Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, web stranicu prikazujemo bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite gumbe Prethodno i Sljedeće za pomicanje kroz tri slajda istovremeno ili koristite gumbe klizača na kraju za kretanje kroz tri slajda odjednom.
U ovoj studiji, hidrodinamika flokulacije procijenjena je eksperimentalnim i numeričkim istraživanjem turbulentnog polja brzine strujanja u laboratorijskom flokulatoru s lopaticom.Turbulentno strujanje koje potiče agregaciju čestica ili razbijanje pahuljica je složeno i razmatra se i uspoređuje u ovom radu pomoću dva modela turbulencije, naime SST k-ω i IDDES.Rezultati pokazuju da IDDES pruža vrlo malo poboljšanje u odnosu na SST k-ω, što je dovoljno za točnu simulaciju protoka unutar lopatastog flokulatora.Rezultat prilagodbe koristi se za istraživanje konvergencije PIV i CFD rezultata i za usporedbu rezultata korištenog CFD modela turbulencije.Studija se također usredotočuje na kvantificiranje faktora klizanja k, koji iznosi 0,18 pri malim brzinama od 3 i 4 o/min u usporedbi s uobičajenom tipičnom vrijednošću od 0,25.Smanjenje k s 0,25 na 0,18 povećava snagu isporučenu tekućini za oko 27-30% i povećava gradijent brzine (G) za oko 14%.To znači da se postiže intenzivnije miješanje od očekivanog, stoga se troši manje energije, a time i potrošnja energije u jedinici za flokulaciju uređaja za pročišćavanje vode za piće može biti niža.
U pročišćavanju vode, dodavanje koagulansa destabilizira male koloidne čestice i nečistoće, koje se zatim spajaju u flokulaciju u fazi flokulacije.Pahuljice su labavo vezani fraktalni agregati mase, koji se zatim uklanjaju taloženjem.Svojstva čestica i uvjeti miješanja tekućine određuju učinkovitost procesa flokulacije i obrade.Flokulacija zahtijeva sporo miješanje tijekom relativno kratkog vremenskog razdoblja i puno energije za miješanje velikih količina vode1.
Tijekom flokulacije, hidrodinamika cijelog sustava i kemija međudjelovanja koagulansa i čestica određuju brzinu kojom se postiže stacionarna raspodjela veličine čestica2.Kada se čestice sudaraju, lijepe se jedna za drugu3.Oyegbile, Ay4 izvijestio je da sudari ovise o mehanizmima prijenosa flokulacije Brownove difuzije, smicanja tekućine i diferencijalnog taloženja.Kada se ljuskice sudaraju, one rastu i dosežu određenu granicu veličine, što može dovesti do lomljenja, jer ljuskice ne mogu izdržati snagu hidrodinamičkih sila5.Neke od tih slomljenih pahuljica rekombiniraju se u manje ili iste veličine6.Međutim, jake pahuljice mogu se oduprijeti ovoj sili i zadržati svoju veličinu, pa čak i rasti7.Yukselen i Gregory8 izvijestili su o studijama u vezi s uništavanjem pahuljica i njihovom sposobnošću regeneracije, pokazujući da je ireverzibilnost ograničena.Bridgeman, Jefferson9 koristio je CFD za procjenu lokalnog utjecaja srednjeg protoka i turbulencije na formiranje pahuljica i fragmentaciju kroz lokalne gradijente brzine.U spremnicima 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 okretaja u minuti, Vadasarukkai i Gagnon11 uspjeli su postići G vrijednosti za flokulaciju s konusnim lopaticama, čime se smanjuje potrošnja energije za miješanje.Međutim, rad na višim vrijednostima G može dovesti do flokulacije.Istraživali su učinak brzine miješanja na određivanje prosječnog gradijenta brzine flokulatora s lopaticama.Rotiraju se brzinom većom od 5 okretaja u minuti.
