Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).În plus, pentru a asigura suport continuu, arătăm site-ul fără stiluri și JavaScript.
Afișează un carusel de trei diapozitive simultan.Utilizați butoanele Anterior și Următorul pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan sau utilizați butoanele glisante de la sfârșit pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan.
În acest studiu, hidrodinamica floculării este evaluată prin investigarea experimentală și numerică a câmpului de viteză a curgerii turbulente într-un floculator cu palete la scară de laborator.Fluxul turbulent care promovează agregarea particulelor sau ruperea flocului este complex și este considerat și comparat în această lucrare folosind două modele de turbulență, și anume SST k-ω și IDDES.Rezultatele arată că IDDES oferă o îmbunătățire foarte mică față de SST k-ω, care este suficientă pentru a simula cu acuratețe fluxul într-un floculator cu palete.Scorul de potrivire este utilizat pentru a investiga convergența rezultatelor PIV și CFD și pentru a compara rezultatele modelului de turbulență CFD utilizat.Studiul se concentrează, de asemenea, pe cuantificarea factorului de alunecare k, care este 0,18 la viteze mici de 3 și 4 rpm, comparativ cu valoarea tipică obișnuită de 0,25.Scăderea k de la 0,25 la 0,18 crește puterea furnizată fluidului cu aproximativ 27-30% și crește gradientul de viteză (G) cu aproximativ 14%.Aceasta înseamnă că se realizează o amestecare mai intensă decât se aștepta, prin urmare se consumă mai puțină energie și, prin urmare, consumul de energie în unitatea de floculare a stației de tratare a apei potabile poate fi mai mic.
În purificarea apei, adăugarea de coagulanți destabilizează particulele coloidale mici și impuritățile, care apoi se combină pentru a forma floculare în etapa de floculare.Fulgii sunt agregate fractale de masă legate lejer, care sunt apoi îndepărtate prin decantare.Proprietățile particulelor și condițiile de amestecare a lichidului determină eficiența procesului de floculare și tratare.Flocularea necesită agitare lentă pentru o perioadă relativ scurtă de timp și multă energie pentru a agita volume mari de apă1.
În timpul floculării, hidrodinamica întregului sistem și chimia interacțiunii coagulant-particulă determină viteza cu care se realizează o distribuție staționară a dimensiunii particulelor2.Când particulele se ciocnesc, ele se lipesc unele de altele3.Oyegbile, Ay4 a raportat că coliziunile depind de mecanismele de transport de floculare ale difuziei browniene, forfecarea fluidului și decontarea diferențială.Când fulgii se ciocnesc, ei cresc și ating o anumită limită de dimensiune, ceea ce poate duce la rupere, deoarece fulgii nu pot rezista forței forțelor hidrodinamice5.Unii dintre acești fulgi sparți se recombină în alții mai mici sau de aceeași dimensiune6.Cu toate acestea, fulgii puternici pot rezista acestei forțe și își pot menține dimensiunea și chiar pot crește7.Yukselen și Gregory8 au raportat studii legate de distrugerea fulgilor și capacitatea lor de a se regenera, arătând că ireversibilitatea este limitată.Bridgeman, Jefferson9 a folosit CFD pentru a estima influența locală a debitului mediu și a turbulenței asupra formării și fragmentării flocurilor prin gradienții locali de viteză.În rezervoarele echipate cu pale de rotor, este necesar să se varieze viteza cu care agregatele se ciocnesc cu alte particule atunci când acestea sunt suficient destabilizate în faza de coagulare.Folosind CFD și viteze de rotație mai mici de aproximativ 15 rpm, Vadasarukkai și Gagnon11 au reușit să atingă valori G pentru floculare cu lame conice, reducând astfel la minimum consumul de energie pentru agitare.Cu toate acestea, operarea la valori G mai mari poate duce la floculare.Ei au investigat efectul vitezei de amestecare asupra determinării gradientului de viteză medie al unui floculator cu palete pilot.Se rotesc cu o viteză mai mare de 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 a folosit patru modele diferite de turbulență pentru a studia câmpul de curgere pe un banc de testare a rezervorului.Ei au măsurat câmpul de curgere cu un anemometru laser Doppler și PIV și au comparat rezultatele calculate cu rezultatele măsurate.de Oliveira și Donadel13 au propus o metodă alternativă pentru estimarea gradienților de viteză din proprietățile hidrodinamice folosind CFD.Metoda propusă a fost testată pe șase unități de floculare bazate pe geometrie elicoidală.a evaluat efectul timpului de retenție asupra floculanților și a propus un model de floculare care poate fi