspon kao što je prethodno navedeno.Međutim, odnos između snage P i koeficijenta klizanja k je kubičan.Dakle, pod uvjetom da su svi parametri isti, na primjer, promjena k sa 0,25 na 0,3 će dovesti do smanjenja snage koja se prenosi na tekućinu po lopatici za oko 20%, a smanjenje k sa 0,25 na 0,18 će je povećati.za oko 27-30% po lopatici Snaga koja se prenosi fluidu.Na kraju, efekat k na održivi dizajn flokulatora sa lopaticama treba da se istraži kroz tehničku kvantifikaciju.
Precizna empirijska kvantifikacija klizanja zahtijeva vizualizaciju toka i simulaciju.Stoga je važno opisati tangencijalnu brzinu lopatice u vodi pri određenoj brzini rotacije na različitim radijalnim udaljenostima od osovine i na različitim dubinama od vodene površine kako bi se procijenio učinak različitih položaja noža.
U ovoj studiji, hidrodinamika flokulacije je procijenjena eksperimentalnim i numeričkim ispitivanjem polja brzine turbulentnog strujanja u lopatičnom flokulatoru laboratorijske skale.PIV mjerenja se bilježe na flokulatoru, stvarajući vremenski prosječne konture brzine koje pokazuju brzinu čestica vode oko listova.Dodatno, ANSYS-Fluent CFD je korišten za simulaciju vrtložnog toka unutar flokulatora i kreiranje vremenski prosječnih kontura brzine.Rezultirajući CFD model je potvrđen procjenom korespondencije između PIV i CFD rezultata.Fokus ovog rada je na kvantificiranju koeficijenta klizanja k, koji je bezdimenzionalni projektni parametar flokulatora s lopaticama.Rad predstavljen ovdje pruža novu osnovu za kvantifikaciju koeficijenta klizanja k pri malim brzinama od 3 o/min i 4 o/min.Implikacije rezultata direktno doprinose boljem razumijevanju hidrodinamike rezervoara za flokulaciju.
Laboratorijski flokulator se sastoji od otvorene pravokutne kutije ukupne visine 147 cm, visine 39 cm, ukupne širine 118 cm i ukupne dužine 138 cm (Sl. 1).Glavni kriteriji dizajna koje je razvio Camp49 korišteni su za dizajniranje laboratorijskog flokulatora s lopaticama i primjenu principa dimenzionalne analize.Eksperimentalni objekat je izgrađen u Laboratoriji za inženjerstvo životne sredine Libano-američkog univerziteta (Byblos, Liban).
Horizontalna os je smještena na visini od 60 cm od dna i na nju su postavljena dva lopatica.Svaki kotač sa lopaticama sastoji se od 4 lopatice sa 3 lopatice na svakoj lopatici za ukupno 12 vesla.Flokulacija zahtijeva lagano miješanje pri maloj brzini od 2 do 6 o/min.Najčešće brzine miješanja u flokulatorima su 3 o/min i 4 o/min.Protok flokulatora laboratorijske skale je dizajniran da predstavlja protok u odjeljku spremnika za flokulaciju postrojenja za prečišćavanje vode za piće.Snaga se izračunava pomoću tradicionalne jednadžbe 42 .Za obje brzine rotacije, gradijent brzine \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) je veći od 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , Reynoldsov broj označava turbulentno strujanje (tabela 1).
PIV se koristi za postizanje tačnih i kvantitativnih mjerenja vektora brzine fluida istovremeno u vrlo velikom broju tačaka50.Eksperimentalna postavka uključivala je laboratorijski flokulator s lopaticama, LaVision PIV sistem (2017) i Arduino vanjski laserski senzor okidača.Za kreiranje vremenskih prosječnih profila brzine, PIV slike su snimane uzastopno na istoj lokaciji.PIV sistem je kalibriran tako da je ciljna oblast na sredini dužine svake od tri lopatice određene ruke vesla.Vanjski okidač se sastoji od lasera koji se nalazi na jednoj strani širine flokulatora i senzorskog prijemnika s druge strane.Svaki put kada ruka flokulatora blokira putanju lasera, signal se šalje PIV sistemu za snimanje slike sa PIV laserom i kamerom sinhronizovanom sa programibilnom jedinicom za mjerenje vremena.Na sl.2 prikazuje instalaciju PIV sistema i proces akvizicije slike.
