Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com.Naudojate naršyklės versiją su ribotu CSS palaikymu.Norėdami gauti geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“).Be to, norėdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę rodome be stilių ir JavaScript.
Vienu metu rodoma trijų skaidrių karuselė.Naudokite mygtukus Ankstesnis ir Kitas, kad vienu metu pereitumėte per tris skaidres, arba naudokite slankiklio mygtukus, esančius pabaigoje, norėdami pereiti per tris skaidres vienu metu.
Šiame tyrime flokuliacijos hidrodinamika vertinama eksperimentiniu ir skaitiniu turbulentinės tėkmės greičio lauko tyrimu laboratorinio mastelio irkliniame flokuliatoriuje.Turbulentinis srautas, skatinantis dalelių agregaciją arba floko skaidymą, yra sudėtingas ir šiame darbe nagrinėjamas ir lyginamas naudojant du turbulencijos modelius, būtent SST k-ω ir IDDES.Rezultatai rodo, kad IDDES suteikia labai nedidelį patobulinimą, palyginti su SST k-ω, o to pakanka tiksliai imituoti srautą irklo flokuliatoriuje.Tinkamumo balas naudojamas PIV ir CFD rezultatų konvergencijai tirti ir panaudoto CFD turbulencijos modelio rezultatams palyginti.Tyrime taip pat daug dėmesio skiriama slydimo koeficiento k kiekybiniam įvertinimui, kuris yra 0,18 esant mažam 3 ir 4 aps./min greičiui, palyginti su įprasta tipine verte 0,25.Sumažinus k nuo 0,25 iki 0,18, skysčiui tiekiama galia padidėja maždaug 27-30%, o greičio gradientas (G) padidėja maždaug 14%.Tai reiškia, kad pasiekiamas intensyvesnis maišymas, nei tikėtasi, todėl sunaudojama mažiau energijos, todėl energijos sąnaudos geriamojo vandens valymo įrenginio flokuliaciniame bloke gali būti mažesnės.
Vandens valymo metu koaguliantų pridėjimas destabilizuoja mažas koloidines daleles ir priemaišas, kurios vėliau susijungia ir sudaro flokuliaciją flokuliacijos stadijoje.Dribsniai yra laisvai surišti fraktaliniai masės agregatai, kurie vėliau pašalinami nusėdant.Dalelių savybės ir skysčio maišymo sąlygos lemia flokuliacijos ir apdorojimo proceso efektyvumą.Flokuliacija reikalauja lėto maišymo gana trumpą laiką ir daug energijos, kad sumaišytų didelius vandens kiekius1.
Flokuliacijos metu visos sistemos hidrodinamika ir koaguliantų ir dalelių sąveikos chemija lemia greitį, kuriuo pasiekiamas stacionarus dalelių dydžio pasiskirstymas2.Dalelėms susidūrus jos prilimpa viena prie kitos3.Oyegbile, Ay4 pranešė, kad susidūrimai priklauso nuo Brauno difuzijos flokuliacijos transportavimo mechanizmų, skysčio šlyties ir diferencinio nusėdimo.Kai dribsniai susiduria, jie auga ir pasiekia tam tikrą dydžio ribą, todėl gali lūžti, nes dribsniai negali atlaikyti hidrodinaminių jėgų5.Kai kurie iš šių skaldytų dribsnių rekombinuojasi į mažesnius arba tokio pat dydžio6.Tačiau stiprūs dribsniai gali atsispirti šiai jėgai ir išlaikyti savo dydį bei net augti7.Yukselen ir Gregory8 pranešė apie tyrimus, susijusius su dribsnių sunaikinimu ir jų gebėjimu atsinaujinti, parodydami, kad negrįžtamumas yra ribotas.Bridgemanas, Jeffersonas9 naudojo CFD, kad įvertintų vietinę vidutinio srauto ir turbulencijos įtaką floko formavimuisi ir susiskaidymui per vietinius greičio gradientus.Cisternuose su rotoriaus mentėmis būtina keisti greitį, kuriuo užpildai susiduria su kitomis dalelėmis, kai jie pakankamai destabilizuojami koaguliacijos fazėje.Naudodami CFD ir mažesnį sukimosi greitį (maždaug 15 aps./min.), Vadasarukkai ir Gagnon11 sugebėjo pasiekti G vertes flokuliacijai kūginėmis mentėmis ir taip sumažino energijos sąnaudas maišant.Tačiau naudojant didesnes G vertes, gali atsirasti flokuliacija.Jie ištyrė maišymo greičio poveikį nustatant vidutinį bandomojo irklo flokuliatoriaus greičio gradientą.Jie sukasi didesniu nei 5 aps./min greičiu.
