Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Poleg tega, da zagotovimo stalno podporo, spletno mesto prikažemo brez slogov in JavaScripta.
Prikaže vrtiljak treh diapozitivov hkrati.Uporabite gumba Prejšnji in Naslednji, da se premikate po treh diapozitivih hkrati, ali pa uporabite gumbe drsnika na koncu, da se premikate skozi tri diapozitive hkrati.
V tej študiji je hidrodinamika flokulacije ovrednotena z eksperimentalnimi in numeričnimi raziskavami turbulentnega polja hitrosti toka v laboratorijskem flokulatorju z lopaticami.Turbulentni tok, ki spodbuja agregacijo delcev ali razpad kosmičev, je kompleksen in je v tem prispevku obravnavan in primerjan z uporabo dveh modelov turbulence, in sicer SST k-ω in IDDES.Rezultati kažejo, da IDDES zagotavlja zelo majhno izboljšavo v primerjavi s SST k-ω, kar zadostuje za natančno simulacijo pretoka v flokulatorju z lopaticami.Ocena fit se uporablja za raziskovanje konvergence rezultatov PIV in CFD ter za primerjavo rezultatov uporabljenega modela turbulence CFD.Študija se osredotoča tudi na kvantificiranje faktorja zdrsa k, ki je 0,18 pri nizkih vrtljajih 3 in 4 vrt/min v primerjavi z običajno tipično vrednostjo 0,25.Zmanjšanje k z 0,25 na 0,18 poveča moč, ki jo prenaša tekočina, za približno 27-30 % in poveča gradient hitrosti (G) za približno 14 %.To pomeni, da je doseženo intenzivnejše mešanje od pričakovanega, zato je poraba energije manjša, zato je poraba energije v flokulacijski enoti čistilne naprave za pitno vodo lahko manjša.
Pri čiščenju vode dodatek koagulantov destabilizira majhne koloidne delce in nečistoče, ki se nato združijo v flokulacijo na stopnji flokulacije.Kosmiči so ohlapno povezani fraktalni agregati mase, ki se nato odstranijo z usedanjem.Lastnosti delcev in pogoji mešanja tekočin določajo učinkovitost postopka flokulacije in obdelave.Flokulacija zahteva počasno mešanje v relativno kratkem času in veliko energije za mešanje velikih količin vode1.
Med flokulacijo hidrodinamika celotnega sistema in kemija interakcije med koagulantom in delci določata hitrost, s katero se doseže stacionarna porazdelitev velikosti delcev2.Ko delci trčijo, se zlepijo drug na drugega3.Oyegbile, Ay4 je poročal, da so trki odvisni od transportnih mehanizmov flokulacije Brownove difuzije, striženja tekočine in diferencialnega usedanja.Ko kosmiči trčijo, rastejo in dosežejo določeno mejo velikosti, kar lahko privede do lomljenja, saj kosmiči ne prenesejo sile hidrodinamičnih sil5.Nekateri od teh zdrobljenih kosmičev se ponovno združijo v manjše ali enake velikosti6.Vendar pa se močni kosmiči lahko uprejo tej sili in ohranijo svojo velikost ter celo rastejo7.Yukselen in Gregory8 sta poročala o študijah, povezanih z uničenjem kosmičev in njihovo sposobnostjo regeneracije, kar kaže, da je ireverzibilnost omejena.Bridgeman, Jefferson9 je uporabil CFD za oceno lokalnega vpliva povprečnega pretoka in turbulence na tvorbo in drobljenje kosmičev prek lokalnih gradientov hitrosti.V rezervoarjih, opremljenih z rotorskimi lopaticami, je treba spreminjati hitrost, s katero agregati trčijo z drugimi delci, ko so dovolj destabilizirani v fazi koagulacije.Z uporabo CFD in nižjih vrtilnih hitrosti okoli 15 rpm sta Vadasarukkai in Gagnon11 uspela doseči vrednosti G za flokulacijo s koničnimi rezili, s čimer sta zmanjšala porabo energije za mešanje.Vendar pa lahko delovanje pri višjih vrednostih G povzroči flokulacijo.Raziskovali so vpliv hitrosti mešanja na določanje povprečnega gradienta hitrosti flokulatorja z lopaticami.Vrtijo se s hitrostjo več kot 5 obratov na minuto.