utilizat ca instrument pentru a sprijini proiectarea rațională a celulelor cu timpi de retenție mici14.Zhan, You15 a propus un model combinat CFD și echilibrul populației pentru a simula caracteristicile fluxului și comportamentul flocului în flocularea la scară completă.Llano-Serna, Coral-Portillo16 a investigat caracteristicile de curgere ale unui hidrofloculator de tip Cox într-o stație de tratare a apei din Viterbo, Columbia.Deși CFD are avantajele sale, există și limitări, cum ar fi erorile numerice în calcule.Prin urmare, orice rezultate numerice obținute trebuie examinate și analizate cu atenție pentru a trage concluzii critice17.Există puține studii în literatura de specialitate privind proiectarea floculatoarelor cu deflector orizontal, în timp ce recomandările pentru proiectarea floculatoarelor hidrodinamice sunt limitate18.Chen, Liao19 a folosit o configurație experimentală bazată pe împrăștierea luminii polarizate pentru a măsura starea de polarizare a luminii împrăștiate din particule individuale.Feng, Zhang20 a folosit Ansys-Fluent pentru a simula distribuția curenților turbionari și turbionare în câmpul de curgere al unui floculator cu plăci coagulate și al unui floculator inter-ondulat.După simularea fluxului de fluid turbulent într-un floculator utilizând Ansys-Fluent, Gavi21 a folosit rezultatele pentru a proiecta floculatorul.Vaneli și Teixeira22 au raportat că relația dintre dinamica fluidelor floculatoarelor cu tub spiralat și procesul de floculare este încă puțin înțeleasă pentru a susține un design rațional.de Oliveira și Costa Teixeira23 au studiat eficiența și au demonstrat proprietățile hidrodinamice ale floculatorului cu tub spiralat prin experimente de fizică și simulări CFD.Mulți cercetători au studiat reactoarele cu tub spiralat sau floculatoarele cu tub spiralat.Cu toate acestea, încă lipsesc informații hidrodinamice detaliate cu privire la răspunsul acestor reactoare la diferite proiecte și condiții de funcționare (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira și Teixeira26 prezintă rezultate originale din simulări teoretice, experimentale și CFD ale unui floculator spiral.Oliveira și Teixeira27 au propus să utilizeze o bobină spirală ca reactor de coagulare-floculare în combinație cu un sistem de decantor convențional.Ei raportează că rezultatele obținute pentru eficiența de îndepărtare a turbidității sunt semnificativ diferite de cele obținute cu modelele utilizate în mod obișnuit pentru evaluarea floculării, sugerând prudență atunci când se utilizează astfel de modele.Moruzzi și de Oliveira [28] au modelat comportamentul unui sistem de camere de floculare continuă în diferite condiții de funcționare, inclusiv variații ale numărului de camere utilizate și utilizarea gradienților de viteză a celulelor fixe sau scalați.Romphophak, Le Men29 Măsurătorile PIV ale vitezelor instantanee în aparatele de curățare cu jet cvasi-bidimensionale.Ei au descoperit o circulație puternică indusă de jet în zona de floculare și au estimat ratele de forfecare locale și instantanee.
Shah, Joshi30 raportează că CFD oferă o alternativă interesantă pentru îmbunătățirea designurilor și obținerea caracteristicilor de flux virtual.Acest lucru ajută la evitarea setărilor experimentale extinse.CFD este din ce în ce mai utilizat pentru analizarea stațiilor de tratare a apei și a apelor uzate (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Mai mulți cercetători au efectuat experimente pe echipamente de testare a conservelor (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) și floculatoare cu disc perforat31.Alții au folosit CFD pentru a evalua hidrofloculatoarele (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 a raportat că floculatoarele mecanice necesită întreținere regulată, deoarece adesea se defectează și necesită multă energie electrică.
Performanța unui floculator cu palete depinde în mare măsură de hidrodinamica rezervorului.Lipsa înțelegerii cantitative a câmpurilor de viteză a curgerii în astfel de floculatoare este clar remarcată în literatură (Howe, Hand38; Hendricks39).Întreaga masă de apă este supusă mișcării rotorului floculatorului, deci este de așteptat o alunecare.De obicei, viteza fluidului este mai mică decât viteza lamei prin factorul de alunecare k, care este definit ca raportul dintre viteza corpului de apă și viteza roții cu palete.Bhole40 a raportat că există trei factori necunoscuți de luat în considerare la proiectarea unui floculator, și anume gradientul de viteză, coeficientul de rezistență și viteza relativă a apei în raport cu paleta.