Snimanje PIV-a je započeto nakon što je flokulator radio 5-10 minuta kako bi se normalizirao protok i uzeo u obzir isto polje indeksa prelamanja.Kalibracija se postiže upotrebom kalibracione ploče koja je uronjena u flokulator i postavljena na sredinu dužine oštrice koja nas zanima.Podesite položaj PIV lasera kako biste formirali ravan svetlosni list direktno iznad kalibracione ploče.Zabilježite izmjerene vrijednosti za svaku brzinu rotacije svake oštrice, a brzine rotacije odabrane za eksperiment su 3 o/min i 4 o/min.
Za sva PIV snimanja, vremenski interval između dva laserska impulsa bio je postavljen u rasponu od 6900 do 7700 µs, što je omogućilo minimalni pomak čestica od 5 piksela.Pilot testovi su sprovedeni na broju slika potrebnih za dobijanje tačnih vremenski usrednjenih merenja.Vektorska statistika je upoređena za uzorke koji sadrže 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 i 280 slika.Utvrđeno je da veličina uzorka od 240 slika daje stabilne vremensko prosječne rezultate s obzirom da se svaka slika sastoji od dva okvira.
Budući da je tok u flokulatoru turbulentan, potreban je mali prozor za ispitivanje i veliki broj čestica da bi se razriješile male turbulentne strukture.Primijenjeno je nekoliko iteracija smanjenja veličine zajedno sa algoritmom unakrsne korelacije kako bi se osigurala tačnost.Početnu veličinu prozora za glasanje od 48×48 piksela sa 50% preklapanja i jednog procesa prilagođavanja pratila je konačna veličina prozora za glasanje od 32×32 piksela sa 100% preklapanja i dva procesa prilagođavanja.Osim toga, staklene šuplje sfere korištene su kao sjemenske čestice u protoku, što je omogućilo najmanje 10 čestica po prozoru za ispitivanje.PIV snimanje pokreće izvor okidača u programiranoj jedinici vremena (PTU), koja je odgovorna za rad i sinhronizaciju laserskog izvora i kamere.
Komercijalni CFD paket ANSYS Fluent v 19.1 korišten je za razvoj 3D modela i rješavanje osnovnih jednačina toka.
Koristeći ANSYS-Fluent, kreiran je 3D model laboratorijskog flokulatora s lopaticama.Model je napravljen u obliku pravougaone kutije, koja se sastoji od dva lopatica postavljena na horizontalnoj osi, kao i laboratorijski model.Model bez nadvodnog daska je visok 108 cm, širok 118 cm i dugačak 138 cm.Oko miksera je dodana horizontalna cilindrična ravan.Generacija cilindrične ravni treba da realizuje rotaciju cele mešalice tokom faze instalacije i simulira rotaciono polje protoka unutar flokulatora, kao što je prikazano na slici 3a.
3D ANSYS-fluentni dijagram i dijagram geometrije modela, ANSYS-fluentna mreža tijela flokulatora u ravni od interesa, ANSYS-fluent dijagram na ravni od interesa.
Geometrija modela se sastoji od dva regiona, od kojih je svaki fluid.Ovo se postiže pomoću funkcije logičkog oduzimanja.Prvo oduzmite cilindar (uključujući mikser) od kutije da biste predstavili tečnost.Zatim oduzmite mikser od cilindra, što rezultira dva objekta: mikser i tečnost.Konačno, klizni interfejs je primenjen između dve oblasti: interfejs cilindar-cilindar i interfejs cilindar-mešalica (slika 3a).
Završeno je umrežavanje konstruisanih modela kako bi se ispunili zahtjevi modela turbulencije koji će se koristiti za izvođenje numeričkih simulacija.Korištena je nestrukturirana mreža s proširenim slojevima u blizini čvrste površine.Kreirajte slojeve ekspanzije za sve zidove sa stopom rasta od 1,2 kako biste osigurali da su složeni obrasci toka uhvaćeni, sa debljinom prvog sloja od \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m kako biste osigurali \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).Veličina tijela je prilagođena metodom uklapanja tetraedra.Kreirana je veličina prednje strane dva interfejsa sa veličinom elementa od 2,5 × \({10}^{-3}\) m, i veličina prednje strane miksera 9 × \({10}^{-3}\ ) m se primjenjuje.Početna generirana mreža sastojala se od 2144409 elemenata (slika 3b).