Korpijärvi, Ahlstedt12 koristio je četiri različita modela turbulencije za proučavanje polja strujanja na ispitnom stolu za spremnike.Laserskim Doppler anemometrom i PIV-om izmjerili su polje protoka te usporedili izračunate rezultate s izmjerenim rezultatima.de Oliveira i Donadel13 predložili su alternativnu metodu za procjenu gradijenata brzine iz hidrodinamičkih svojstava korištenjem CFD.Predložena metoda ispitana je na šest flokulacijskih jedinica temeljenih na spiralnoj geometriji.procijenio je učinak vremena zadržavanja na flokulante i predložio model flokulacije koji se može koristiti kao alat za podršku racionalnom dizajnu ćelija s niskim vremenima zadržavanja14.Zhan, You15 predložio je kombinirani CFD i model ravnoteže populacije za simulaciju karakteristika protoka i ponašanja flokula u punoj flokulaciji.Llano-Serna, Coral-Portillo16 istraživali su karakteristike protoka hidroflokulatora tipa Cox u postrojenju za obradu vode u Viterbu, Kolumbija.Iako CFD ima svojih prednosti, postoje i ograničenja kao što su numeričke pogreške u izračunima.Stoga sve dobivene numeričke rezultate treba pažljivo ispitati i analizirati kako bi se izvukli kritički zaključci17.Malo je studija u literaturi o dizajnu flokulatora s horizontalnom pregradom, dok su preporuke za dizajn hidrodinamičkih flokulatora ograničene18.Chen, Liao19 koristio je eksperimentalnu postavu temeljenu na raspršenju polarizirane svjetlosti za mjerenje stanja polarizacije raspršene svjetlosti pojedinačnih čestica.Feng, Zhang20 koristio je Ansys-Fluent za simulaciju distribucije vrtložnih struja i vrtloga u polju protoka flokulatora s koaguliranom pločom i flokulatora s međuvalovitom pločom.Nakon simulacije turbulentnog protoka tekućine u flokulatoru pomoću Ansys-Fluenta, Gavi21 je upotrijebio rezultate za dizajn flokulatora.Vaneli i Teixeira22 izvijestili su da je odnos između dinamike fluida spiralnih cijevnih flokulatora i procesa flokulacije još uvijek slabo shvaćen da bi podržao racionalni dizajn.de Oliveira i Costa Teixeira23 proučavali su učinkovitost i demonstrirali hidrodinamička svojstva flokulatora sa spiralnom cijevi kroz fizičke eksperimente i CFD simulacije.Mnogi istraživači su proučavali reaktore sa zavojnim cijevima ili flokulatore sa zavojnim cijevima.Međutim, još uvijek nedostaju detaljne hidrodinamičke informacije o odgovoru ovih reaktora na različite dizajne i radne uvjete (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira i Teixeira26 predstavljaju izvorne rezultate iz teoretskih, eksperimentalnih i CFD simulacija spiralnog flokulatora.Oliveira i Teixeira27 predložili su korištenje spiralne zavojnice kao reaktora za koagulaciju i flokulaciju u kombinaciji s konvencionalnim sustavom dekantera.Oni izvješćuju da se rezultati dobiveni za učinkovitost uklanjanja zamućenja značajno razlikuju od onih dobivenih s uobičajeno korištenim modelima za procjenu flokulacije, što ukazuje na oprez pri korištenju takvih modela.Moruzzi i de Oliveira [28] modelirali su ponašanje sustava komora za kontinuiranu flokulaciju u različitim radnim uvjetima, uključujući varijacije u broju korištenih komora i korištenje fiksnih ili skaliranih gradijenata brzine stanica.Romphophak, Le Men29 PIV mjerenja trenutnih brzina u kvazi-dvodimenzionalnim mlaznim čistačima.Pronašli su snažnu cirkulaciju izazvanu mlazom u zoni flokulacije i procijenili lokalne i trenutne brzine smicanja.
Shah, Joshi30 izvješćuju da CFD nudi zanimljivu alternativu za poboljšanje dizajna i dobivanje virtualnih karakteristika protoka.To pomaže u izbjegavanju opsežnih eksperimentalnih postavki.CFD se sve više koristi za analizu vode i postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Nekoliko je istraživača izvelo pokuse na opremi za testiranje limenki (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) i flokulatorima s perforiranim diskom31.Drugi su koristili CFD za procjenu hidroflokulatora (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 je izvijestio da mehanički flokulatori zahtijevaju redovito održavanje jer se često kvare i zahtijevaju puno električne energije.