Korpijärvi, Ahlstedt12 naudojo keturis skirtingus turbulencijos modelius, kad ištirtų srauto lauką rezervuaro bandymų stende.Jie matavo srauto lauką lazeriniu Doplerio anemometru ir PIV ir palygino apskaičiuotus rezultatus su išmatuotais rezultatais.de Oliveira ir Donadel13 pasiūlė alternatyvų metodą greičio gradientams įvertinti pagal hidrodinamines savybes naudojant CFD.Siūlomas metodas buvo išbandytas su šešiais flokuliacijos vienetais, pagrįstais spiraline geometrija.įvertino sulaikymo laiko poveikį flokuliatoriams ir pasiūlė flokuliacijos modelį, kuris gali būti naudojamas kaip priemonė racionaliam ląstelių projektavimui palaikyti su mažu sulaikymo laiku14.Zhan, You15 pasiūlė kombinuotą CFD ir populiacijos balanso modelį, kad imituotų srauto charakteristikas ir floko elgesį visos masto flokuliacijos metu.Llano-Serna, Coral-Portillo16 ištyrė Cox tipo hidroflokuliatoriaus srauto charakteristikas vandens valymo įmonėje Viterbo mieste, Kolumbijoje.Nors CFD turi savo privalumų, yra ir apribojimų, pavyzdžiui, skaičiavimų skaitinės klaidos.Todėl visi gauti skaitiniai rezultatai turi būti atidžiai išnagrinėti ir išanalizuoti, kad būtų galima padaryti kritines išvadas17.Literatūroje yra nedaug tyrimų apie horizontalių pertvarų flokuliatorių konstrukciją, o rekomendacijos dėl hidrodinaminių flokuliatorių projektavimo yra ribotos18.Chen, Liao19 naudojo eksperimentinę sąranką, pagrįstą poliarizuotos šviesos sklaida, kad išmatuotų išsklaidytos šviesos iš atskirų dalelių poliarizacijos būseną.Feng, Zhang20 naudojo Ansys-Fluent, kad imituotų sūkurinių srovių ir sūkurių pasiskirstymą koaguliuoto plokštelinio flokuliatoriaus ir gofruoto flokuliatoriaus srauto lauke.Imitavęs turbulentinį skysčio srautą flokuliatoriuje naudojant Ansys-Fluent, Gavi21 panaudojo rezultatus kurdamas flokuliatorių.Vaneli ir Teixeira22 pranešė, kad ryšys tarp spiralinių vamzdžių flokuliatorių skysčių dinamikos ir flokuliacijos proceso vis dar menkai suprantamas, kad būtų palaikomas racionalus dizainas.de Oliveira ir Costa Teixeira23 ištyrė spiralinio vamzdžio flokuliatoriaus efektyvumą ir pademonstravo hidrodinamines savybes fiziniais eksperimentais ir CFD modeliavimu.Daugelis mokslininkų ištyrė suvyniotus vamzdinius reaktorius arba spiralinius vamzdinius flokuliatorius.Tačiau vis dar trūksta išsamios hidrodinaminės informacijos apie šių reaktorių reakciją į įvairias konstrukcijas ir veikimo sąlygas (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira ir Teixeira26 pateikia originalius spiralinio flokuliatoriaus teorinio, eksperimentinio ir CFD modeliavimo rezultatus.Oliveira ir Teixeira27 pasiūlė naudoti spiralinę ritę kaip koaguliacijos-flokuliacijos reaktorių kartu su įprasta dekantavimo sistema.Jie praneša, kad gauti drumstumo šalinimo efektyvumo rezultatai gerokai skiriasi nuo tų, kurie buvo gauti naudojant dažniausiai naudojamus flokuliacijos vertinimo modelius, todėl tokius modelius reikia naudoti atsargiai.Moruzzi ir de Oliveira [28] sumodeliavo nuolatinių flokuliacijos kamerų sistemos elgseną įvairiomis veikimo sąlygomis, įskaitant naudojamų kamerų skaičiaus svyravimus ir fiksuotų arba mastelio dydžio ląstelių greičio gradientų naudojimą.Romphophak, Le Men29 PIV momentinių greičių matavimai beveik dvimačiuose purkštukuose.Jie nustatė stiprią srauto sukeltą cirkuliaciją flokuliacijos zonoje ir įvertino vietinius ir momentinius šlyties greitį.
Shah, Joshi30 praneša, kad CFD yra įdomi alternatyva tobulinant dizainą ir gauti virtualių srautų charakteristikas.Tai padeda išvengti didelių eksperimentinių sąrankų.CFD vis dažniau naudojamas analizuojant vandens ir nuotekų valymo įrenginius (Melo, Freire31; Aalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Keletas tyrėjų atliko eksperimentus su galių bandymo įranga (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) ir perforuotais diskiniais flokuliatoriais31.Kiti naudojo CFD hidroflokuliatoriams įvertinti (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 pranešė, kad mechaninius flokuliatorius reikia reguliariai prižiūrėti, nes jie dažnai genda ir reikalauja daug elektros energijos.
Irklinio flokuliatoriaus našumas labai priklauso nuo rezervuaro hidrodinamikos.Literatūroje aiškiai pažymėta, kad trūksta kiekybinio supratimo apie srauto greičio laukus tokiuose flokuliatoriuose (Howe, Hand38; Hendricks39).Visa vandens masė yra veikiama flokuliatoriaus sparnuotės judėjimo, todėl tikėtinas slydimas.Paprastai skysčio greitis yra mažesnis už ašmenų greitį slydimo koeficientu k, kuris apibrėžiamas kaip vandens telkinio greičio ir irklo rato greičio santykis.Bhole40 pranešė, kad projektuojant flokuliatorių reikia atsižvelgti į tris nežinomus veiksnius, būtent greičio gradientą, pasipriešinimo koeficientą ir santykinį vandens greitį mentės atžvilgiu.