Camp41 raportează că atunci când se iau în considerare mașinile de mare viteză, viteza este de aproximativ 24% din viteza rotorului și până la 32% pentru mașinile de viteză mică.În absența septurilor, Droste și Ger42 au folosit valoarea ak de 0,25, în timp ce în cazul septurilor, k a variat de la 0 la 0,15.Howe, Hand38 sugerează că k este în intervalul de la 0,2 la 0,3.Hendrix39 a raportat factorul de alunecare cu viteza de rotație folosind o formulă empirică și a concluzionat că factorul de alunecare a fost, de asemenea, în intervalul stabilit de Camp41.Bratby43 a raportat că k este de aproximativ 0,2 pentru turații rotorului de la 1,8 la 5,4 rpm și crește la 0,35 pentru turații rotorului de la 0,9 la 3 rpm.Alți cercetători raportează o gamă largă de valori ale coeficientului de rezistență (Cd) de la 1,0 la 1,8 și valori ale coeficientului de alunecare k de la 0,25 la 0,40 (Feir și Geyer44; Hyde și Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; și Bratby și Marais48; ).Literatura de specialitate nu arată progrese semnificative în definirea și cuantificarea k de la munca lui Camp41.
Procesul de floculare se bazează pe turbulență pentru a facilita coliziunile, unde gradientul de viteză (G) este utilizat pentru a măsura turbulența/floculația.Amestecarea este procesul de dispersare rapidă și uniformă a substanțelor chimice în apă.Gradul de amestecare este măsurat prin gradientul de viteză:
unde G = gradient de viteză (sec-1), P = putere absorbită (W), V = volum de apă (m3), μ = vâscozitate dinamică (Pa s).
Cu cât valoarea G este mai mare, cu atât este mai amestecată.Amestecarea temeinică este esențială pentru a asigura o coagulare uniformă.Literatura de specialitate indică faptul că cei mai importanți parametri de proiectare sunt timpul de amestecare (t) și gradientul de viteză (G).Procesul de floculare se bazează pe turbulență pentru a facilita coliziunile, unde gradientul de viteză (G) este utilizat pentru a măsura turbulența/floculația.Valorile tipice de proiectare pentru G sunt de 20 până la 70 s–1, t este de 15 până la 30 de minute și Gt (fără dimensiuni) este de 104 până la 105. Rezervoarele de amestec rapid funcționează cel mai bine cu valorile G de 700 până la 1000, cu timp de ședere. aproximativ 2 minute.
unde P este puterea transmisă lichidului de fiecare lamă de floculator, N este viteza de rotație, b este lungimea lamei, ρ este densitatea apei, r este raza și k este coeficientul de alunecare.Această ecuație este aplicată fiecărei lame în mod individual, iar rezultatele sunt însumate pentru a da puterea totală de intrare a floculatorului.Un studiu atent al acestei ecuații arată importanța factorului de alunecare k în procesul de proiectare a unui floculator cu palete.Literatura de specialitate nu precizează valoarea exactă a lui k, ci recomandă un interval așa cum sa menționat anterior.Totuși, relația dintre puterea P și coeficientul de alunecare k este cubică.Astfel, cu condiția ca toți parametrii să fie aceiași, de exemplu, modificarea k de la 0,25 la 0,3 va duce la o scădere a puterii transmise fluidului pe lamă cu aproximativ 20%, iar reducerea k de la 0,25 la 0,18 o va crește.cu aproximativ 27-30% pe paletă Puterea transmisă fluidului.În cele din urmă, efectul k asupra designului durabil al floculatorului cu palete trebuie investigat prin cuantificare tehnică.
Cuantificarea empirică precisă a alunecării necesită vizualizarea și simularea fluxului.Prin urmare, este important să se descrie viteza tangențială a lamei în apă la o anumită viteză de rotație la diferite distanțe radiale față de arbore și la diferite adâncimi de la suprafața apei pentru a evalua efectul diferitelor poziții ale paletei.
În acest studiu, hidrodinamica floculării este evaluată prin investigarea experimentală și numerică a câmpului de viteză a curgerii turbulente într-un floculator cu palete la scară de laborator.Măsurătorile PIV sunt înregistrate pe floculator, creând contururi de viteză medie în timp care arată viteza particulelor de apă din jurul frunzelor.În plus, ANSYS-Fluent CFD a fost folosit pentru a simula fluxul turbitor din interiorul floculatorului și pentru a crea contururi de viteză medie în timp.Modelul CFD rezultat a fost confirmat prin evaluarea corespondenței dintre rezultatele PIV și CFD.Accentul acestei lucrări este pe cuantificarea coeficientului de alunecare k, care este un parametru de proiectare adimensional al unui floculator cu palete.Lucrarea prezentată aici oferă o nouă bază pentru cuantificarea coeficientului de alunecare k la viteze mici de 3 rpm și 4 rpm.Implicațiile rezultatelor contribuie direct la o mai bună înțelegere a hidrodinamicii rezervorului de floculare.