Učinkovitost flokulatora s lopaticom uvelike ovisi o hidrodinamici rezervoara.Nedostatak kvantitativnog razumijevanja polja brzine protoka u takvim flokulatorima jasno je uočen u literaturi (Howe, Hand38; Hendricks39).Cjelokupna vodena masa podložna je kretanju impelera flokulatora, pa se očekuje klizanje.Obično je brzina tekućine manja od brzine lopatice za faktor klizanja k, koji je definiran kao omjer brzine tijela vode i brzine kotača s lopaticama.Bhole40 je izvijestio da postoje tri nepoznata faktora koja treba uzeti u obzir pri projektiranju flokulatora, naime gradijent brzine, koeficijent otpora i relativna brzina vode u odnosu na lopaticu.
Camp41 izvještava da kada se razmatraju strojevi velike brzine, brzina je oko 24% brzine rotora i čak 32% za strojeve male brzine.U nedostatku septuma, Droste i Ger42 koristili su vrijednost ak od 0,25, dok je u slučaju septuma k bio u rasponu od 0 do 0,15.Howe, Hand38 sugeriraju da je k u rasponu od 0,2 do 0,3.Hendrix39 je povezao faktor klizanja s brzinom vrtnje pomoću empirijske formule i zaključio da je faktor klizanja također unutar raspona koji je utvrdio Camp41.Bratby43 je izvijestio da je k oko 0,2 za brzine rotora od 1,8 do 5,4 o/min i povećava se na 0,35 za brzine rotora od 0,9 do 3 o/min.Drugi istraživači izvještavaju o širokom rasponu vrijednosti koeficijenta otpora (Cd) od 1,0 do 1,8 i vrijednosti koeficijenta klizanja k 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 definiranju i kvantificiranju k od rada Camp41.
Proces flokulacije temelji se na turbulenciji za olakšavanje sudara, gdje se gradijent brzine (G) koristi za mjerenje turbulencije/flokulacije.Miješanje je proces brzog i ravnomjernog raspršivanja kemikalija u vodi.Stupanj miješanja mjeri se gradijentom brzine:
gdje je G = gradijent brzine (sek-1), P = ulazna snaga (W), V = volumen vode (m3), μ = dinamička viskoznost (Pa s).
Što je veća G vrijednost, to je više miješano.Temeljito miješanje neophodno je kako bi se osigurala ravnomjerna koagulacija.Literatura pokazuje da su najvažniji projektni parametri vrijeme miješanja (t) i gradijent brzine (G).Proces flokulacije temelji se na turbulenciji za olakšavanje sudara, gdje se gradijent brzine (G) koristi za mjerenje turbulencije/flokulacije.Tipične projektirane vrijednosti za G su 20 do 70 s–1, t je 15 do 30 minuta, a Gt (bez dimenzija) je 104 do 105. Spremnici za brzo miješanje najbolje rade s G vrijednostima od 700 do 1000, s vremenskim zadržavanjem oko 2 minute.
gdje je P snaga koju tekućini prenosi svaka lopatica flokulatora, N je brzina rotacije, b je duljina lopatice, ρ je gustoća vode, r je polumjer, a k je koeficijent klizanja.Ova se jednadžba primjenjuje na svaku lopaticu pojedinačno, a rezultati se zbrajaju kako bi se dobila ukupna ulazna snaga flokulatora.Pažljivo proučavanje ove jednadžbe pokazuje važnost faktora klizanja k u procesu projektiranja lopatastog flokulatora.Literatura ne navodi točnu 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 s 0,25 na 0,3 dovest će do smanjenja snage prenesene na tekućinu po lopatici za oko 20%, a smanjenje k s 0,25 na 0,18 će je povećati.za oko 27-30% po lopatici Snaga koja se prenosi tekućini.U konačnici, učinak k na održiv dizajn flokulatora s lopaticom treba istražiti putem tehničke kvantifikacije.
Točna empirijska kvantifikacija klizanja zahtijeva vizualizaciju i simulaciju protoka.Stoga je važno opisati tangencijalnu brzinu lopatice u vodi pri određenoj brzini vrtnje na različitim radijalnim udaljenostima od osovine i na različitim dubinama od površine vode kako bi se procijenio učinak različitih položaja lopatica.