Korpijärvi, Ahlstedt12 sta uporabila štiri različne turbulenčne modele za preučevanje polja toka na preskusni napravi za rezervoar.Izmerili so pretočno polje z laserskim Dopplerjevim anemometrom in PIV ter primerjali izračunane rezultate z izmerjenimi.de Oliveira in Donadel13 sta predlagala alternativno metodo za ocenjevanje gradientov hitrosti iz hidrodinamičnih lastnosti z uporabo CFD.Predlagana metoda je bila testirana na šestih flokulacijskih enotah, ki temeljijo na vijačni geometriji.ocenil učinek retenzijskega časa na flokulante in predlagal model flokulacije, ki se lahko uporablja kot orodje za podporo racionalne zasnove celic z nizkimi retenzijskimi časi14.Zhan, You15 je predlagal kombinirani model CFD in populacijske bilance za simulacijo značilnosti pretoka in obnašanja kosmičev pri flokulaciji v polnem obsegu.Llano-Serna, Coral-Portillo16 sta raziskovala pretočne značilnosti hidroflokulatorja tipa Cox v čistilni napravi v Viterbu v Kolumbiji.Čeprav ima CFD svoje prednosti, obstajajo tudi omejitve, kot so numerične napake v izračunih.Zato je treba vse pridobljene numerične rezultate skrbno preučiti in analizirati, da bi lahko sprejeli kritične zaključke17.V literaturi je le malo študij o načrtovanju vodoravnih flokulatorjev, medtem ko so priporočila za načrtovanje hidrodinamičnih flokulatorjev omejena18.Chen, Liao19 je za merjenje stanja polarizacije razpršene svetlobe iz posameznih delcev uporabil eksperimentalno postavitev, ki temelji na sipanju polarizirane svetlobe.Feng, Zhang20 je uporabil Ansys-Fluent za simulacijo porazdelitve vrtinčnih tokov in vrtinčenja v polju toka flokulatorja s koagulirano ploščo in flokulatorja z vmesnimi valovi.Po simulaciji turbulentnega toka tekočine v flokulatorju z uporabo Ansys-Fluent je Gavi21 uporabil rezultate za načrtovanje flokulatorja.Vaneli in Teixeira22 sta poročala, da je razmerje med dinamiko tekočin spiralnih cevnih flokulatorjev in procesom flokulacije še vedno slabo razumljeno, da bi podpiralo racionalno zasnovo.de Oliveira in Costa Teixeira23 sta preučevala učinkovitost in prikazala hidrodinamične lastnosti spiralnega cevnega flokulatorja s fizikalnimi poskusi in simulacijami CFD.Številni raziskovalci so preučevali reaktorje z zvitimi cevmi ali flokulatorje z zvitimi cevmi.Vendar še vedno manjkajo podrobne hidrodinamične informacije o odzivu teh reaktorjev na različne zasnove in pogoje delovanja (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira in Teixeira26 predstavljata izvirne rezultate teoretičnih, eksperimentalnih in CFD simulacij spiralnega flokulatorja.Oliveira in Teixeira27 sta predlagala uporabo spiralne tuljave kot koagulacijsko-flokulacijskega reaktorja v kombinaciji z običajnim dekanterskim sistemom.Poročajo, da se rezultati, pridobljeni za učinkovitost odstranjevanja motnosti, bistveno razlikujejo od tistih, pridobljenih z običajno uporabljenimi modeli za vrednotenje flokulacije, kar kaže na previdnost pri uporabi takih modelov.Moruzzi in de Oliveira [28] sta modelirala obnašanje sistema neprekinjenih flokulacijskih komor v različnih delovnih pogojih, vključno z variacijami v številu uporabljenih komor in uporabo fiksnih ali pomanjšanih gradientov celične hitrosti.Romphophak, Le Men29 PIV meritve trenutnih hitrosti v kvazidvodimenzionalnih čistilnikih s curkom.Ugotovili so močno cirkulacijo, ki jo povzroči curek, v coni flokulacije in ocenili lokalne in trenutne strižne stopnje.
Shah, Joshi30 poroča, da CFD ponuja zanimivo alternativo za izboljšanje zasnov in pridobivanje značilnosti virtualnega toka.To pomaga preprečiti obsežne poskusne nastavitve.CFD se vedno bolj uporablja za analizo vode in čistilnih naprav (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Več preiskovalcev je izvedlo poskuse na opremi za testiranje pločevink (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) in flokulatorjih s perforiranimi diski31.Drugi so uporabili CFD za oceno hidroflokulatorjev (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 je poročal, da je treba mehanske flokulatorje redno vzdrževati, saj se pogosto pokvarijo in potrebujejo veliko električne energije.
Učinkovitost flokulatorja z lopaticami je močno odvisna od hidrodinamike rezervoarja.Pomanjkanje kvantitativnega razumevanja polj hitrosti toka v takšnih flokulatorjih je jasno navedeno v literaturi (Howe, Hand38; Hendricks39).Celotna vodna masa je podvržena gibanju rotorja flokulatorja, zato je pričakovan zdrs.Običajno je hitrost tekočine manjša od hitrosti lopatice za faktor zdrsa k, ki je definiran kot razmerje med hitrostjo vodnega telesa in hitrostjo lopaticnega kolesa.Bhole40 je poročal, da je pri načrtovanju flokulatorja treba upoštevati tri neznane dejavnike, in sicer gradient hitrosti, koeficient upora in relativno hitrost vode glede na rezilo.