Floculatorul de laborator constă dintr-o cutie dreptunghiulară deschisă, cu o înălțime totală de 147 cm, o înălțime de 39 cm, o lățime totală de 118 cm și o lungime totală de 138 cm (Fig. 1).Principalele criterii de proiectare dezvoltate de Camp49 au fost utilizate pentru proiectarea unui floculator cu palete la scară de laborator și aplicarea principiilor analizei dimensionale.Instalația experimentală a fost construită la Laboratorul de Inginerie a Mediului al Universității Americane Libaneze (Byblos, Liban).
Axa orizontală este situată la o înălțime de 60 cm de jos și găzduiește două roți cu zbaturi.Fiecare roată cu palete este formată din 4 palete cu 3 palete pe fiecare paletă pentru un total de 12 palete.Flocularea necesită agitare ușoară la o viteză mică de 2 până la 6 rpm.Cele mai comune viteze de amestecare în floculatoare sunt 3 rpm și 4 rpm.Debitul floculatorului la scară de laborator este conceput pentru a reprezenta debitul din compartimentul rezervorului de floculare al unei stații de tratare a apei potabile.Puterea se calculează folosind ecuația tradițională 42 .Pentru ambele viteze de rotație, gradientul de viteză \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) este mai mare de 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , numărul Reynolds indică un flux turbulent (Tabelul 1).
PIV este utilizat pentru a realiza măsurători precise și cantitative ale vectorilor vitezei fluidului simultan la un număr foarte mare de puncte50.Configurația experimentală a inclus un floculator cu palete la scară de laborator, un sistem LaVision PIV (2017) și un declanșator cu senzor laser extern Arduino.Pentru a crea profiluri de viteză medie în timp, imaginile PIV au fost înregistrate secvenţial în aceeaşi locaţie.Sistemul PIV este calibrat astfel încât zona țintă să fie la mijlocul lungimii fiecăreia dintre cele trei lame ale unui anumit braț de paletă.Declanșatorul extern constă dintr-un laser situat pe o parte a lățimii floculatorului și un receptor de senzor pe cealaltă parte.De fiecare dată când brațul floculatorului blochează calea laserului, un semnal este trimis către sistemul PIV pentru a capta o imagine cu laserul PIV și camera sincronizate cu o unitate de sincronizare programabilă.Pe fig.2 prezintă instalarea sistemului PIV și procesul de achiziție a imaginii.
Înregistrarea PIV a fost începută după ce floculatorul a fost operat timp de 5-10 minute pentru a normaliza fluxul și a lua în considerare același câmp de indice de refracție.Calibrarea se realizează folosind o placă de calibrare imersată în floculator și plasată la mijlocul lungimii lamei de interes.Reglați poziția laserului PIV pentru a forma o foaie de lumină plată direct deasupra plăcii de calibrare.Înregistrați valorile măsurate pentru fiecare viteză de rotație a fiecărei lame, iar vitezele de rotație alese pentru experiment sunt 3 rpm și 4 rpm.
Pentru toate înregistrările PIV, intervalul de timp dintre două impulsuri laser a fost setat în intervalul de la 6900 la 7700 µs, ceea ce a permis o deplasare minimă a particulelor de 5 pixeli.Au fost efectuate teste-pilot asupra numărului de imagini necesare pentru a obține măsurători precise medii în timp.Statisticile vectoriale au fost comparate pentru mostre care conțin 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 și 280 de imagini.S-a constatat că o dimensiune a eșantionului de 240 de imagini oferă rezultate stabile în medie în timp, având în vedere că fiecare imagine este formată din două cadre.
Deoarece fluxul din floculator este turbulent, sunt necesare o fereastră mică de interogare și un număr mare de particule pentru a rezolva structurile mici turbulente.Mai multe iterații de reducere a dimensiunii sunt aplicate împreună cu un algoritm de corelare încrucișată pentru a asigura acuratețea.O dimensiune inițială a ferestrei de sondare de 48×48 pixeli cu 50% suprapunere și un proces de adaptare a fost urmată de o dimensiune finală a ferestrei de sondare de 32×32 pixeli cu 100% suprapunere și două procese de adaptare.În plus, sferele goale din sticlă au fost folosite ca particule de semințe în flux, ceea ce a permis cel puțin 10 particule per fereastră de sondare.Înregistrarea PIV este declanșată de o sursă de declanșare într-o unitate de sincronizare programabilă (PTU), care este responsabilă de operarea și sincronizarea sursei laser și a camerei.