U ovoj studiji, hidrodinamika flokulacije procijenjena je eksperimentalnim i numeričkim istraživanjem turbulentnog polja brzine strujanja u laboratorijskom flokulatoru s lopaticom.Mjerenja PIV-a bilježe se na flokulatoru, stvarajući vremenski prosječne konture brzine koje pokazuju brzinu čestica vode oko lišća.Uz to, ANSYS-Fluent CFD korišten je za simulaciju vrtložnog toka unutar flokulatora i stvaranje kontura brzine s vremenskim prosjekom.Dobiveni CFD model potvrđen je procjenom podudarnosti između PIV i CFD rezultata.Fokus ovog rada je na kvantificiranju koeficijenta klizanja k, koji je bezdimenzionalni konstrukcijski parametar lopatastog flokulatora.Ovdje predstavljen rad pruža novu osnovu za kvantificiranje koeficijenta klizanja k pri malim brzinama od 3 o/min i 4 o/min.Implikacije rezultata izravno pridonose boljem razumijevanju hidrodinamike spremnika za flokulaciju.
Laboratorijski flokulator sastoji se od pravokutne kutije s otvorenim vrhom ukupne visine 147 cm, visine 39 cm, ukupne širine 118 cm i ukupne duljine 138 cm (slika 1).Glavni kriteriji projektiranja koje je razvio Camp49 korišteni su za projektiranje laboratorijskog lopatastog flokulatora i primjenu načela dimenzionalne analize.Eksperimentalni objekt izgrađen je u Laboratoriju za inženjerstvo okoliša Libanonsko-američkog sveučilišta (Byblos, Libanon).
Horizontalna os nalazi se na visini od 60 cm od dna i na njoj su smještena dva kotača s lopaticama.Svaki kotač s lopaticama sastoji se od 4 lopatice s 3 lopatice na svakoj lopatici za ukupno 12 lopatica.Flokulacija zahtijeva lagano miješanje pri maloj brzini od 2 do 6 okretaja u minuti.Najčešće brzine miješanja u flokulatorima su 3 okretaja u minuti i 4 okretaja u minuti.Protok flokulatora u laboratorijskom mjerilu dizajniran je da predstavlja protok u odjeljku spremnika za flokulaciju postrojenja za obradu pitke vode.Snaga se izračunava pomoću tradicionalne jednadžbe 42 .Za obje brzine rotacije, gradijent brzine \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) veći je od 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , Reynoldsov broj označava turbulentno strujanje (Tablica 1).
PIV se koristi za postizanje točnih i kvantitativnih mjerenja vektora brzine fluida istovremeno u vrlo velikom broju točaka50.Eksperimentalna postavka uključivala je laboratorijski flokulator s lopaticom, LaVision PIV sustav (2017.) i okidač vanjskog laserskog senzora Arduino.Kako bi se stvorili profili brzine s vremenskim prosjekom, PIV slike snimljene su uzastopno na istoj lokaciji.Sustav PIV kalibriran je tako da je ciljano područje na sredini duljine svake od tri lopatice određene ruke za veslanje.Vanjski okidač sastoji se od lasera smještenog s jedne strane širine flokulatora i prijemnika senzora s druge strane.Svaki put kada ruka flokulatora blokira put lasera, signal se šalje PIV sustavu za snimanje slike pomoću PIV lasera i kamere sinkronizirane s programibilnom jedinicom za mjerenje vremena.Na sl.2 prikazuje instalaciju PIV sustava i proces snimanja slike.
Snimanje PIV-a započelo je nakon što je flokulator radio 5-10 minuta kako bi se normalizirao protok i uzelo u obzir isto polje indeksa loma.Kalibracija se postiže korištenjem kalibracijske ploče uronjene u flokulator i postavljene na sredinu duljine oštrice od interesa.Podesite položaj PIV lasera tako da formira ravnu svjetlosnu ploču izravno iznad kalibracijske ploče.Zabilježite izmjerene vrijednosti za svaku brzinu rotacije svake lopatice, a brzine rotacije odabrane za eksperiment su 3 o/min i 4 o/min.
Za sve PIV snimke, vremenski interval između dva laserska impulsa postavljen je u rasponu od 6900 do 7700 µs, što je dopuštalo minimalni pomak čestica od 5 piksela.Pilot testovi su provedeni na broju slika potrebnih za dobivanje točnih vremenskih prosječnih mjerenja.Vektorska statistika uspoređena je 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 rezultate s vremenskim prosjekom s obzirom da se svaka slika sastoji od dva okvira.
