Täname, et külastasite veebisaiti Nature.com.Kasutate piiratud CSS-i toega brauseri versiooni.Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim).Lisaks näitame pideva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Kuvab korraga kolmest slaidist koosneva karusselli.Korraga kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage nuppe Eelmine ja Järgmine või kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage lõpus olevaid liugurinuppe.
Selles uuringus hinnatakse flokulatsiooni hüdrodünaamikat turbulentse voolukiiruse välja eksperimentaalse ja numbrilise uurimisega laborimastaabis labaflokkulaatoris.Turbulentne vool, mis soodustab osakeste agregatsiooni või floki lagunemist, on keeruline ning seda käsitletakse ja võrreldakse selles artiklis kahe turbulentsimudeli, nimelt SST k-ω ja IDDES, abil.Tulemused näitavad, et IDDES annab SST k-ω suhtes väga väikese parenduse, mis on piisav voolu täpseks simuleerimiseks laba flokulaatoris.Sobivusskoori kasutatakse PIV ja CFD tulemuste konvergentsi uurimiseks ning kasutatud CFD turbulentsimudeli tulemuste võrdlemiseks.Uuring keskendub ka libisemisteguri k kvantifitseerimisele, mis on 0,18 madalatel kiirustel 3 ja 4 pööret minutis võrreldes tavapärase tüüpilise väärtusega 0,25.K vähendamine 0,25-lt 0,18-le suurendab vedelikule antavat võimsust umbes 27–30% ja kiiruse gradienti (G) umbes 14% võrra.See tähendab, et saavutatakse oodatust intensiivsem segunemine, seetõttu kulub vähem energiat ning seetõttu võib energiakulu joogiveepuhasti flokulatsiooniplokis olla väiksem.
Vee puhastamisel destabiliseerib koagulantide lisamine väikseid kolloidosakesi ja lisandeid, mis seejärel ühinevad flokulatsiooniks flokulatsioonifaasis.Helbed on lõdvalt seotud fraktaalmassi agregaadid, mis seejärel settimise teel eemaldatakse.Osakeste omadused ja vedeliku segamise tingimused määravad flokulatsiooni- ja töötlemisprotsessi efektiivsuse.Flokulatsioon nõuab aeglast segamist suhteliselt lühikese aja jooksul ja palju energiat suurte veekoguste segamiseks1.
Flokulatsiooni ajal määravad kogu süsteemi hüdrodünaamika ja koagulandi-osakeste interaktsiooni keemia kiiruse, millega saavutatakse statsionaarne osakeste suuruse jaotus2.Kui osakesed põrkuvad, kleepuvad nad üksteise külge3.Oyegbile, Ay4 teatas, et kokkupõrked sõltuvad Browni difusiooni, vedeliku nihke ja diferentsiaalse settimise flokulatsiooni transpordimehhanismidest.Kui helbed kokku põrkuvad, kasvavad nad ja jõuavad teatud suuruse piirini, mis võib viia purunemiseni, kuna helbed ei talu hüdrodünaamiliste jõudude jõudu5.Mõned neist purustatud helvestest kombineeruvad uuesti väiksemateks või sama suurusega6.Kuid tugevad helbed võivad sellele jõule vastu seista ning säilitada oma suuruse ja isegi kasvada7.Yukselen ja Gregory8 teatasid uuringutest, mis on seotud helveste hävimise ja nende taastumisvõimega, näidates, et pöördumatus on piiratud.Bridgeman, Jefferson9 kasutas CFD-d, et hinnata keskmise voolu ja turbulentsi kohalikku mõju flokide moodustumisele ja killustatusele kohalike kiirusgradientide kaudu.Rootori labadega varustatud mahutites on vaja muuta kiirust, millega agregaadid põrkuvad teiste osakestega, kui need on koagulatsioonifaasis piisavalt destabiliseerunud.Kasutades CFD-d ja väiksemaid pöörlemiskiirusi (umbes 15 pööret minutis), suutsid Vadasarukkai ja Gagnon11 saavutada kooniliste labadega flokulatsiooni G väärtused, minimeerides sellega segamise energiatarbimist.Kõrgemate G väärtustega töötamine võib aga põhjustada flokulatsiooni.Nad uurisid segamiskiiruse mõju pilootlaba flokulaatori keskmise kiirusgradiendi määramisele.Need pöörlevad kiirusega üle 5 p/min.