Camp41 poroča, da je pri strojih z visoko hitrostjo hitrost približno 24 % hitrosti rotorja in kar 32 % pri strojih z nizko hitrostjo.V odsotnosti septuma sta Droste in Ger42 uporabila vrednost ak 0,25, medtem ko je v primeru septuma k znašal od 0 do 0,15.Howe, Hand38 nakazujeta, da je k v območju od 0,2 do 0,3.Hendrix39 je povezal faktor zdrsa z vrtilno hitrostjo z empirično formulo in ugotovil, da je tudi faktor zdrsa v območju, ki ga je določil Camp41.Bratby43 je poročal, da je k približno 0,2 za hitrosti rotorja od 1,8 do 5,4 rpm in se poveča na 0,35 za hitrosti rotorja od 0,9 do 3 rpm.Drugi raziskovalci poročajo o širokem razponu vrednosti koeficienta upora (Cd) od 1,0 do 1,8 in vrednosti koeficienta zdrsa k od 0,25 do 0,40 (Feir in Geyer44; Hyde in Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; ter Bratby in Marais48 ).Literatura ne kaže pomembnega napredka pri definiranju in kvantificiranju k od dela Camp41.
Postopek flokulacije temelji na turbulenci za olajšanje trkov, pri čemer se gradient hitrosti (G) uporablja za merjenje turbulence/flokulacije.Mešanje je postopek hitrega in enakomernega razprševanja kemikalij v vodi.Stopnja mešanja se meri z gradientom hitrosti:
kjer je G = gradient hitrosti (s-1), P = vhodna moč (W), V = prostornina vode (m3), μ = dinamična viskoznost (Pa s).
Višja kot je vrednost G, bolj mešana.Za zagotovitev enakomerne koagulacije je bistveno temeljito mešanje.Literatura navaja, da sta najpomembnejša konstrukcijska parametra čas mešanja (t) in gradient hitrosti (G).Postopek flokulacije temelji na turbulenci za olajšanje trkov, pri čemer se gradient hitrosti (G) uporablja za merjenje turbulence/flokulacije.Tipične konstrukcijske vrednosti za G so 20 do 70 s–1, t je 15 do 30 minut in Gt (brezdimenzijski) je 104 do 105. Rezervoarji za hitro mešanje najbolje delujejo z vrednostmi G od 700 do 1000, s časovnim zadrževanjem približno 2 minuti.
kjer je P moč, ki jo vsaka lopatica flokulatorja prenaša na tekočino, N je hitrost vrtenja, b je dolžina lopatice, ρ je gostota vode, r je polmer in k je koeficient zdrsa.Ta enačba se uporabi za vsako rezilo posebej in rezultati se seštejejo, da dobimo skupno vhodno moč flokulatorja.Natančna študija te enačbe kaže pomen faktorja zdrsa k v procesu oblikovanja flokulatorja z lopaticami.Literatura ne navaja točne vrednosti k, temveč priporoča razpon, kot je navedeno prej.Vendar je razmerje med močjo P in koeficientom zdrsa k kubično.Torej, pod pogojem, da so vsi parametri enaki, bo na primer sprememba k z 0,25 na 0,3 povzročila zmanjšanje moči, ki se prenaša na tekočino na rezilo, za približno 20 %, zmanjšanje k z 0,25 na 0,18 pa jo bo povečalo.za približno 27-30 % na lopatico. Moč, ki se prenese na tekočino.Končno je treba s tehnično kvantifikacijo raziskati učinek k na trajnostno zasnovo lopaticnega flokulatorja.
Natančna empirična kvantifikacija zdrsa zahteva vizualizacijo in simulacijo toka.Zato je pomembno opisati tangencialno hitrost rezila v vodi pri določeni hitrosti vrtenja na različnih radialnih razdaljah od gredi in na različnih globinah od vodne površine, da bi ocenili učinek različnih položajev rezila.
V tej študiji je hidrodinamika flokulacije ovrednotena z eksperimentalnimi in numeričnimi raziskavami turbulentnega polja hitrosti toka v laboratorijskem flokulatorju z lopaticami.Meritve PIV se zabeležijo na flokulatorju, kar ustvari časovno povprečne konture hitrosti, ki prikazujejo hitrost vodnih delcev okoli listov.Poleg tega je bil ANSYS-Fluent CFD uporabljen za simulacijo vrtinčnega toka znotraj flokulatorja in ustvarjanje kontur hitrosti s časovnim povprečjem.Nastali model CFD je bil potrjen z oceno ujemanja med rezultati PIV in CFD.Poudarek tega dela je na kvantificiranju koeficienta zdrsa k, ki je brezdimenzijski konstrukcijski parameter lopastega flokulatorja.Tukaj predstavljeno delo zagotavlja novo osnovo za kvantificiranje koeficienta zdrsa k pri nizkih vrtljajih 3 vrt/min in 4 vrt/min.Posledice rezultatov neposredno prispevajo k boljšemu razumevanju hidrodinamike flokulacijske posode.