Budući da je strujanje u flokulatoru turbulentno, potreban je mali prozor za ispitivanje i veliki broj čestica za rješavanje malih turbulentnih struktura.Primjenjuje se nekoliko ponavljanja smanjenja veličine zajedno s algoritmom unakrsne korelacije kako bi se osigurala točnost.Nakon početne veličine prozora za ispitivanje od 48 × 48 piksela s preklapanjem od 50 % i jednim procesom prilagodbe, uslijedila je veličina prozora za konačno ispitivanje od 32 × 32 piksela sa preklapanjem od 100 % i dva procesa prilagodbe.Osim toga, staklene šuplje sfere korištene su kao klice čestica u protoku, što je dopuštalo najmanje 10 čestica po anketnom prozoru.PIV snimanje pokreće izvor okidača u jedinici za programiranje vremena (PTU), koja je odgovorna za rad i sinkronizaciju laserskog izvora i kamere.
Za razvoj 3D modela i rješavanje osnovnih jednadžbi strujanja korišten je komercijalni CFD paket ANSYS Fluent v 19.1.
Koristeći ANSYS-Fluent, izrađen je 3D model laboratorijskog flokulatora s lopaticama.Model je izrađen u obliku pravokutne kutije, koja se sastoji od dva lopatična kotača postavljena na horizontalnoj osi, kao i laboratorijski model.Model bez nadvođa visok je 108 cm, širok 118 cm i dugačak 138 cm.Dodana je horizontalna cilindrična ravnina oko miješalice.Generacija cilindrične ravnine trebala bi implementirati rotaciju cijele miješalice tijekom faze instalacije i simulirati rotirajuće polje protoka unutar flokulatora, kao što je prikazano na slici 3a.
3D ANSYS-fluent i dijagram geometrije modela, ANSYS-fluent tijelo mreže flokulatora u ravnini od interesa, ANSYS-fluent dijagram u ravnini od interesa.
Geometrija modela sastoji se od dvije regije, od kojih je svaka tekućina.To se postiže pomoću funkcije logičkog oduzimanja.Najprije oduzmite cilindar (uključujući mikser) od kutije da predstavlja tekućinu.Zatim oduzmite mikser od cilindra, što rezultira s dva objekta: mikserom i tekućinom.Naposljetku, između dva područja primijenjeno je klizno sučelje: sučelje cilindar-cilindar i sučelje cilindar-mješalica (Sl. 3a).
Dovršeno je povezivanje konstruiranih modela kako bi se zadovoljili zahtjevi modela turbulencije koji će se koristiti za izvođenje numeričkih simulacija.Korištena je nestrukturirana mreža s proširenim slojevima u blizini čvrste površine.Napravite ekspanzijske slojeve za sve zidove sa stopom rasta od 1,2 kako biste osigurali da se uhvate složeni obrasci protoka, s debljinom prvog sloja od \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m kako biste osigurali da \ ( {\tekst {y))^{+}\le 1.0\).Veličina tijela se prilagođava metodom tetraedra.Stvorena je veličina prednje strane od dva sučelja s veličinom elementa od 2,5 × \({10}^{-3}\) m, a veličina prednje strane miksera od 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.Kako bi se točno simulirao vrtložni tok unutar flokulatora, odabran je računski skuplji model.Turbulentno vrtložno strujanje unutar flokulatora numerički je ispitano pomoću dva CFD modela: SST k–ω51 i IDDES52.Rezultati obaju modela uspoređeni su s eksperimentalnim PIV rezultatima kako bi se potvrdili modeli.Prvo, SST k-ω model turbulencije je model turbulentne viskoznosti s dvije jednadžbe za primjene dinamike fluida.Ovo je hibridni model koji kombinira Wilcox 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.Točno predviđa odvajanje protoka zbog nepovoljnih gradijenata tlaka.Drugo, odabrana je metoda napredne odgođene simulacije vrtloga (IDDES), koja se široko koristi u modelu individualne simulacije vrtloga (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).Temelji se na LES modelu za rješavanje velikih vrtloga i vraća se na SST k-ω za simulaciju vrtloga malih razmjera.Statističke analize rezultata 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.Kako bi se točno simulirao vrtložni tok unutar flokulatora, odabran je računski skuplji model.Turbulentno vrtložno strujanje unutar flokulatora numerički je ispitano pomoću dva CFD modela: SST k–ω51 i IDDES52.Rezultati obaju modela uspoređeni su s eksperimentalnim PIV rezultatima kako bi se potvrdili modeli.Prvo, SST k-ω model turbulencije je model turbulentne viskoznosti s dvije jednadžbe za primjene dinamike fluida.Ovo je hibridni model koji kombinira Wilcox 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.Točno predviđa odvajanje protoka zbog nepovoljnih gradijenata tlaka.Drugo, odabrana je metoda napredne odgođene simulacije vrtloga (IDDES), koja se široko koristi u modelu individualne simulacije vrtloga (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).Temelji se na LES modelu za rješavanje velikih vrtloga i vraća se na SST k-ω za simulaciju vrtloga malih razmjera.Statističke analize rezultata simulacija SST k–ω i IDDES uspoređene su s PIV rezultatima kako bi se potvrdio model.