Camp41 praneša, kad kalbant apie didelio greičio mašinas, greitis sudaro apie 24% rotoriaus greičio ir net 32% mažo greičio mašinų.Nesant pertvarų, Droste ir Ger42 naudojo ak reikšmę 0,25, o pertvarų atveju k svyravo nuo 0 iki 0,15.Howe, Hand38 rodo, kad k yra intervale nuo 0,2 iki 0,3.Hendrixas39 susiejo slydimo koeficientą su sukimosi greičiu, naudodamas empirinę formulę, ir padarė išvadą, kad slydimo koeficientas taip pat buvo Camp41 nustatytame diapazone.Bratby43 pranešė, kad k yra apie 0,2, kai sparnuotės greitis yra nuo 1,8 iki 5,4 aps./min., ir padidėja iki 0,35, kai sparnuotės greitis yra nuo 0,9 iki 3 aps./min.Kiti tyrinėtojai praneša apie platų pasipriešinimo koeficiento (Cd) verčių diapazoną nuo 1,0 iki 1,8 ir slydimo koeficiento k reikšmes nuo 0,25 iki 0,40 (Feir ir Geyer44; Hyde ir Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; ir Bratby ir Marais48 ).Literatūra neparodo reikšmingos pažangos apibrėžiant ir kiekybiškai įvertinant k nuo Camp41 darbo.
Flokuliacijos procesas pagrįstas turbulencija, siekiant palengvinti susidūrimus, kai greičio gradientas (G) naudojamas turbulencijai / flokuliacijai matuoti.Maišymas – tai greito ir tolygaus cheminių medžiagų pasklidimo vandenyje procesas.Maišymo laipsnis matuojamas greičio gradientu:
čia G = greičio gradientas (sek-1), P = įvesties galia (W), V = vandens tūris (m3), μ = dinaminis klampumas (Pa s).
Kuo didesnė G reikšmė, tuo daugiau mišraus.Norint užtikrinti vienodą koaguliaciją, būtina kruopščiai sumaišyti.Literatūroje nurodoma, kad svarbiausi projektavimo parametrai yra maišymo laikas (t) ir greičio gradientas (G).Flokuliacijos procesas pagrįstas turbulencija, siekiant palengvinti susidūrimus, kai greičio gradientas (G) naudojamas turbulencijai / flokuliacijai matuoti.Įprastos projektinės G vertės yra nuo 20 iki 70 s–1, t yra nuo 15 iki 30 minučių, o Gt (be matmenų) yra nuo 104 iki 105. Greito maišymo bakai geriausiai veikia, kai G vertės yra nuo 700 iki 1000, esant laiko išlikimui apie 2 minutes.
kur P – kiekvieno flokuliatoriaus mentės skysčiui suteikiama galia, N – sukimosi greitis, b – mentės ilgis, ρ – vandens tankis, r – spindulys ir k – slydimo koeficientas.Ši lygtis taikoma kiekvienam peiliui atskirai, o rezultatai sumuojami, kad būtų gauta bendra flokuliatoriaus įvesties galia.Kruopštus šios lygties tyrimas rodo slydimo koeficiento k svarbą irklinio flokuliatoriaus projektavimo procese.Literatūroje nenurodoma tiksli k reikšmė, bet vietoj to rekomenduojamas diapazonas, kaip nurodyta anksčiau.Tačiau ryšys tarp galios P ir slydimo koeficiento k yra kubinis.Taigi, su sąlyga, kad visi parametrai yra vienodi, pavyzdžiui, pakeitus k nuo 0,25 iki 0,3, skysčiui perduodama galia, tenkanti vienam peiliui, sumažės maždaug 20%, o sumažinus k nuo 0,25 iki 0,18, ji padidės.maždaug 27–30 % vienai mentei Skysčiui suteikiama galia.Galiausiai k poveikis tvariam irklinio flokuliatoriaus dizainui turi būti ištirtas atliekant techninį kiekybinį įvertinimą.
Tiksliam empiriniam slydimo kiekybiniam įvertinimui reikalinga srauto vizualizacija ir modeliavimas.Todėl, norint įvertinti skirtingų ašmenų padėčių poveikį, svarbu aprašyti mentės tangentinį greitį vandenyje esant tam tikram sukimosi greičiui skirtingu radialiniu atstumu nuo veleno ir skirtinguose gyliuose nuo vandens paviršiaus.
Šiame tyrime flokuliacijos hidrodinamika vertinama eksperimentiniu ir skaitiniu turbulentinės tėkmės greičio lauko tyrimu laboratorinio mastelio irkliniame flokuliatoriuje.PIV matavimai registruojami flokuliatoriuje, sukuriant laiko vidurkio greičio kontūrus, rodančius vandens dalelių greitį aplink lapus.Be to, ANSYS-Fluent CFD buvo naudojamas sūkurio srauto flokuliatoriaus viduje modeliavimui ir laiko vidurkio greičio kontūrams sukurti.Gautas CFD modelis buvo patvirtintas įvertinus atitiktį tarp PIV ir CFD rezultatų.Šiame darbe pagrindinis dėmesys skiriamas slydimo koeficiento k kiekybiniam įvertinimui, kuris yra bematis irklinio flokuliatoriaus projektinis parametras.Čia pateiktas darbas suteikia naują pagrindą slydimo koeficiento k kiekybiniam įvertinimui esant mažam 3 aps./min. ir 4 aps./min. greičiui.Rezultatų reikšmė tiesiogiai padeda geriau suprasti flokuliacijos bako hidrodinamiką.