Laboratorijski flokulator je sestavljen iz odprte pravokotne škatle s skupno višino 147 cm, višino 39 cm, skupno širino 118 cm in skupno dolžino 138 cm (slika 1).Glavna merila načrtovanja, ki jih je razvil Camp49, so bila uporabljena za načrtovanje laboratorijskega lopastega flokulatorja in uporabo načel dimenzijske analize.Eksperimentalni objekt je bil zgrajen v Laboratoriju za okoljsko inženirstvo Libanonske ameriške univerze (Byblos, Libanon).
Vodoravna os se nahaja na višini 60 cm od dna in sprejme dve kolesi z lopaticami.Vsako kolo z lopaticami je sestavljeno iz 4 lopatic s 3 lopaticami na vsakem veslu, kar je skupno 12 lopatic.Flokulacija zahteva nežno mešanje pri nizki hitrosti od 2 do 6 obratov na minuto.Najpogostejši hitrosti mešanja v flokulatorjih sta 3 vrt/min in 4 vrt/min.Pretok flokulatorja v laboratorijskem merilu je zasnovan tako, da predstavlja pretok v predelku rezervoarja za flokulacijo čistilne naprave za pitno vodo.Moč se izračuna z uporabo tradicionalne enačbe 42 .Za obe hitrosti vrtenja je gradient hitrosti \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) večji od 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , Reynoldsovo število označuje turbulenten tok (tabela 1).
PIV se uporablja za doseganje natančnih in kvantitativnih meritev vektorjev hitrosti tekočine hkrati na zelo velikem številu točk50.Eksperimentalna postavitev je vključevala laboratorijski lopatični flokulator, sistem LaVision PIV (2017) in sprožilec zunanjega laserskega senzorja Arduino.Za ustvarjanje časovno povprečnih profilov hitrosti so bile slike PIV zaporedno posnete na isti lokaciji.Sistem PIV je kalibriran tako, da je ciljno območje na sredini dolžine vsakega od treh rezil posamezne roke vesla.Zunanji sprožilec je sestavljen iz laserja, ki se nahaja na eni strani širine flokulatorja in senzorskega sprejemnika na drugi strani.Vsakič, ko roka flokulatorja blokira pot laserja, se sistemu PIV pošlje signal za zajem slike z laserjem PIV in kamero, sinhronizirano s programljivo časovno enoto.Na sl.2 prikazuje namestitev sistema PIV in postopek zajema slike.
Snemanje PIV se je začelo po tem, ko je flokulator deloval 5–10 minut, da se normalizira pretok in upošteva isto polje lomnega količnika.Umerjanje se izvede z uporabo kalibracijske plošče, potopljene v flokulator in postavljene na sredino dolžine lopatice, ki nas zanima.Prilagodite položaj laserja PIV tako, da se oblikuje ravna svetlobna plošča neposredno nad kalibracijsko ploščo.Zabeležite izmerjene vrednosti za vsako hitrost vrtenja vsakega rezila, hitrosti vrtenja, izbrane za poskus, pa so 3 vrt./min in 4 vrt./min.
Za vse PIV posnetke je bil časovni interval med dvema laserskima impulzoma nastavljen v območju od 6900 do 7700 µs, kar je omogočilo minimalni premik delcev 5 pikslov.Pilotni testi so bili izvedeni na številu slik, potrebnih za pridobitev natančnih časovno povprečnih meritev.Vektorsko statistiko smo primerjali za vzorce, ki vsebujejo 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 in 280 slik.Ugotovljeno je bilo, da velikost vzorca 240 slik daje stabilne časovno povprečne rezultate glede na to, da je vsaka slika sestavljena iz dveh okvirjev.
Ker je tok v flokulatorju turbulenten, sta za razrešitev majhnih turbulentnih struktur potrebna majhno izpraševalno okno in veliko število delcev.Za zagotovitev natančnosti se uporabi več iteracij zmanjšanja velikosti skupaj z algoritmom navzkrižne korelacije.Začetni velikosti anketnega okna 48 × 48 slikovnih pik s 50-odstotnim prekrivanjem in enim postopkom prilagajanja je sledila končna velikost anketnega okna 32 × 32 slikovnih pik s 100-odstotnim prekrivanjem in dvema postopkoma prilagajanja.Poleg tega so bile steklene votle krogle uporabljene kot semenski delci v toku, kar je omogočilo vsaj 10 delcev na volilno okno.Snemanje PIV sproži vir sprožitve v programljivi časovni enoti (PTU), ki je odgovorna za delovanje in sinhronizacijo laserskega vira in kamere.