Koristite alat za rješavanje prijelaznih pojava na temelju tlaka i gravitaciju u smjeru Y.Rotacija se postiže dodjeljivanjem gibanja mreže mješalici, gdje je ishodište osi rotacije u središtu horizontalne osi, a smjer osi rotacije je u smjeru Z.Mrežasto sučelje se stvara za oba sučelja geometrije modela, što rezultira s dva ruba graničnog okvira.Kao iu eksperimentalnoj tehnici, brzina vrtnje odgovara 3 i 4 okretaja.
Granični uvjeti za stijenke miješalice i flokulatora postavljeni su zidom, a gornji otvor flokulatora postavljen je izlazom s nultim nadtlakom (slika 3c).JEDNOSTAVNA komunikacijska shema tlak-brzina, diskretizacija gradijentnog prostora funkcija drugog reda sa svim parametrima temeljenim na elementima najmanjih kvadrata.Kriterij konvergencije za sve varijable toka je skalirani rezidual 1 x \({10}^{-3}\).Maksimalan broj ponavljanja po vremenskom koraku je 20, a veličina vremenskog koraka odgovara rotaciji od 0,5°.Rješenje konvergira u 8. iteraciji za SST k–ω model i u 12. iteraciji korištenjem IDDES-a.Osim toga, izračunat je broj vremenskih koraka tako da mikser napravi najmanje 12 okretaja.Primijenite uzorkovanje podataka za vremensku statistiku nakon 3 rotacije, što omogućuje normalizaciju toka, slično eksperimentalnom postupku.Usporedba izlaza petlji brzine za svaki okretaj daje potpuno iste rezultate za zadnja četiri okretaja, što ukazuje da je postignuto stabilno stanje.Dodatni okretaji nisu poboljšali konture srednje brzine.
Vremenski korak je definiran u odnosu na brzinu vrtnje, 3 o/min ili 4 o/min.Vremenski korak je sužen na vrijeme potrebno za okretanje miješalice za 0,5°.To se pokazalo dovoljnim jer rješenje lako konvergira, kao što je opisano u prethodnom odjeljku.Stoga su svi numerički proračuni za oba modela turbulencije provedeni korištenjem modificiranog vremenskog koraka od 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) za 3 okretaja u minuti, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 o/min.Za određeni vremenski korak prečišćavanja, Courantov broj ćelije uvijek je manji od 1,0.
Kako bi se istražila ovisnost o modelu i mrežici, rezultati su prvo dobiveni korištenjem izvorne mreže od 2,14 M, a zatim pročišćene mreže od 2,88 M.Pročišćavanje mreže postiže se smanjenjem veličine ćelije tijela miješalice s 9 × \({10}^{-3}\) m na 7 × \({10}^{-3}\) m.Za izvornu i pročišćenu mrežu dva modela turbulencije, uspoređivane su prosječne vrijednosti modula brzine na različitim mjestima oko lopatice.Postotna razlika između rezultata je 1,73% za SST k–ω model i 3,51% za IDDES model.IDDES pokazuje veću postotnu razliku jer se radi o hibridnom RANS-LES modelu.Te su razlike smatrane beznačajnima, pa je simulacija izvedena korištenjem originalne mreže s 2,14 milijuna elemenata i vremenskim korakom rotacije od 0,5°.