Laboratorinį flokuliatorių sudaro atvira viršutinė stačiakampė dėžutė, kurios bendras aukštis – 147 cm, aukštis – 39 cm, plotis – 118 cm, bendras ilgis – 138 cm (1 pav.).Pagrindiniai Camp49 sukurti projektavimo kriterijai buvo naudojami kuriant laboratorinio mastelio irklinį flokuliatorių ir taikant matmenų analizės principus.Eksperimentinis objektas buvo pastatytas Libano Amerikos universiteto Aplinkos inžinerijos laboratorijoje (Byblosas, Libanas).
Horizontali ašis yra 60 cm aukštyje nuo apačios ir joje telpa du irkliniai ratai.Kiekvienas irklas susideda iš 4 irklų su 3 irklais ant kiekvieno irklo, iš viso 12 irklų.Flokuliacijai reikalingas švelnus maišymas mažu greičiu nuo 2 iki 6 aps./min.Dažniausi maišymo greičiai flokuliatoriuose yra 3 aps./min. ir 4 aps./min.Laboratorinio masto flokuliatoriaus srautas yra skirtas geriamojo vandens valymo įrenginio flokuliacijos bako skyriuje esančiam srautui atvaizduoti.Galia apskaičiuojama naudojant tradicinę 42 lygtį.Abiejų sukimosi greičių greičio gradientas \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) yra didesnis nei 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , Reinoldso skaičius rodo turbulentinį srautą (1 lentelė).
PIV naudojamas norint vienu metu tiksliai ir kiekybiškai išmatuoti skysčio greičio vektorius labai dideliame skaičiuje taškų50.Eksperimentinė sąranka apėmė laboratorinio masto irklinį flokuliatorių, LaVision PIV sistemą (2017) ir Arduino išorinį lazerio jutiklio paleidiklį.Norint sukurti vidutinio greičio profilius, PIV vaizdai buvo įrašyti nuosekliai toje pačioje vietoje.PIV sistema sukalibruota taip, kad tikslinė sritis būtų kiekvienos iš trijų tam tikros irklo svirties menčių ilgio vidurio taške.Išorinį trigerį sudaro lazeris, esantis vienoje flokuliatoriaus pločio pusėje, ir jutiklio imtuvas kitoje pusėje.Kiekvieną kartą, kai flokuliatoriaus svirtis blokuoja lazerio kelią, PIV sistemai siunčiamas signalas, kad būtų užfiksuotas vaizdas naudojant PIV lazerį ir fotoaparatą, sinchronizuotą su programuojamu laiko bloku.Ant pav.2 parodytas PIV sistemos diegimas ir vaizdo gavimo procesas.
PIV buvo pradėtas registruoti po to, kai flokuliatorius buvo veikiamas 5–10 minučių, kad būtų normalizuotas srautas ir būtų atsižvelgta į tą patį lūžio rodiklio lauką.Kalibravimas atliekamas naudojant kalibravimo plokštę, panardintą į flokuliatorių ir patalpintą dominančio ašmenų ilgio vidurio taške.Sureguliuokite PIV lazerio padėtį, kad susidarytumėte plokščią šviesos lakštą tiesiai virš kalibravimo plokštės.Užrašykite išmatuotas kiekvieno ašmenų sukimosi greičio vertes, o eksperimentui pasirinkti sukimosi greičiai yra 3 aps./min. ir 4 aps./min.
Visiems PIV įrašams laiko intervalas tarp dviejų lazerio impulsų buvo nustatytas nuo 6900 iki 7700 µs, todėl dalelių poslinkis yra mažiausiai 5 pikseliai.Buvo atlikti bandomieji bandymai su vaizdų skaičiumi, reikalingu norint gauti tikslius laiko vidurkius.Vektorinė statistika buvo lyginama pavyzdžiuose, kuriuose yra 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 ir 280 vaizdų.Nustatyta, kad 240 vaizdų imties dydis duoda stabilius vidutinius rezultatus, nes kiekvienas vaizdas susideda iš dviejų kadrų.
Kadangi srautas flokuliatoriuje yra turbulentinis, norint išspręsti mažas turbulencines struktūras, reikalingas mažas apklausos langas ir daug dalelių.Siekiant užtikrinti tikslumą, taikomos kelios dydžio mažinimo iteracijos kartu su kryžminės koreliacijos algoritmu.Pradinis 48 × 48 pikselių apklausos lango dydis su 50% persidengimu ir vienas pritaikymo procesas, po kurio sekė galutinis 32 × 32 pikselių apklausos langas su 100% persidengimu ir du pritaikymo procesai.Be to, kaip sėklinės dalelės sraute buvo naudojamos tuščiavidurės stiklinės sferos, todėl viename apklausos lange galėjo būti bent 10 dalelių.PIV įrašymą suaktyvina paleidimo šaltinis programuojamame laiko bloke (PTU), kuris yra atsakingas už lazerio šaltinio ir fotoaparato valdymą ir sinchronizavimą.