Kao početni osnovni model odabran je dvoparametarski k–ε model turbulencije.Da bi se precizno simulirao vrtložni tok unutar flokulatora, odabran je računski skuplji model.Turbulentno vrtložno strujanje unutar flokulatora numerički je ispitano korištenjem dva CFD modela: SST k–ω51 i IDDES52.Rezultati oba modela su upoređeni sa eksperimentalnim PIV rezultatima radi validacije modela.Prvo, SST k-ω model turbulencije je model turbulentnog viskoziteta s dvije jednačine za primjene u dinamici fluida.Ovo je hibridni model koji kombinuje Wilcoxove k-ω i k-ε modele.Funkcija miješanja aktivira Wilcoxov model u blizini zida i k-ε model u nadolazećem toku.Ovo osigurava da se ispravan model koristi u cijelom polju protoka.Precizno predviđa razdvajanje protoka zbog nepovoljnih gradijenta pritiska.Drugo, odabrana je metoda Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), koja se široko koristi u modelu Individual Eddy Simulation (DES) sa SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) modelom.IDDES je hibridni RANS-LES (simulacija velikih vrtloga) model koji pruža fleksibilniji i korisniku lakši simulacijski model skaliranja rezolucije (SRS).Zasnovan je na LES modelu za rješavanje velikih vrtloga i vraća se na SST k-ω za simulaciju vrtloga malih razmjera.Statističke analize rezultata iz simulacija SST k–ω i IDDES uspoređene su s PIV rezultatima kako bi se potvrdio model.
Kao početni osnovni model odabran je dvoparametarski k–ε model turbulencije.Da bi se precizno simulirao vrtložni tok unutar flokulatora, odabran je računski skuplji model.Turbulentno vrtložno strujanje unutar flokulatora numerički je ispitano korištenjem dva CFD modela: SST k–ω51 i IDDES52.Rezultati oba modela su upoređeni sa eksperimentalnim PIV rezultatima radi validacije modela.Prvo, SST k-ω model turbulencije je model turbulentnog viskoziteta s dvije jednačine za primjene u dinamici fluida.Ovo je hibridni model koji kombinuje Wilcoxove k-ω i k-ε modele.Funkcija miješanja aktivira Wilcoxov model u blizini zida i k-ε model u nadolazećem toku.Ovo osigurava da se ispravan model koristi u cijelom polju protoka.Precizno predviđa razdvajanje protoka zbog nepovoljnih gradijenta pritiska.Drugo, odabrana je metoda Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), koja se široko koristi u modelu Individual Eddy Simulation (DES) sa SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) modelom.IDDES je hibridni RANS-LES (simulacija velikih vrtloga) model koji pruža fleksibilniji i korisniku lakši simulacijski model skaliranja rezolucije (SRS).Zasnovan je na LES modelu za rješavanje velikih vrtloga i vraća se na SST k-ω za simulaciju vrtloga malih razmjera.Statističke analize rezultata iz simulacija SST k–ω i IDDES uspoređene su s PIV rezultatima kako bi se potvrdio model.
Koristite tranzijentni rješavač zasnovan na pritisku i koristite gravitaciju u smjeru Y.Rotacija se postiže dodjeljivanjem mrežastog kretanja mikseru, gdje je početak ose rotacije u centru horizontalne ose, a smjer ose rotacije je u smjeru Z.Mrežni interfejs je kreiran za oba interfejsa geometrije modela, što rezultira dve ivice graničnog okvira.Kao iu eksperimentalnoj tehnici, brzina rotacije odgovara 3 i 4 okretaja.