Ponovljivost eksperimentalnih rezultata ispitana je izvođenjem svakog od šest eksperimenata drugi put i usporedbom rezultata.Usporedite vrijednosti brzine u središtu oštrice u dvije serije eksperimenata.Prosječna postotna razlika između dvije pokusne skupine bila je 3,1%.PIV sustav također je neovisno ponovno kalibriran za svaki eksperiment.Usporedite analitički izračunatu brzinu u središtu svake lopatice s PIV brzinom na istoj lokaciji.Ova usporedba pokazuje razliku s maksimalnom postotkom pogreške od 6,5% za oštricu 1.
Prije kvantificiranja faktora klizanja, potrebno je znanstveno razumjeti koncept klizanja u flokulatoru s lopaticama, što zahtijeva proučavanje strukture strujanja oko lopatica flokulatora.Konceptualno, koeficijent klizanja ugrađen je u dizajn flokulatora s lopaticama kako bi se uzela u obzir brzina lopatica u odnosu na vodu.Literatura preporuča da ta brzina bude 75% brzine lopatice, tako da većina dizajna obično koristi ak od 0,25 za ovu prilagodbu.Ovo zahtijeva korištenje strujnica brzine izvedenih iz PIV eksperimenata kako bi se u potpunosti razumjelo polje brzine protoka i proučavalo ovo klizanje.Oštrica 1 je unutarnja oštrica najbliža osovini, oštrica 3 je krajnja vanjska oštrica, a oštrica 2 je srednja oštrica.
Strujnice brzine na lopatici 1 pokazuju izravni rotirajući tok oko lopatice.Ovi uzorci protoka proizlaze iz točke na desnoj strani lopatice, između rotora i lopatice.Gledajući područje označeno crvenim točkastim 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 s desne strane oštrice na visini od oko 6 cm od kraja oštrice, vjerojatno zbog utjecaja prve oštrice ruke koja prethodi oštrici, što je vidljivo na slici.Vizualizacija protoka pri 4 okretaja u minuti pokazuje isto ponašanje i strukturu, očito s većim brzinama.
Grafi polja brzine i struja tri lopatice pri dvije brzine vrtnje od 3 okretaja u minuti i 4 okretaja u minuti.Najveća prosječna brzina tri lopatice pri 3 okretaja u minuti je 0,15 m/s, 0,20 m/s i 0,16 m/s, a najveća prosječna brzina pri 4 okretaja u minuti je 0,15 m/s, 0,22 m/s i 0,22 m/s. s, odnosno.na tri lista.
Drugi oblik spiralnog toka 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 točkastim okvirom na slici 4b, ovi vektori ne idu okomito prema gore od površine oštrice, već skreću udesno i postupno se spuštaju.Na površini lopatice 1 razlikuju se vektori prema dolje, koji se približavaju obje lopatice i okružuju ih od recirkulacijskog toka formiranog između njih.Utvrđena je ista struktura strujanja pri obje brzine vrtnje s većom amplitudom brzine od 4 o/min.
Polje brzine lopatice 3 ne daje značajan doprinos vektoru brzine prethodne lopatice koja se spaja s protokom ispod lopatice 3. Glavni tok ispod lopatice 3 nastaje zbog vertikalnog vektora brzine koji se diže s vodom.
Vektori brzine preko površine lopatice 3 mogu se podijeliti u tri skupine, kao što je prikazano na slici 4c.Prvi set je onaj na desnom rubu oštrice.Struktura protoka u ovom položaju je ravno udesno i gore (tj. prema lopatici 2).Druga grupa je sredina oštrice.Vektor brzine za ovu poziciju je usmjeren ravno gore, bez ikakvog odstupanja i bez rotacije.Smanjenje vrijednosti brzine utvrđeno je povećanjem visine iznad kraja lopatice.Kod treće skupine, koja se nalazi na lijevoj periferiji lopatica, strujanje je odmah usmjereno ulijevo, tj. na stijenku flokulatora.Većina toka predstavljenog vektorom brzine ide prema gore, a dio toka ide horizontalno prema dolje.