Kuriant 3D modelį ir sprendžiant pagrindines srauto lygtis buvo naudojamas komercinis CFD paketas ANSYS Fluent v 19.1.
Naudojant ANSYS-Fluent buvo sukurtas laboratorinio mastelio irklinio flokuliatoriaus 3D modelis.Modelis pagamintas iš stačiakampės dėžutės, susidedančios iš dviejų ant horizontalios ašies sumontuotų irklinių ratų, kaip ir laboratorinis modelis.Modelis be antvandeninio borto yra 108 cm aukščio, 118 cm pločio ir 138 cm ilgio.Aplink maišytuvą pridėta horizontali cilindrinė plokštuma.Cilindrinės plokštumos generavimas turėtų įgyvendinti viso maišytuvo sukimąsi montavimo etape ir imituoti besisukantį srauto lauką flokuliatoriaus viduje, kaip parodyta 3a pav.
3D ANSYS-fluent ir modelio geometrijos diagrama, ANSYS-fluent flokuliatoriaus korpuso tinklelis dominančioje plokštumoje, ANSYS-fluent diagrama dominančioje plokštumoje.
Modelio geometrija susideda iš dviejų sričių, kurių kiekviena yra skysta.Tai pasiekiama naudojant loginės atimties funkciją.Pirmiausia iš dėžutės atimkite cilindrą (įskaitant maišytuvą), kad parodytumėte skystį.Tada atimkite maišytuvą iš cilindro ir gaukite du objektus: maišytuvą ir skystį.Galiausiai tarp dviejų sričių buvo pritaikyta slankioji sąsaja: cilindro ir cilindro sąsaja bei cilindro ir maišytuvo sąsaja (3a pav.).
Sukonstruotų modelių sujungimas buvo baigtas, kad atitiktų turbulencijos modelių, kurie bus naudojami skaitiniam modeliavimui atlikti, reikalavimus.Buvo naudojamas nestruktūrinis tinklelis su išplėstais sluoksniais šalia kieto paviršiaus.Sukurkite plėtimosi sluoksnius visoms sienoms, kurių augimo greitis yra 1,2, kad būtų užfiksuoti sudėtingi srauto modeliai, o pirmojo sluoksnio storis yra \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m, kad užtikrintumėte, jog \ ( {\tekstas {y))^{+}\le 1.0\).Korpuso dydis koreguojamas naudojant tetraedro pritaikymo metodą.Sukuriamas dviejų sąsajų priekinės pusės dydis, kurio elemento dydis yra 2,5 × \({10}^{-3}\) m, o maišytuvo priekinės dalies dydis yra 9 × \({10}^{-3}\ ) m taikomas.Pradinį sugeneruotą tinklelį sudarė 2144409 elementai (3b pav.).
Pradiniu baziniu modeliu pasirinktas dviejų parametrų k-ε turbulencijos modelis.Norint tiksliai imituoti sūkurinį srautą flokuliatoriaus viduje, buvo pasirinktas skaičiavimo požiūriu brangesnis modelis.Turbulentinis sūkurinis srautas flokuliatoriaus viduje buvo skaitiniu būdu ištirtas naudojant du CFD modelius: SST k – ω51 ir IDDES52.Abiejų modelių rezultatai buvo lyginami su eksperimentiniais PIV rezultatais, siekiant patvirtinti modelius.Pirma, SST k-ω turbulencijos modelis yra dviejų lygčių turbulentinio klampumo modelis, skirtas skysčių dinamikai.Tai hibridinis modelis, jungiantis Wilcox k-ω ir k-ε modelius.Maišymo funkcija suaktyvina Wilcox modelį šalia sienos ir k-ε modelį artėjančiame sraute.Tai užtikrina, kad visame srauto lauke bus naudojamas tinkamas modelis.Jis tiksliai prognozuoja srauto atsiskyrimą dėl nepalankių slėgio gradientų.Antra, buvo pasirinktas Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) metodas, plačiai naudojamas Individualiojo sūkurinio modeliavimo (DES) modelyje su SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) modeliu.IDDES yra hibridinis RANS-LES (didelio sūkurio modeliavimo) modelis, suteikiantis lankstesnį ir patogesnį raiškos mastelio (SRS) modeliavimo modelį.Jis pagrįstas LES modeliu, kad pašalintų didelius sūkurius, ir grįžta į SST k-ω, kad imituotų mažo masto sūkurius.SST k–ω ir IDDES modeliavimo rezultatų statistinė analizė buvo palyginta su PIV rezultatais, kad modelis būtų patvirtintas.