Pachetul comercial CFD ANSYS Fluent v 19.1 a fost folosit pentru a dezvolta modelul 3D și a rezolva ecuațiile de bază ale fluxului.
Folosind ANSYS-Fluent, a fost creat un model 3D al unui floculator cu palete la scară de laborator.Modelul este realizat sub forma unei cutii dreptunghiulare, formata din doua roti cu zbaturi montate pe o axa orizontala, asemenea modelului de laborator.Modelul fără bord liber are 108 cm înălțime, 118 cm lățime și 138 cm lungime.În jurul mixerului a fost adăugat un plan cilindric orizontal.Generarea planului cilindric ar trebui să implementeze rotația întregului mixer în timpul fazei de instalare și să simuleze câmpul de curgere rotativ din interiorul floculatorului, așa cum se arată în Fig. 3a.
Diagrama 3D ANSYS-fluent și geometrie model, plasă de corp ANSYS-fluent pe planul de interes, diagramă ANSYS-fluent pe planul de interes.
Geometria modelului constă din două regiuni, fiecare dintre acestea fiind un fluid.Acest lucru se realizează folosind funcția de scădere logică.Mai întâi scădeți cilindrul (inclusiv mixerul) din cutie pentru a reprezenta lichidul.Apoi scădeți mixerul din cilindru, rezultând două obiecte: mixerul și lichidul.În cele din urmă, a fost aplicată o interfață de alunecare între cele două zone: o interfață cilindru-cilindru și o interfață cilindru-mixer (Fig. 3a).
Îmbinarea modelelor construite a fost finalizată pentru a îndeplini cerințele modelelor de turbulență care vor fi utilizate pentru rularea simulărilor numerice.S-a folosit o plasă nestructurată cu straturi expandate lângă suprafața solidă.Creați straturi de expansiune pentru toți pereții cu o rată de creștere de 1,2 pentru a vă asigura că sunt capturate modele de curgere complexe, cu o grosime a primului strat de \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m pentru a vă asigura că \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).Mărimea corpului este ajustată folosind metoda de ajustare tetraedrică.Se creează o dimensiune a părții frontale a două interfețe cu o dimensiune a elementului de 2,5 × \({10}^{-3}\) m și o dimensiune frontală a mixerului de 9 × \({10}^{-3}\ ) se aplică m.Mesh-ul generat inițial a constat din 2144409 elemente (Fig. 3b).
Un model de turbulență k–ε cu doi parametri a fost ales ca model de bază inițial.Pentru a simula cu acuratețe fluxul învolburat în interiorul floculatorului, a fost ales un model mai costisitor din punct de vedere computațional.Fluxul turbulent turbulent din interiorul floculatorului a fost investigat numeric folosind două modele CFD: SST k–ω51 și IDDES52.Rezultatele ambelor modele au fost comparate cu rezultatele experimentale PIV pentru a valida modelele.În primul rând, modelul de turbulență SST k-ω este un model de vâscozitate turbulentă cu două ecuații pentru aplicații de dinamică a fluidelor.Acesta este un model hibrid care combină modelele Wilcox k-ω și k-ε.Funcția de amestecare activează modelul Wilcox lângă perete și modelul k-ε în fluxul care se apropie.Acest lucru asigură că modelul corect este utilizat în întregul câmp de flux.Acesta prezice cu precizie separarea debitului din cauza gradienților de presiune adversi.În al doilea rând, a fost selectată metoda Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), utilizată pe scară largă în modelul Individual Eddy Simulation (DES) cu modelul SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES este un model hibrid RANS-LES (simulare mare turbioare) care oferă un model de simulare de scalare a rezoluției (SRS) mai flexibil și mai ușor de utilizat.Se bazează pe modelul LES pentru a rezolva turbulențele mari și revine la SST k-ω pentru a simula turbulențele la scară mică.Analizele statistice ale rezultatelor din simulările SST k–ω și IDDES au fost comparate cu rezultatele PIV pentru a valida modelul.