Granični uslovi za zidove miksera i flokulatora postavljeni su zidom, a gornji otvor flokulatora postavljen je izlazom sa nultim mano pritiskom (sl. 3c).JEDNOSTAVNA komunikacijska shema pritisak-brzina, diskretizacija gradijentnog prostora funkcija drugog reda sa svim parametrima baziranim na elementima najmanjih kvadrata.Kriterijum konvergencije za sve varijable protoka je skalirani rezidual 1 x \({10}^{-3}\).Maksimalan broj iteracija po vremenskom koraku je 20, a veličina vremenskog koraka odgovara rotaciji od 0,5°.Rješenje konvergira na 8. iteraciji za SST k–ω model i na 12. iteraciji koristeći IDDES.Osim toga, izračunat je broj vremenskih koraka tako da mikser napravi najmanje 12 okretaja.Primijenite uzorkovanje podataka za vremensku statistiku nakon 3 rotacije, što omogućava normalizaciju protoka, slično eksperimentalnoj proceduri.Poređenje izlaza petlji brzine za svaki obrt daje potpuno iste rezultate za posljednja četiri okretaja, što ukazuje da je postignuto stabilno stanje.Dodatni okretaji nisu poboljšali konture srednje brzine.
Vremenski korak je definiran u odnosu na brzinu rotacije, 3 o/min ili 4 o/min.Vremenski korak je poboljšan na vrijeme potrebno da se mikser okrene za 0,5°.Ispostavilo se da je to dovoljno, jer rješenje lako konvergira, kao što je opisano u prethodnom dijelu.Dakle, svi numerički proračuni za oba modela turbulencije izvedeni su korištenjem modificiranog vremenskog koraka od 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) za 3 o/min, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 o/min.Za dati vremenski korak preciziranja, Courantov broj ćelije je uvijek manji od 1,0.
Da bi se istražila zavisnost modela od mreže, rezultati su prvo dobiveni korištenjem originalne mreže od 2,14M, a zatim rafinirane mreže od 2,88M.Rafiniranje mreže se postiže smanjenjem veličine ćelije miksera sa 9 × \({10}^{-3}\) m na 7 × \({10}^{-3}\) m.Za originalne i rafinirane mreže dva modela turbulencije, uspoređene su prosječne vrijednosti modula brzine na različitim mjestima oko lopatice.Procentualna razlika između rezultata je 1,73% za SST k–ω model i 3,51% za IDDES model.IDDES pokazuje veću procentualnu razliku jer se radi o hibridnom RANS-LES modelu.Ove razlike su smatrane beznačajnim, pa je simulacija izvedena koristeći originalnu mrežu sa 2,14 miliona elemenata i vremenskim korakom rotacije od 0,5°.
Reproducibilnost eksperimentalnih rezultata ispitana je izvođenjem svakog od šest eksperimenata po drugi put i poređenjem rezultata.Uporedite vrijednosti brzine u sredini oštrice u dvije serije eksperimenata.Prosječna procentualna razlika između dvije eksperimentalne grupe iznosila je 3,1%.PIV sistem je takođe nezavisno rekalibriran za svaki eksperiment.Uporedite analitički izračunatu brzinu u sredini svake oštrice sa PIV brzinom na istoj lokaciji.Ovo poređenje pokazuje razliku sa maksimalnom procentualno greškom od 6,5% za oštricu 1.
Prije kvantifikacije faktora klizanja, potrebno je znanstveno razumjeti koncept klizanja u lopatičnom flokulatoru, što zahtijeva proučavanje strukture protoka oko lopatica flokulatora.Konceptualno, koeficijent klizanja je ugrađen u dizajn flokulatora s lopaticama kako bi se uzela u obzir brzina lopatica u odnosu na vodu.Literatura preporučuje da ova brzina bude 75% brzine sečiva, tako da većina dizajna obično koristi ak od 0,25 da bi se uračunalo ovo podešavanje.Ovo zahtijeva korištenje strujnih linija brzine izvedenih iz PIV eksperimenata kako bi se u potpunosti razumjelo polje brzine protoka i proučavalo ovo klizanje.Oštrica 1 je najnutarnja oštrica koja je najbliža osovini, oštrica 3 je najudaljenija oštrica, a oštrica 2 je srednja oštrica.