Pradiniu baziniu modeliu pasirinktas dviejų parametrų k-ε turbulencijos modelis.Norint tiksliai imituoti sūkurinį srautą flokuliatoriaus viduje, buvo pasirinktas skaičiavimo požiūriu brangesnis modelis.Turbulentinis sūkurinis srautas flokuliatoriaus viduje buvo skaitiniu būdu ištirtas naudojant du CFD modelius: SST k – ω51 ir IDDES52.Abiejų modelių rezultatai buvo lyginami su eksperimentiniais PIV rezultatais, siekiant patvirtinti modelius.Pirma, SST k-ω turbulencijos modelis yra dviejų lygčių turbulentinio klampumo modelis, skirtas skysčių dinamikai.Tai hibridinis modelis, jungiantis Wilcox k-ω ir k-ε modelius.Maišymo funkcija suaktyvina Wilcox modelį šalia sienos ir k-ε modelį artėjančiame sraute.Tai užtikrina, kad visame srauto lauke bus naudojamas tinkamas modelis.Jis tiksliai prognozuoja srauto atsiskyrimą dėl nepalankių slėgio gradientų.Antra, buvo pasirinktas Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) metodas, plačiai naudojamas Individualiojo sūkurinio modeliavimo (DES) modelyje su SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) modeliu.IDDES yra hibridinis RANS-LES (didelio sūkurio modeliavimo) modelis, suteikiantis lankstesnį ir patogesnį raiškos mastelio (SRS) modeliavimo modelį.Jis pagrįstas LES modeliu, kad pašalintų didelius sūkurius, ir grįžta į SST k-ω, kad imituotų mažo masto sūkurius.SST k–ω ir IDDES modeliavimo rezultatų statistinė analizė buvo palyginta su PIV rezultatais, kad modelis būtų patvirtintas.
Naudokite slėgiu pagrįstą pereinamojo laikotarpio tirpiklį ir naudokite gravitaciją Y kryptimi.Sukimas pasiekiamas maišytuvui priskiriant tinklelio judesį, kai sukimosi ašies pradžia yra horizontalios ašies centre, o sukimosi ašies kryptis yra Z kryptimi.Abiejų modelių geometrijos sąsajoms sukuriama tinklelio sąsaja, todėl susidaro dvi ribojančios dėžutės briaunos.Kaip ir eksperimentinėje technikoje, sukimosi greitis atitinka 3 ir 4 apsisukimus.
Ribinės sąlygos maišytuvo ir flokuliatoriaus sienelėms buvo nustatytos sienele, o viršutinė flokuliatoriaus anga – nulinio manometrinio slėgio išleidimo anga (3c pav.).PAPRASTA slėgio ir greičio ryšio schema, antros eilės funkcijų gradiento erdvės diskretizavimas su visais parametrais remiantis mažiausiųjų kvadratų elementais.Visų srauto kintamųjų konvergencijos kriterijus yra mastelio likutis 1 x \({10}^{-3}\).Didžiausias pakartojimų skaičius per laiko žingsnį yra 20, o laiko žingsnio dydis atitinka 0,5° pasukimą.Sprendimas konverguoja 8-oje iteracijoje SST k–ω modeliui ir 12-ajai iteracijai naudojant IDDES.Be to, paskaičiuotas laiko žingsnių skaičius, kad maišytuvas padarytų bent 12 apsisukimų.Taikyti duomenų atranką laiko statistikai po 3 apsisukimų, kurie leidžia normalizuoti srautą, panašiai kaip eksperimentinė procedūra.Palyginus kiekvieno apsisukimo greičio kilpų išvestį, gaunami lygiai tokie patys paskutinių keturių apsisukimų rezultatai, o tai rodo, kad buvo pasiekta pastovi būsena.Papildomi sūkiai nepagerino vidutinio greičio kontūrų.
Laiko žingsnis nustatomas atsižvelgiant į sukimosi greitį, 3 aps./min. arba 4 aps./min.Laiko žingsnis patikslinamas iki laiko, reikalingo maišytuvui pasukti 0,5°.Pasirodo, to pakanka, nes sprendimas lengvai susilieja, kaip aprašyta ankstesniame skyriuje.Taigi visi skaitiniai abiejų turbulencijos modelių skaičiavimai buvo atlikti naudojant modifikuotą laiko žingsnį 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) esant 3 aps./min., 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 aps./min.Tam tikram patikslinimo laiko žingsniui langelio Courant skaičius visada yra mažesnis nei 1,0.
Norint ištirti modelio tinklelio priklausomybę, rezultatai pirmiausia buvo gauti naudojant originalų 2,14M tinklelį, o tada rafinuotą 2,88M tinklelį.Tinklelio patobulinimas pasiekiamas sumažinus maišytuvo korpuso ląstelių dydį nuo 9 × \({10}^{-3}\) m iki 7 × \({10}^{-3}\) m.Dėl originalių ir patobulintų dviejų modelių turbulencijos tinklelių buvo palygintos vidutinės greičio modulių vertės skirtingose vietose aplink ašmenis.Procentinis skirtumas tarp rezultatų yra 1,73 % SST k–ω modelio ir 3,51 % IDDES modelio.IDDES rodo didesnį procentinį skirtumą, nes tai hibridinis RANS-LES modelis.Šie skirtumai buvo laikomi nereikšmingais, todėl modeliavimas buvo atliktas naudojant originalų tinklelį su 2,14 milijono elementų ir sukimosi laiko žingsnį 0,5°.
Eksperimento rezultatų atkuriamumas buvo ištirtas kiekvieną iš šešių eksperimentų atliekant antrą kartą ir lyginant rezultatus.Palyginkite greičio vertes ašmenų centre dviejose eksperimentų serijose.Vidutinis procentinis skirtumas tarp dviejų eksperimentinių grupių buvo 3,1%.PIV sistema taip pat buvo nepriklausomai kalibruota kiekvienam eksperimentui.Palyginkite analitiškai apskaičiuotą greitį kiekvienos mentės centre su PIV greičiu toje pačioje vietoje.Šis palyginimas parodo skirtumą su maksimalia 6,5 % procentine paklaida 1 peiliui.