Un model de turbulență k–ε cu doi parametri a fost ales ca model de bază inițial.Pentru a simula cu acuratețe fluxul învolburat în interiorul floculatorului, a fost ales un model mai costisitor din punct de vedere computațional.Fluxul turbulent turbulent din interiorul floculatorului a fost investigat numeric folosind două modele CFD: SST k–ω51 și IDDES52.Rezultatele ambelor modele au fost comparate cu rezultatele experimentale PIV pentru a valida modelele.În primul rând, modelul de turbulență SST k-ω este un model de vâscozitate turbulentă cu două ecuații pentru aplicații de dinamică a fluidelor.Acesta este un model hibrid care combină modelele Wilcox k-ω și k-ε.Funcția de amestecare activează modelul Wilcox lângă perete și modelul k-ε în fluxul care se apropie.Acest lucru asigură că modelul corect este utilizat în întregul câmp de flux.Acesta prezice cu precizie separarea debitului din cauza gradienților de presiune adversi.În al doilea rând, a fost selectată metoda Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), utilizată pe scară largă în modelul Individual Eddy Simulation (DES) cu modelul SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES este un model hibrid RANS-LES (simulare mare turbioare) care oferă un model de simulare de scalare a rezoluției (SRS) mai flexibil și mai ușor de utilizat.Se bazează pe modelul LES pentru a rezolva turbulențele mari și revine la SST k-ω pentru a simula turbulențele la scară mică.Analizele statistice ale rezultatelor din simulările SST k–ω și IDDES au fost comparate cu rezultatele PIV pentru a valida modelul.
Utilizați o soluție tranzitorie bazată pe presiune și utilizați gravitația în direcția Y.Rotația se realizează prin atribuirea unei mișcări de plasă mixerului, unde originea axei de rotație este în centrul axei orizontale și direcția axei de rotație este în direcția Z.Este creată o interfață de plasă pentru ambele interfețe de geometrie a modelului, rezultând două margini ale casetei de delimitare.Ca și în tehnica experimentală, viteza de rotație corespunde cu 3 și 4 rotații.
Condițiile de limită pentru pereții mixerului și ai floculatorului au fost stabilite de perete, iar deschiderea superioară a floculatorului a fost stabilită de ieșirea cu presiune manometrică zero (Fig. 3c).Schemă SIMPlă de comunicare presiune-viteză, discretizarea spațiului de gradient al funcțiilor de ordinul doi cu toți parametrii pe baza elementelor celor mai mici pătrate.Criteriul de convergență pentru toate variabilele de flux este rezidualul scalat 1 x \({10}^{-3}\).Numărul maxim de iterații pe pas de timp este de 20, iar dimensiunea pasului de timp corespunde unei rotații de 0,5°.Soluția converge la a 8-a iterație pentru modelul SST k–ω și la a 12-a iterație folosind IDDES.În plus, numărul de pași de timp a fost calculat astfel încât mixerul să facă cel puțin 12 rotații.Aplicați eșantionarea datelor pentru statistici de timp după 3 rotații, ceea ce permite normalizarea fluxului, similar cu procedura experimentală.Compararea ieșirii buclelor de viteză pentru fiecare rotație dă exact aceleași rezultate pentru ultimele patru rotații, indicând faptul că a fost atinsă o stare de echilibru.Turațiile suplimentare nu au îmbunătățit contururile de viteză medie.
Pasul de timp este definit în raport cu viteza de rotație, 3 rpm sau 4 rpm.Pasul de timp este rafinat la timpul necesar pentru a roti mixerul cu 0,5°.Acest lucru se dovedește a fi suficient, deoarece soluția converge ușor, așa cum este descris în secțiunea anterioară.Astfel, toate calculele numerice pentru ambele modele de turbulență au fost efectuate folosind un pas de timp modificat de 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) pentru 3 rpm, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.Pentru un anumit pas de timp de rafinare, numărul Courant al unei celule este întotdeauna mai mic de 1,0.
Pentru a explora dependența modelului de rețea, rezultatele au fost obținute mai întâi folosind rețeaua originală de 2,14 M și apoi rețea rafinată de 2,88 M.Rafinarea grilei este realizată prin reducerea dimensiunii celulei corpului mixerului de la 9 × \({10}^{-3}\) m la 7 × \({10}^{-3}\) m.Pentru ochiurile originale și rafinate ale celor două modele de turbulență, au fost comparate valorile medii ale modulelor de viteză în diferite locuri din jurul lamei.Diferența procentuală dintre rezultate este de 1,73% pentru modelul SST k–ω și de 3,51% pentru modelul IDDES.IDDES prezintă o diferență procentuală mai mare deoarece este un model hibrid RANS-LES.Aceste diferențe au fost considerate nesemnificative, astfel încât simularea a fost efectuată folosind ochiul original cu 2,14 milioane de elemente și un pas de timp de rotație de 0,5°.
Reproductibilitatea rezultatelor experimentale a fost examinată prin efectuarea fiecăruia dintre cele șase experimente a doua oară și comparând rezultatele.Comparați valorile vitezei din centrul lamei în două serii de experimente.Diferența procentuală medie între cele două loturi experimentale a fost de 3,1%.Sistemul PIV a fost, de asemenea, recalibrat independent pentru fiecare experiment.Comparați viteza calculată analitic în centrul fiecărei lame cu viteza PIV din aceeași locație.Această comparație arată diferența cu o eroare procentuală maximă de 6,5% pentru lama 1.