Za razvoj 3D modela in reševanje osnovnih enačb toka je bil uporabljen komercialni paket CFD ANSYS Fluent v 19.1.
Z uporabo ANSYS-Fluent je bil ustvarjen 3D model laboratorijskega lopastega flokulatorja.Model je izdelan v obliki pravokotne škatle, sestavljene iz dveh lopatic, nameščenih na vodoravni osi, kot laboratorijski model.Model brez nadvodja je visok 108 cm, širok 118 cm in dolg 138 cm.Okoli mešalnika je bila dodana vodoravna cilindrična ravnina.Generacija cilindrične ravnine bi morala izvajati vrtenje celotnega mešalnika med fazo namestitve in simulirati vrtljivo polje toka znotraj flokulatorja, kot je prikazano na sliki 3a.
3D ANSYS-fluentni in modelni geometrijski diagram, ANSYS-fluentna mreža telesa flokulatorja na zanimivi ravnini, ANSYS-fluentni diagram na zanimivi ravnini.
Geometrija modela je sestavljena iz dveh regij, od katerih je vsaka tekočina.To se doseže s funkcijo logičnega odštevanja.Najprej odštejte valj (vključno z mešalnikom) od škatle, ki predstavlja tekočino.Nato odštejte mešalnik od valja, tako da dobite dva predmeta: mešalnik in tekočino.Končno je bil uporabljen drsni vmesnik med dvema področjema: vmesnik valj-valj in vmesnik valj-mešalnik (slika 3a).
Mreža konstruiranih modelov je bila zaključena, da bi izpolnili zahteve turbulenčnih modelov, ki bodo uporabljeni za izvajanje numeričnih simulacij.Uporabljena je bila nestrukturirana mreža z razširjenimi plastmi blizu trdne površine.Ustvarite ekspanzijske plasti za vse stene s stopnjo rasti 1,2, da zagotovite zajem kompleksnih vzorcev toka, z debelino prve plasti \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m, da zagotovite \ ( {\besedilo {y))^{+}\le 1.0\).Velikost telesa je prilagojena z metodo prileganja tetraedra.Ustvari se velikost sprednje strani dveh vmesnikov z velikostjo elementa 2,5 × \({10}^{-3}\) m in velikost sprednje strani mešalnika 9 × \({10}^{-3}\ ) m se uporablja.Prvotna ustvarjena mreža je bila sestavljena iz 2144409 elementov (slika 3b).
Kot začetni osnovni model je bil izbran dvoparametrski k–ε turbulenčni model.Za natančno simulacijo vrtinčnega toka znotraj flokulatorja je bil izbran računsko dražji model.Turbulentni vrtinčni tok znotraj flokulatorja je bil numerično raziskan z uporabo dveh modelov CFD: SST k–ω51 in IDDES52.Rezultate obeh modelov smo primerjali z eksperimentalnimi rezultati PIV, da bi potrdili modele.Prvič, turbulenčni model SST k-ω je model turbulentne viskoznosti z dvema enačbama za aplikacije dinamike tekočin.To je hibridni model, ki združuje Wilcoxova modela k-ω in k-ε.Funkcija mešanja aktivira Wilcoxov model ob steni in k-ε model v prihajajočem toku.To zagotavlja uporabo pravilnega modela v celotnem polju pretoka.Natančno napove ločitev toka zaradi neugodnih gradientov tlaka.Drugič, izbrana je bila metoda Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), ki se pogosto uporablja v modelu Individual Eddy Simulation (DES) z modelom SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES je hibridni model RANS-LES (simulacija velikih vrtincev), ki zagotavlja bolj prilagodljiv in uporabniku prijazen simulacijski model skaliranja ločljivosti (SRS).Temelji na modelu LES za razreševanje velikih vrtincev in se vrne na SST k-ω za simulacijo vrtincev majhnega obsega.Statistične analize rezultatov simulacij SST k–ω in IDDES so bile primerjane z rezultati PIV za potrditev modela.