Prieš kiekybiškai įvertinant slydimo koeficientą, būtina moksliškai suprasti slydimo irkliniame flokuliatoriuje sąvoką, todėl reikia ištirti srauto struktūrą aplink flokuliatoriaus irkles.Konceptualiai, slydimo koeficientas yra integruotas į mentelių flokuliatorių konstrukciją, kad būtų atsižvelgta į menčių greitį vandens atžvilgiu.Literatūroje rekomenduojama, kad šis greitis būtų 75 % ašmenų greičio, todėl daugumoje konstrukcijų šiam koregavimui paprastai naudojamas ak 0,25.Tam reikia naudoti greičio srautus, gautus iš PIV eksperimentų, kad būtų galima visiškai suprasti srauto greičio lauką ir ištirti šį slydimą.Ašmenys 1 yra vidiniai, esantys arčiausiai veleno, ašmenys 3 yra tolimiausi, o ašmenys 2 yra viduriniai.
Greičio srautai ant ašmenų 1 rodo tiesioginį besisukantį srautą aplink mentę.Šie srauto modeliai kyla iš taško, esančio dešinėje mentės pusėje, tarp rotoriaus ir mentės.Žvelgiant į sritį, pažymėtą raudonu taškiniu langeliu 4a paveiksle, įdomu nustatyti kitą recirkuliacijos srauto, esančio virš mentės ir aplink jį, aspektą.Srauto vizualizacija rodo mažą srautą į recirkuliacijos zoną.Šis srautas artėja iš dešinės ašmenų pusės maždaug 6 cm aukštyje nuo ašmenų galo, galbūt dėl pirmojo prieš ašmenį esančios rankos ašmenų įtakos, kuri matoma vaizde.Srauto vizualizacija esant 4 aps./min. rodo tą patį elgesį ir struktūrą, matyt, esant didesniam greičiui.
Trijų menčių greičio lauko ir srovės grafikai esant dviem sukimosi greičiams – 3 aps./min. ir 4 aps./min.Didžiausias vidutinis trijų menčių greitis esant 3 aps./min. yra atitinkamai 0,15 m/s, 0,20 m/s ir 0,16 m/s, o maksimalus vidutinis greitis esant 4 aps./min. yra 0,15 m/s, 0,22 m/s ir 0,22 m/s s, atitinkamai.ant trijų lapų.
Kita spiralinio srauto forma buvo rasta tarp 1 ir 2 mentelių. Vektoriaus laukas aiškiai rodo, kad vandens srautas juda aukštyn nuo 2 mentelės apačios, kaip rodo vektoriaus kryptis.Kaip parodyta punktyriniame langelyje 4b pav., šie vektoriai nekyla vertikaliai aukštyn nuo ašmenų paviršiaus, o pasisuka į dešinę ir palaipsniui leidžiasi žemyn.Mentės 1 paviršiuje išskiriami žemyn nukreipti vektoriai, kurie artėja prie abiejų menčių ir juos supa nuo tarp jų susidarančio recirkuliacijos srauto.Ta pati srauto struktūra buvo nustatyta esant abiem sukimosi greičiams, esant didesnei greičio amplitudei – 4 aps./min.
Mentės 3 greičio laukas neturi reikšmingo indėlio, nes ankstesnės mentės greičio vektorius, jungiantis srautą žemiau 3 mentės. Pagrindinis srautas po ašmenimis 3 atsiranda dėl vertikalaus greičio vektoriaus, kylančio su vandeniu.
Greičio vektorius virš mentės 3 paviršiaus galima suskirstyti į tris grupes, kaip parodyta 4c pav.Pirmasis rinkinys yra dešiniajame ašmenų krašte.Srauto struktūra šioje padėtyje yra tiesiai į dešinę ir aukštyn (ty link 2 mentės).Antroji grupė yra ašmenų vidurys.Šios padėties greičio vektorius nukreiptas tiesiai į viršų, be jokių nukrypimų ir be sukimosi.Greičio vertės sumažėjimas buvo nustatytas padidinus aukštį virš ašmenų galo.Trečiosios grupės, esančios kairėje menčių periferijoje, srautas nedelsiant nukreipiamas į kairę, ty į flokuliatoriaus sienelę.Didžioji dalis srauto, kurį vaizduoja greičio vektorius, kyla aukštyn, o dalis srauto eina horizontaliai žemyn.
Du turbulencijos modeliai, SST k – ω ir IDDES, buvo naudojami 3 aps./min. ir 4 aps./min. greičio profiliams sudaryti vidutinio ilgio plokštumoje.Kaip parodyta 5 paveiksle, pastovi būsena pasiekiama pasiekiant absoliutų panašumą tarp greičio kontūrų, sukurtų keturiais nuosekliais sukimais.Be to, IDDES generuoti laiko vidurkio greičio kontūrai pavaizduoti 6a pav., o SST k – ω sukurti laiko vidurkio greičio profiliai parodyti 6a pav.6b.
Naudojant IDDES ir laiko vidurkio greičio kilpas, sukurtas SST k – ω, IDDES turi didesnę greičio kilpų dalį.