Înainte de cuantificarea factorului de alunecare, este necesar să înțelegem științific conceptul de alunecare într-un floculator cu palete, care necesită studierea structurii fluxului din jurul paletelor floculatorului.Conceptual, coeficientul de alunecare este încorporat în proiectarea floculatoarelor cu palete pentru a ține cont de viteza paletelor în raport cu apă.Literatura de specialitate recomandă ca această viteză să fie de 75% din viteza lamei, astfel încât majoritatea modelelor utilizează de obicei ak de 0,25 pentru a ține cont de această ajustare.Acest lucru necesită utilizarea liniilor de viteză derivate din experimentele PIV pentru a înțelege pe deplin câmpul vitezei curgerii și a studia această alunecare.Lama 1 este lama cea mai interioară cea mai apropiată de arbore, lama 3 este lama cea mai exterioară, iar lama 2 este lama mijlocie.
Liniile de viteză de pe lama 1 arată un flux direct rotativ în jurul lamei.Aceste modele de curgere emană dintr-un punct din partea dreaptă a palei, între rotor și paletă.Privind zona indicată de caseta punctată roșie din Figura 4a, este interesant să identificăm un alt aspect al fluxului de recirculare deasupra și în jurul lamei.Vizualizarea debitului arată un debit redus în zona de recirculare.Acest flux se apropie din partea dreaptă a lamei la o înălțime de aproximativ 6 cm de la capătul lamei, posibil datorită influenței primei lame a mâinii care precedă lama, care este vizibilă în imagine.Vizualizarea debitului la 4 rpm arată același comportament și structură, aparent cu viteze mai mari.
Câmpul vitezei și graficele curentului a trei pale la două viteze de rotație de 3 rpm și 4 rpm.Viteza medie maximă a celor trei pale la 3 rpm este de 0,15 m/s, 0,20 m/s și respectiv 0,16 m/s, iar viteza medie maximă la 4 rpm este de 0,15 m/s, 0,22 m/s și 0,22 m/s. s, respectiv.pe trei foi.
O altă formă de curgere elicoidală a fost găsită între paletele 1 și 2. Câmpul vectorial arată clar că fluxul de apă se mișcă în sus de la baza paletei 2, așa cum este indicat de direcția vectorului.După cum se arată în caseta punctată din Fig. 4b, acești vectori nu merg vertical în sus de la suprafața lamei, ci se întorc la dreapta și coboară treptat.Pe suprafața paletei 1 se disting vectori descendenți, care se apropie de ambele pale și le înconjoară din fluxul de recirculare format între ele.Aceeași structură de curgere a fost determinată la ambele viteze de rotație cu o amplitudine de viteză mai mare de 4 rpm.
Câmpul de viteză al lamei 3 nu are o contribuție semnificativă din vectorul viteză al lamei anterioare care se unește cu fluxul de sub lama 3. Curgerea principală sub lama 3 se datorează vectorului viteză vertical care se ridică odată cu apa.
Vectorii viteză de pe suprafața lamei 3 pot fi împărțiți în trei grupuri, așa cum se arată în Fig. 4c.Primul set este cel de pe marginea dreaptă a lamei.Structura de curgere în această poziție este dreaptă spre dreapta și în sus (adică spre lama 2).Al doilea grup este mijlocul lamei.Vectorul viteză pentru această poziție este îndreptat drept în sus, fără nicio abatere și fără rotație.Scăderea valorii vitezei a fost determinată cu o creștere a înălțimii deasupra capătului lamei.Pentru al treilea grup, situat pe periferia stângă a palelor, fluxul este direcționat imediat spre stânga, adică spre peretele floculatorului.Cea mai mare parte a fluxului reprezentat de vectorul viteză crește, iar o parte a fluxului coboară orizontal.
Două modele de turbulență, SST k–ω și IDDES, au fost utilizate pentru a construi profile de viteză medie în timp pentru 3 rpm și 4 rpm în planul lungimii medii a lamei.După cum se arată în Figura 5, starea de echilibru este atinsă prin realizarea unei asemănări absolute între contururile de viteză create prin patru rotații succesive.În plus, contururile de viteză medie în timp generate de IDDES sunt prezentate în Fig. 6a, în timp ce profilurile de viteză medie în timp generate de SST k – ω sunt prezentate în Fig. 6a.6b.
Folosind IDDES și buclele de viteză medie în timp generate de SST k–ω, IDDES are o proporție mai mare de bucle de viteză.
Examinați cu atenție profilul de viteză creat cu IDDES la 3 rpm așa cum se arată în Figura 7. Mixerul se rotește în sensul acelor de ceasornic și debitul este discutat conform noților prezentate.