Kot začetni osnovni model je bil izbran dvoparametrski k–ε turbulenčni model.Za natančno simulacijo vrtinčnega toka znotraj flokulatorja je bil izbran računsko dražji model.Turbulentni vrtinčni tok znotraj flokulatorja je bil numerično raziskan z uporabo dveh modelov CFD: SST k–ω51 in IDDES52.Rezultate obeh modelov smo primerjali z eksperimentalnimi rezultati PIV, da bi potrdili modele.Prvič, turbulenčni model SST k-ω je model turbulentne viskoznosti z dvema enačbama za aplikacije dinamike tekočin.To je hibridni model, ki združuje Wilcoxova modela k-ω in k-ε.Funkcija mešanja aktivira Wilcoxov model ob steni in k-ε model v prihajajočem toku.To zagotavlja uporabo pravilnega modela v celotnem polju pretoka.Natančno napove ločitev toka zaradi neugodnih gradientov tlaka.Drugič, izbrana je bila metoda Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), ki se pogosto uporablja v modelu Individual Eddy Simulation (DES) z modelom SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES je hibridni model RANS-LES (simulacija velikih vrtincev), ki zagotavlja bolj prilagodljiv in uporabniku prijazen simulacijski model skaliranja ločljivosti (SRS).Temelji na modelu LES za razreševanje velikih vrtincev in se vrne na SST k-ω za simulacijo vrtincev majhnega obsega.Statistične analize rezultatov simulacij SST k–ω in IDDES so bile primerjane z rezultati PIV za potrditev modela.
Uporabite reševalec prehodnih pojavov na podlagi tlaka in uporabite gravitacijo v smeri Y.Vrtenje se doseže z dodelitvijo gibanja mreže mešalniku, kjer je izhodišče osi vrtenja v središču vodoravne osi, smer osi vrtenja pa je v smeri Z.Mrežni vmesnik je ustvarjen za oba vmesnika geometrije modela, kar ima za posledico dva robova omejevalne škatle.Tako kot pri eksperimentalni tehniki hitrost vrtenja ustreza 3 in 4 vrtljajem.
Robni pogoji za stene mešalnika in flokulatorja so bili določeni s steno, zgornja odprtina flokulatorja pa je bila določena z izhodom z ničelnim nadtlakom (slika 3c).PREPROSTA komunikacijska shema tlak-hitrost, diskretizacija gradientnega prostora funkcij drugega reda z vsemi parametri, ki temeljijo na elementih najmanjših kvadratov.Konvergenčni kriterij za vse spremenljivke toka je skalirani ostanek 1 x \({10}^{-3}\).Največje število ponovitev na časovni korak je 20, velikost časovnega koraka pa ustreza rotaciji 0,5°.Rešitev konvergira pri 8. iteraciji za model SST k–ω in pri 12. iteraciji z uporabo IDDES.Poleg tega je bilo izračunano število časovnih korakov, tako da je mešalnik naredil najmanj 12 obratov.Uporabite vzorčenje podatkov za časovno statistiko po 3 rotacijah, kar omogoča normalizacijo toka, podobno kot eksperimentalni postopek.Primerjava izhodnih vrednosti zank hitrosti za vsak vrtljaj daje popolnoma enake rezultate za zadnje štiri vrtljaje, kar kaže, da je bilo doseženo stabilno stanje.Dodatni vrtljaji niso izboljšali obrisov srednje hitrosti.
Časovni korak je določen glede na hitrost vrtenja, 3 rpm ali 4 rpm.Časovni korak se zmanjša na čas, potreben za vrtenje mešalnika za 0,5°.To se izkaže za dovolj, saj rešitev zlahka konvergira, kot je opisano v prejšnjem razdelku.Tako so bili vsi numerični izračuni za oba turbulenčna modela izvedeni z uporabo spremenjenega časovnega koraka 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) za 3 vrt./min, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 vrt./min.Za dani časovni korak prečiščevanja je Courantovo število celice vedno manjše od 1,0.
Za raziskovanje odvisnosti modela od mreže so bili rezultati najprej pridobljeni z uporabo originalne mreže 2,14 M in nato izboljšane mreže 2,88 M.Natančnejša mreža je dosežena z zmanjšanjem velikosti celice telesa mešalnika z 9 × \({10}^{-3}\) m na 7 × \({10}^{-3}\) m.Za izvirno in prečiščeno mrežo obeh modelov turbulence so primerjali povprečne vrednosti modulov hitrosti na različnih mestih okoli lopatice.Odstotna razlika med rezultati je 1,73 % za model SST k–ω in 3,51 % za model IDDES.IDDES kaže višjo odstotno razliko, ker gre za hibridni model RANS-LES.Te razlike so bile ocenjene kot nepomembne, zato je bila simulacija izvedena z uporabo originalne mreže z 2,14 milijona elementov in časovnim korakom vrtenja 0,5°.
Ponovljivost eksperimentalnih rezultatov smo preverili tako, da smo vsakega od šestih poskusov izvedli drugič in rezultate primerjali.Primerjajte vrednosti hitrosti na sredini rezila v dveh serijah poskusov.Povprečna odstotna razlika med obema poskusnima skupinama je bila 3,1 %.Sistem PIV je bil tudi neodvisno ponovno umerjen za vsak poskus.Primerjajte analitično izračunano hitrost na sredini vsake lopatice s hitrostjo PIV na isti lokaciji.Ta primerjava prikazuje razliko z največjo odstotno napako 6,5 % za rezilo 1.