Strujne linije brzine na lopatici 1 pokazuju direktan rotirajući tok oko lopatice.Ovi obrasci toka potiču iz tačke na desnoj strani lopatice, između rotora i lopatice.Gledajući područje označeno crvenim tačkastim okvirom na slici 4a, zanimljivo je identificirati još jedan aspekt recirkulacijskog toka iznad i oko lopatice.Vizualizacija protoka pokazuje mali protok u zonu recirkulacije.Ovaj tok se približava sa desne strane sečiva na visini od oko 6 cm od kraja sečiva, verovatno zbog uticaja prve oštrice šake koja prethodi sečivu, što je vidljivo na slici.Vizualizacija protoka pri 4 o/min pokazuje isto ponašanje i strukturu, očigledno sa većim brzinama.
Grafovi polja brzine i struje tri lopatice pri dvije brzine rotacije od 3 o/min i 4 o/min.Maksimalna prosječna brzina tri lopatice pri 3 o/min je 0,15 m/s, 0,20 m/s i 0,16 m/s respektivno, a maksimalna prosječna brzina pri 4 o/min je 0,15 m/s, 0,22 m/s i 0,22 m/s. s, respektivno.na tri lista.
Drugi oblik spiralnog strujanja pronađen je između lopatica 1 i 2. Vektorsko polje jasno pokazuje da se tok vode kreće prema gore od dna lopatice 2, kao što je naznačeno smjerom vektora.Kao što je prikazano tačkastim okvirom na slici 4b, ovi vektori ne idu okomito prema gore od površine oštrice, već se okreću udesno i postepeno se spuštaju.Na površini lopatice 1 razlikuju se vektori prema dolje, koji se približavaju oba lopatica i okružuju ih od recirkulacijskog toka koji se formira između njih.Ista struktura protoka određena je pri obje brzine rotacije s većom amplitudom brzine od 4 o/min.
Polje brzine lopatice 3 ne daje značajan doprinos vektoru brzine prethodne lopatice koji spaja tok ispod lopatice 3. Glavni tok ispod lopatice 3 nastaje zbog vertikalnog vektora brzine koji raste sa vodom.
Vektori brzine preko površine lopatice 3 mogu se podijeliti u tri grupe, kao što je prikazano na slici 4c.Prvi set je onaj na desnoj ivici oštrice.Struktura toka u ovom položaju je pravo udesno i gore (tj. prema lopatici 2).Druga grupa je sredina oštrice.Vektor brzine za ovu poziciju je usmjeren ravno prema gore, bez ikakvog odstupanja i bez rotacije.Smanjenje vrijednosti brzine utvrđeno je povećanjem visine iznad kraja lopatice.Za treću grupu, koja se nalazi na lijevoj periferiji lopatica, tok se odmah usmjerava lijevo, odnosno na zid flokulatora.Većina protoka predstavljenog vektorom brzine ide gore, a dio toka ide horizontalno dolje.
Dva modela turbulencije, SST k–ω i IDDES, korištena su za konstruiranje vremenski prosječnih profila brzine za 3 rpm i 4 rpm u ravni srednje dužine lopatice.Kao što je prikazano na slici 5, stabilno stanje se postiže postizanjem apsolutne sličnosti između kontura brzine stvorenih četiri uzastopne rotacije.Pored toga, vremenski prosječne konture brzine koje generira IDDES prikazane su na slici 6a, dok su vremenski prosječni profili brzine generirani SST k – ω prikazani na slici 6a.6b.
Koristeći IDDES i vremenski prosječne petlje brzine koje generira SST k–ω, IDDES ima veći udio petlji brzine.
Pažljivo ispitajte profil brzine kreiran sa IDDES-om na 3 o/min, kao što je prikazano na slici 7. Mješalica se rotira u smjeru kazaljke na satu, a protok se razmatra prema prikazanim napomenama.