Pe fig.7 se poate observa că pe suprafaţa lamei 3 din cadranul I există o separare a fluxului, deoarece fluxul nu este constrâns din cauza prezenţei orificiului superior.În cadranul II nu se observă o separare a fluxului, deoarece fluxul este complet limitat de pereții floculatorului.În cadranul III, apa se rotește cu o viteză mult mai mică sau mai mică decât în cadranele precedente.Apa din cadranele I și II este deplasată (adică rotită sau împinsă) în jos prin acțiunea mixerului.Iar în cadranul III, apa este împinsă afară de lamele agitatorului.Este evident că masa de apă din acest loc rezistă la apropierea manșonului floculatorului.Fluxul rotativ din acest cadran este complet separat.Pentru cadranul IV, cea mai mare parte a fluxului de aer deasupra paletei 3 este îndreptată către peretele floculatorului și își pierde treptat dimensiunea pe măsură ce înălțimea crește până la deschiderea superioară.
În plus, locația centrală include modele complexe de flux care domină cadranele III și IV, așa cum arată elipsele punctate albastre.Această zonă marcată nu are nimic de-a face cu fluxul de turbionare din floculatorul cu palete, deoarece mișcarea de turbionare poate fi identificată.Acest lucru este în contrast cu cadranele I și II în care există o separare clară între fluxul intern și fluxul de rotație completă.
După cum se arată în fig.6, comparând rezultatele IDDES și SST k-ω, principala diferență între contururile vitezei este mărimea vitezei imediat sub lama 3. Modelul SST k-ω arată clar că fluxul extins de mare viteză este transportat de lama 3. comparativ cu IDDES.
O altă diferență poate fi găsită în cadranul III.Din IDDES, așa cum sa menționat mai devreme, s-a remarcat separarea fluxului rotațional între brațele floculatorului.Totuși, această poziție este puternic afectată de curgerea cu viteză scăzută din colțuri și din interiorul primei lame.De la SST k–ω pentru aceeași locație, liniile de contur arată viteze relativ mai mari în comparație cu IDDES, deoarece nu există un flux confluent din alte regiuni.
O înțelegere calitativă a câmpurilor vectoriale de viteză și a liniilor de curgere este necesară pentru o înțelegere corectă a comportamentului și structurii curgerii.Având în vedere că fiecare lamă are 5 cm lățime, au fost alese șapte puncte de viteză pe lățime pentru a oferi un profil de viteză reprezentativ.În plus, este necesară o înțelegere cantitativă a mărimii vitezei în funcție de înălțimea deasupra suprafeței lamei prin trasarea profilului de viteză direct peste fiecare suprafață a lamei și pe o distanță continuă de 2,5 cm pe verticală până la o înălțime de 10 cm.Consultați S1, S2 și S3 în figură pentru mai multe informații.Anexa A. Figura 8 arată asemănarea distribuției vitezei de suprafață a fiecărei lame (Y = 0,0) obținută folosind experimente PIV și analiza ANSYS-Fluent folosind IDDES și SST k-ω.Ambele modele numerice fac posibilă simularea cu precizie a structurii curgerii pe suprafața palelor floculatorului.
Distribuții de viteză PIV, IDDES și SST k–ω pe suprafața lamei.Axa x reprezintă lățimea fiecărei foi în milimetri, originea (0 mm) reprezentând periferia stângă a foii și capătul (50 mm) reprezentând periferia dreaptă a foii.
Se vede clar că distribuțiile de viteză ale lamelor 2 și 3 sunt prezentate în Fig.8 și Fig.8.S2 și S3 din Anexa A arată tendințe similare cu înălțimea, în timp ce lama 1 se schimbă independent.Profilele de viteză ale lamelor 2 și 3 devin perfect drepte și au aceeași amplitudine la o înălțime de 10 cm de la capătul lamei.Aceasta înseamnă că fluxul devine uniform în acest punct.Acest lucru se vede clar din rezultatele PIV, care sunt bine reproduse de IDDES.Între timp, rezultatele SST k–ω arată unele diferențe, în special la 4 rpm.
Este important de menționat că lama 1 păstrează aceeași formă a profilului de viteză în toate pozițiile și nu este normalizată în înălțime, deoarece vârtejul format în centrul mixerului conține prima lamă a tuturor brațelor.De asemenea, în comparație cu IDDES, profilele de viteză ale lamei PIV 2 și 3 au prezentat valori de viteză puțin mai mari în majoritatea locațiilor până când au fost aproape egale la 10 cm deasupra suprafeței lamei.
Ora postării: 27-dec-2022