Pred kvantificiranjem faktorja zdrsa je treba znanstveno razumeti koncept zdrsa v flokulatorju z lopaticami, kar zahteva preučevanje strukture toka okoli lopatic flokulatorja.Konceptualno je koeficient zdrsa vgrajen v zasnovo lopaticnih flokulatorjev, da upošteva hitrost lopatic glede na vodo.Literatura priporoča, da je ta hitrost 75 % hitrosti rezila, zato večina modelov običajno uporablja ak 0,25 za upoštevanje te prilagoditve.To zahteva uporabo linij pretoka hitrosti, ki izhajajo iz poskusov PIV, da bi v celoti razumeli polje hitrosti toka in preučili ta zdrs.Rezilo 1 je najbolj notranje rezilo, ki je najbližje gredi, rezilo 3 je najbolj zunanje rezilo, rezilo 2 pa je srednje rezilo.
Linije pretoka hitrosti na lopatici 1 kažejo neposreden rotacijski tok okoli lopatice.Ti vzorci toka izhajajo iz točke na desni strani lopatice, med rotorjem in lopato.Če pogledamo območje, označeno z rdečim pikčastim poljem na sliki 4a, je zanimivo identificirati še en vidik recirkulacijskega toka nad in okoli rezila.Vizualizacija pretoka kaže majhen pretok v cono recirkulacije.Ta tok se približa z desne strani rezila na višini približno 6 cm od konca rezila, verjetno zaradi vpliva prvega rezila roke pred rezilom, kar je vidno na sliki.Vizualizacija pretoka pri 4 obratih na minuto kaže enako obnašanje in strukturo, očitno pri višjih hitrostih.
Grafi hitrostnega polja in toka treh rezil pri dveh vrtilnih hitrostih 3 vrt/min in 4 vrt/min.Največja povprečna hitrost treh rezil pri 3 obratih na minuto je 0,15 m/s, 0,20 m/s in 0,16 m/s, največja povprečna hitrost pri 4 obratih na minuto pa je 0,15 m/s, 0,22 m/s in 0,22 m/s. s oziroma.na treh listih.
Druga oblika vijačnega toka je bila najdena med lopaticama 1 in 2. Vektorsko polje jasno kaže, da se tok vode premika navzgor od dna lopatice 2, kot kaže smer vektorja.Kot je prikazano s pikčastim poljem na sliki 4b, ti vektorji ne gredo navpično navzgor od površine rezila, ampak se obrnejo v desno in se postopoma spuščajo.Na površini lopatice 1 se razlikujejo navzdol usmerjeni vektorji, ki se približajo obema lopaticema in ju obkrožajo zaradi recirkulacijskega toka, ki nastane med njima.Ugotovljena je bila enaka struktura toka pri obeh hitrostih vrtenja z višjo amplitudo hitrosti 4 vrt/min.
Polje hitrosti lopatice 3 ne prispeva bistveno k vektorju hitrosti prejšnje lopatice, ki se povezuje s tokom pod lopatico 3. Glavni tok pod lopatico 3 je posledica navpičnega vektorja hitrosti, ki se dviga z vodo.
Vektorje hitrosti po površini rezila 3 lahko razdelimo v tri skupine, kot je prikazano na sliki 4c.Prvi niz je tisti na desnem robu rezila.Struktura toka v tem položaju je naravnost v desno in navzgor (tj. proti rezilu 2).Druga skupina je sredina rezila.Vektor hitrosti za ta položaj je usmerjen naravnost navzgor, brez odstopanja in brez rotacije.Zmanjšanje vrednosti hitrosti je bilo ugotovljeno s povečanjem višine nad koncem rezila.Pri tretji skupini, ki se nahaja na levem obodu lopatic, je tok takoj usmerjen v levo, torej na steno flokulatorja.Večina toka, ki ga predstavlja vektor hitrosti, gre navzgor, del toka pa vodoravno navzdol.
Dva modela turbulence, SST k–ω in IDDES, sta bila uporabljena za konstrukcijo časovno povprečenih profilov hitrosti za 3 rpm in 4 rpm v ravnini srednje dolžine lopatice.Kot je prikazano na sliki 5, je stabilno stanje doseženo z doseganjem absolutne podobnosti med obrisi hitrosti, ki jih ustvarijo štiri zaporedne rotacije.Poleg tega so na sliki 6a prikazani časovno povprečni konturi hitrosti, ki jih ustvari IDDES, medtem ko so časovno povprečni profili hitrosti, ki jih ustvari SST k – ω, prikazani na sliki 6a.6b.
Z uporabo IDDES in časovno povprečenih hitrostnih zank, ki jih ustvari SST k–ω, ima IDDES večji delež hitrostnih zank.