Na sl.7 vidi se da na površini lopatice 3 u I kvadrantu postoji odvajanje toka, budući da protok nije ograničen zbog prisustva gornje rupe.U kvadrantu II nije uočeno razdvajanje toka, jer je protok potpuno ograničen zidovima flokulatora.U kvadrantu III, voda se okreće mnogo manjom ili manjom brzinom nego u prethodnim kvadrantima.Voda u kvadrantima I i II se pomiče (tj. rotira ili istiskuje) prema dolje djelovanjem miksera.A u kvadrantu III, voda se istiskuje oštricama mešalice.Očigledno je da se vodena masa na ovom mjestu odupire približavanju rukava flokulatora.Rotacijski tok u ovom kvadrantu je potpuno odvojen.Za kvadrant IV, većina protoka zraka iznad lopatice 3 usmjerena je prema zidu flokulatora i postepeno gubi svoju veličinu kako se visina povećava do gornjeg otvora.
Osim toga, centralna lokacija uključuje složene obrasce toka koji dominiraju kvadrantima III i IV, kao što je prikazano plavim tačkastim elipsama.Ovo označeno područje nema nikakve veze s vrtložnim tokom u flokulatoru s lopaticama, jer se vrtložno kretanje može identificirati.Ovo je u suprotnosti s kvadrantima I i II gdje postoji jasna razlika između unutrašnjeg toka i punog rotacionog toka.
Kao što je prikazano na sl.6, upoređujući rezultate IDDES i SST k-ω, glavna razlika između kontura brzine je veličina brzine neposredno ispod lopatice 3. SST k-ω model jasno pokazuje da prošireni protok velike brzine nosi lopatica 3 u poređenju sa IDDES-om.
Druga razlika se može naći u kvadrantu III.Iz IDDES-a, kao što je ranije spomenuto, zabilježeno je rotacijsko razdvajanje protoka između krakova flokulatora.Međutim, na ovu poziciju snažno utječe niska brzina strujanja iz uglova i unutrašnjosti prve lopatice.Od SST k–ω za istu lokaciju, konturne linije pokazuju relativno veće brzine u odnosu na IDDES jer nema konfluentnog toka iz drugih regija.
Za ispravno razumijevanje ponašanja i strukture strujanja potrebno je kvalitativno razumijevanje vektorskih polja brzine i strujnih linija.S obzirom da je svaka lopatica široka 5 cm, odabrano je sedam tačaka brzine po širini kako bi se dobio reprezentativan profil brzine.Osim toga, potrebno je kvantitativno razumijevanje veličine brzine kao funkcije visine iznad površine lopatice iscrtavanjem profila brzine direktno preko svake površine lopatice i na neprekidnoj udaljenosti od 2,5 cm okomito do visine od 10 cm.Pogledajte S1, S2 i S3 na slici za više informacija.Dodatak A. Slika 8 prikazuje sličnost raspodjele površinske brzine svake oštrice (Y = 0,0) dobijenu korištenjem PIV eksperimenata i ANSYS-Fluent analize korištenjem IDDES i SST k-ω.Oba numerička modela omogućavaju preciznu simulaciju strukture protoka na površini lopatica flokulatora.
Raspodjela brzina PIV, IDDES i SST k–ω na površini lopatice.X-osa predstavlja širinu svakog lista u milimetrima, pri čemu početak (0 mm) predstavlja lijevu periferiju lista, a kraj (50 mm) desnu periferiju lista.
Jasno se vidi da su distribucije brzine lopatica 2 i 3 prikazane na sl.8 i sl.8.S2 i S3 u Dodatku A pokazuju slične trendove s visinom, dok se oštrica 1 mijenja nezavisno.Profili brzine lopatica 2 i 3 postaju savršeno ravni i imaju istu amplitudu na visini od 10 cm od kraja lopatice.To znači da tok u ovom trenutku postaje ravnomjeran.Ovo se jasno vidi iz PIV rezultata, koje IDDES dobro reprodukuje.U međuvremenu, rezultati SST k–ω pokazuju neke razlike, posebno pri 4 o/min.
Važno je napomenuti da lopatica 1 zadržava isti oblik profila brzine u svim pozicijama i nije normalizovana po visini, budući da vrtlog formiran u centru miksera sadrži prvu lopaticu svih krakova.Također, u poređenju sa IDDES-om, profili brzine noža PIV 2 i 3 pokazali su nešto veće vrijednosti brzine na većini lokacija sve dok nisu bile skoro jednake na 10 cm iznad površine noža.
Vrijeme objave: 27.12.2022