Atidžiai ištirkite greičio profilį, sukurtą naudojant IDDES esant 3 aps./min., kaip parodyta 7 paveiksle. Maišytuvas sukasi pagal laikrodžio rodyklę ir srautas aptariamas pagal parodytas pastabas.
Ant pav.7 matyti, kad ašmenų 3 paviršiuje I kvadrante yra srauto atskyrimas, nes srautas nėra suvaržytas dėl viršutinės angos.II kvadrante nepastebėta srauto atsiskyrimo, nes srautą visiškai riboja flokuliatoriaus sienelės.III kvadrante vanduo sukasi daug mažesniu arba mažesniu greičiu nei ankstesniuose kvadrantuose.Vanduo I ir II kvadrantuose juda (ty pasukamas arba išstumiamas) žemyn, veikiant maišytuvui.O III kvadrante vanduo išstumiamas maišytuvo mentėmis.Akivaizdu, kad vandens masė šioje vietoje priešinasi artėjančiai flokuliatoriaus rankovei.Sukamasis srautas šiame kvadrante yra visiškai atskirtas.IV kvadranto atveju didžioji dalis oro srauto virš 3 mentės yra nukreipta į flokuliatoriaus sienelę ir palaipsniui praranda savo dydį, kai aukštis didėja iki viršutinės angos.
Be to, centrinėje vietoje yra sudėtingi srauto modeliai, dominuojantys III ir IV kvadrantuose, kaip rodo mėlynos punktyrinės elipsės.Ši pažymėta sritis neturi nieko bendra su besisukančiu srautu irklo flokuliatoriuje, nes sūkurinį judesį galima atpažinti.Tai skiriasi nuo I ir II kvadrantų, kuriuose vidinis srautas yra aiškiai atskirtas nuo viso besisukančio srauto.
Kaip parodyta pav.6 pav., lyginant IDDES ir SST k-ω rezultatus, pagrindinis skirtumas tarp greičio kontūrų yra greičio dydis, esantis iškart po ašmenimis 3. SST k-ω modelis aiškiai parodo, kad išplėstas didelio greičio srautas yra pernešamas 3 ašmenimis. palyginti su IDDES.
Kitas skirtumas yra III kvadrante.Iš IDDES, kaip minėta anksčiau, buvo pastebėtas sukimosi srauto atskyrimas tarp flokuliatoriaus svirčių.Tačiau šią padėtį stipriai veikia mažo greičio srautas iš kampų ir pirmojo peilio vidaus.Iš SST k – ω toje pačioje vietoje kontūro linijos rodo santykinai didesnį greitį, palyginti su IDDES, nes nėra susiliejančio srauto iš kitų regionų.
Norint teisingai suprasti srauto elgseną ir struktūrą, reikalingas kokybinis greičio vektoriaus laukų ir srautų supratimas.Atsižvelgiant į tai, kad kiekvienas peilis yra 5 cm pločio, per visą plotį buvo pasirinkti septyni greičio taškai, kad būtų pateiktas reprezentatyvus greičio profilis.Be to, reikia kiekybiškai suprasti greičio dydį kaip aukščio virš ašmenų paviršiaus funkciją, nubraižant greičio profilį tiesiai ant kiekvieno ašmenų paviršiaus ir ištisiniu 2,5 cm atstumu vertikaliai iki 10 cm aukščio.Daugiau informacijos rasite paveikslėlyje S1, S2 ir S3.A priedas. 8 paveiksle parodytas kiekvieno mentės paviršiaus greičio pasiskirstymo panašumas (Y = 0,0), gautas naudojant PIV eksperimentus ir ANSYS-Fluent analizę naudojant IDDES ir SST k-ω.Abu skaitmeniniai modeliai leidžia tiksliai imituoti srauto struktūrą flokuliatoriaus mentelių paviršiuje.
Greičio pasiskirstymai PIV, IDDES ir SST k–ω ašmenų paviršiuje.X ašis reiškia kiekvieno lapo plotį milimetrais, o pradžia (0 mm) reiškia kairįjį lapo kraštą, o galas (50 mm) – dešinįjį lapo kraštą.
Aiškiai matyti, kad menčių 2 ir 3 greičio pasiskirstymai parodyti 8 ir 8 pav.S2 ir S3 A priede rodo panašias aukščio tendencijas, o ašmenys 1 keičiasi nepriklausomai.2 ir 3 ašmenų greičio profiliai tampa idealiai tiesūs ir turi vienodą amplitudę 10 cm aukštyje nuo ašmenų galo.Tai reiškia, kad šiuo metu srautas tampa vienodas.Tai aiškiai matyti iš PIV rezultatų, kuriuos gerai atkuria IDDES.Tuo tarpu SST k – ω rezultatai rodo tam tikrus skirtumus, ypač esant 4 aps./min.
Svarbu pažymėti, kad ašmenys 1 visose padėtyse išlaiko vienodą greičio profilio formą ir nėra normalizuojami aukštyje, nes maišytuvo centre susidaręs sūkurys turi pirmąją visų pečių mentę.Be to, palyginti su IDDES, PIV ašmenų greičio profiliai 2 ir 3 daugelyje vietų rodė šiek tiek didesnes greičio vertes, kol jos buvo beveik lygios 10 cm virš peilio paviršiaus.
Paskelbimo laikas: 2022-12-27