Previdno preglejte profil hitrosti, ustvarjen s IDDES pri 3 obratih na minuto, kot je prikazano na sliki 7. Mešalnik se vrti v smeri urinega kazalca in pretok je obravnavan v skladu s prikazanimi opombami.
Na sl.7 je razvidno, da na površini rezila 3 v I kvadrantu obstaja ločitev toka, saj tok ni omejen zaradi prisotnosti zgornje luknje.V kvadrantu II ni opaziti ločevanja toka, saj je tok popolnoma omejen s stenami flokulatorja.V kvadrantu III se voda vrti z veliko manjšo ali manjšo hitrostjo kot v prejšnjih kvadrantih.Voda v kvadrantih I in II se z delovanjem mešalnika premakne (tj. zavrti ali potisne ven) navzdol.In v kvadrantu III vodo potiskajo lopatice mešala.Očitno je, da se vodna masa na tem mestu upira bližajočemu se tulcu flokulatorja.Rotacijski tok v tem kvadrantu je popolnoma ločen.Za kvadrant IV je večina zračnega toka nad lopatico 3 usmerjena proti steni flokulatorja in postopoma izgublja svojo velikost, ko se višina povečuje do zgornje odprtine.
Poleg tega osrednja lokacija vključuje zapletene vzorce toka, ki prevladujejo v kvadrantih III in IV, kot prikazujejo modre pikčaste elipse.To označeno območje nima nobene zveze z vrtinčenjem v flokulatorju z lopaticami, saj je mogoče prepoznati vrtinčenje.To je v nasprotju s kvadrantoma I in II, kjer obstaja jasna ločitev med notranjim tokom in polnim rotacijskim tokom.
Kot je prikazano na sl.6, pri primerjavi rezultatov IDDES in SST k-ω, je glavna razlika med obrisi hitrosti velikost hitrosti tik pod lopato 3. Model SST k-ω jasno kaže, da razširjeni tok visoke hitrosti nosi lopatica 3 v primerjavi z IDDES.
Druga razlika je v kvadrantu III.Iz IDDES je bilo, kot je bilo omenjeno prej, ugotovljeno ločevanje rotacijskega toka med rokama flokulatorja.Vendar pa na ta položaj močno vpliva tok nizke hitrosti iz vogalov in notranjosti prvega rezila.Od SST k–ω za isto lokacijo kažejo konturne črte relativno višje hitrosti v primerjavi z IDDES, ker ni sotočnega toka iz drugih regij.
Za pravilno razumevanje obnašanja in strukture toka je potrebno kvalitativno razumevanje polj vektorjev hitrosti in tokov.Glede na to, da je vsaka lopatica široka 5 cm, je bilo po vsej širini izbranih sedem točk hitrosti, da se zagotovi reprezentativen profil hitrosti.Poleg tega je potrebno kvantitativno razumevanje velikosti hitrosti kot funkcije višine nad površino rezila, tako da se profil hitrosti nariše neposredno na vsako površino rezila in na neprekinjeni razdalji 2,5 cm navpično do višine 10 cm.Za več informacij glejte S1, S2 in S3 na sliki.Dodatek A. Slika 8 prikazuje podobnost porazdelitve površinske hitrosti vsake lopatice (Y = 0,0), pridobljeno s poskusi PIV in analizo ANSYS-Fluent z uporabo IDDES in SST k-ω.Oba numerična modela omogočata natančno simulacijo strukture toka na površini lopatic flokulatorja.
Porazdelitve hitrosti PIV, IDDES in SST k–ω na površini rezila.Os x predstavlja širino vsakega lista v milimetrih, pri čemer izhodišče (0 mm) predstavlja levo obrobje lista, konec (50 mm) pa desno obrobje lista.
Jasno je razvidno, da sta porazdelitvi hitrosti rezil 2 in 3 prikazani na sl. 8 in sl. 8.S2 in S3 v Dodatku A kažeta podobne trende z višino, medtem ko se rezilo 1 spreminja neodvisno.Profili hitrosti lopatic 2 in 3 postanejo popolnoma ravni in imajo enako amplitudo na višini 10 cm od konca lopatice.To pomeni, da tok na tej točki postane enakomeren.To je jasno razvidno iz rezultatov PIV, ki jih IDDES dobro ponazarja.Medtem pa rezultati SST k–ω kažejo nekaj razlik, zlasti pri 4 obratih na minuto.
Pomembno je omeniti, da rezilo 1 ohranja enako obliko profila hitrosti v vseh položajih in ni normalizirano po višini, saj vrtinec, oblikovan v središču mešalnika, vsebuje prvo rezilo vseh krakov.V primerjavi z IDDES sta profila hitrosti rezila PIV 2 in 3 pokazala nekoliko višje vrednosti hitrosti na večini lokacij, dokler nista bili skoraj enaki na 10 cm nad površino rezila.
Čas objave: 27. december 2022