Dva modela turbulencije, SST k–ω i IDDES, korištena su za konstruiranje vremenski prosječnih profila brzine za 3 o/min i 4 o/min u ravnini srednje duljine lopatice.Kao što je prikazano na slici 5, stabilno stanje se postiže postizanjem apsolutne sličnosti između obrisa brzine stvorenih četirima uzastopnim rotacijama.Osim toga, vremenski prosječne konture brzine koje generira IDDES prikazane su na slici 6a, dok su vremenski prosječni profili brzina koje generira SST k – ω prikazani na slici 6a.6b.
Upotrebom IDDES-a i vremenski prosječnih petlji brzine koje generira SST k–ω, IDDES ima veći udio petlji brzine.
Pažljivo ispitajte profil brzine stvoren pomoću IDDES-a pri 3 okretaja u minuti, kao što je prikazano na slici 7. Miješalica se okreće u smjeru kazaljke na satu, a protok se raspravlja prema prikazanim bilješkama.
Na sl.Na slici 7 može se vidjeti da na površini lopatice 3 u I kvadrantu postoji odvajanje protoka, budući da protok nije ograničen zbog prisutnosti gornje rupe.U kvadrantu II ne opaža se odvajanje protoka, budući da je protok potpuno ograničen stjenkama 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 miješalice.A u kvadrantu III vodu istiskuju lopatice mješalice.Očito je da se vodena masa na ovom mjestu opire nadolazećem rukavcu flokulatora.Rotacijski tok u ovom kvadrantu potpuno je odvojen.Za kvadrant IV, većina protoka zraka iznad lopatice 3 usmjerena je prema stijenci flokulatora i postupno gubi svoju veličinu kako se visina povećava do gornjeg otvora.
Osim toga, središnja lokacija uključuje složene obrasce toka koji dominiraju kvadrantima III i IV, kao što je prikazano plavim točkastim elipsama.Ovo označeno područje nema nikakve veze s vrtložnim tokom u flokulatoru s lopaticom, jer se vrtložno gibanje može prepoznati.Ovo je u suprotnosti s kvadrantima I i II gdje postoji jasna razlika između unutarnjeg protoka i potpunog rotacijskog protoka.
Kao što je prikazano na sl.6, uspoređujući rezultate IDDES-a i SST k-ω, glavna razlika između kontura brzine je veličina brzine neposredno ispod lopatice 3. SST k-ω model jasno pokazuje da produženi tok velike brzine nosi lopatica 3 u usporedbi s IDDES-om.
Još jedna razlika može se pronaći u kvadrantu III.Iz IDDES-a, kao što je ranije spomenuto, primijećeno je odvajanje rotacijskog protoka između krakova flokulatora.Međutim, na ovaj položaj snažno utječe strujanje niske brzine iz kutova i unutrašnjosti prve lopatice.Od SST k–ω za istu lokaciju, konturne linije pokazuju relativno veće brzine u usporedbi s IDDES jer nema konfluentnog protoka iz drugih regija.
Za ispravno razumijevanje ponašanja i strukture toka potrebno je kvalitativno razumijevanje polja vektora brzine i strujnica.S obzirom da je svaka lopatica široka 5 cm, odabrano je sedam točaka 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 izravno preko svake površine lopatice i preko kontinuirane 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 lopatice (Y = 0,0) dobivenu korištenjem PIV eksperimenata i ANSYS-Fluent analize korištenjem IDDES i SST k-ω.Oba numerička modela omogućuju točnu simulaciju strukture strujanja na površini lopatica flokulatora.
Raspodjela brzina PIV, IDDES i SST k–ω na površini lopatice.X-os predstavlja širinu svakog lista u milimetrima, pri čemu ishodište (0 mm) predstavlja lijevu periferiju lista, a kraj (50 mm) predstavlja desnu periferiju lista.
Jasno se vidi da su raspodjele brzina 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 neovisno.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 ovoj točki postaje jednolik.To se jasno vidi iz rezultata PIV-a, koje IDDES dobro reproducira.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 položajima i nije normalizirana po visini, budući da vrtlog formiran u središtu miješalice sadrži prvu lopaticu od svih krakova.Također, u usporedbi s IDDES-om, PIV profili brzine lopatica 2 i 3 pokazali su nešto veće vrijednosti brzine na većini lokacija dok nisu bile gotovo jednake na 10 cm iznad površine lopatice.
Vrijeme objave: 27. prosinca 2022