Korpijärvi, Ahlstedt12 kasutas tankikatsestendil vooluvälja uurimiseks nelja erinevat turbulentsimudelit.Nad mõõtsid vooluvälja laser-Doppleri anemomeetri ja PIV-ga ning võrdlesid arvutatud tulemusi mõõdetud tulemustega.de Oliveira ja Donadel13 on välja pakkunud alternatiivse meetodi hüdrodünaamiliste omaduste kiiruse gradientide hindamiseks CFD abil.Kavandatud meetodit testiti kuuel spiraalsel geomeetrial põhineval flokulatsiooniüksusel.hindas retentsiooniaja mõju flokulantidele ja pakkus välja flokulatsioonimudeli, mida saab kasutada vahendina madala retentsiooniajaga rakkude ratsionaalse disaini toetamiseks14.Zhan, You15 pakkus välja kombineeritud CFD ja populatsiooni tasakaalu mudeli, et simuleerida vooluomadusi ja floku käitumist täismahus flokulatsioonis.Llano-Serna, Coral-Portillo16 uuris Colombias Viterbo veepuhastusjaamas Coxi tüüpi hüdroflokkulaatori vooluomadusi.Kuigi CFD-l on oma eelised, on sellel ka piiranguid, näiteks arvutusvead.Seetõttu tuleks kõiki saadud arvulisi tulemusi hoolikalt uurida ja analüüsida, et teha kriitilisi järeldusi17.Horisontaalsete deflektorite flokulaatorite projekteerimise kohta on kirjanduses vähe uuringuid, samas kui soovitused hüdrodünaamiliste flokulaatorite konstrueerimiseks on piiratud18.Chen, Liao19 kasutas polariseeritud valguse hajutamisel põhinevat eksperimentaalset seadistust, et mõõta üksikute osakeste hajutatud valguse polarisatsiooni olekut.Feng, Zhang20 kasutas Ansys-Fluenti, et simuleerida pöörisvoolude jaotust ja keerise vooluväljas koaguleeritud plaatflokkulaatoris ja intergofreeritud flokulaatoris.Pärast turbulentse vedeliku voolu simuleerimist flokulaatoris Ansys-Fluenti abil kasutas Gavi21 tulemusi flokulaatori kujundamiseks.Vaneli ja Teixeira22 teatasid, et spiraaltoru flokulaatorite vedeliku dünaamika ja flokulatsiooniprotsessi vaheline seos on ratsionaalse disaini toetamiseks endiselt halvasti mõistetav.de Oliveira ja Costa Teixeira23 uurisid spiraaltoru flokulaatori efektiivsust ja demonstreerisid füüsikaliste katsete ja CFD simulatsioonide abil hüdrodünaamilisi omadusi.Paljud teadlased on uurinud spiraaltorureaktoreid või spiraaltoru flokulaatoreid.Siiski puudub üksikasjalik hüdrodünaamiline teave nende reaktorite reageerimise kohta erinevatele konstruktsioonidele ja töötingimustele (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira ja Teixeira26 esitavad originaalseid tulemusi spiraalse flokulaatori teoreetilistest, eksperimentaalsetest ja CFD simulatsioonidest.Oliveira ja Teixeira27 tegid ettepaneku kasutada spiraalspiraali koagulatsiooni-flokulatsioonireaktorina koos tavapärase dekanteerimissüsteemiga.Nad teatavad, et hägususe eemaldamise efektiivsuse tulemused erinevad oluliselt flokulatsiooni hindamiseks tavaliselt kasutatavatest mudelitest saadud tulemustest, mis viitab selliste mudelite kasutamisel ettevaatlikkusele.Moruzzi ja de Oliveira [28] modelleerisid pidevate flokulatsioonikambrite süsteemi käitumist erinevates töötingimustes, sealhulgas kasutatavate kambrite arvu erinevusi ja fikseeritud või skaleeritud rakukiiruse gradiente.Romphophak, Le Men29 Hetkekiiruste PIV mõõtmised kvaasi-kahemõõtmelistes jugapuhastites.Nad leidsid flokulatsioonitsoonis tugeva juga põhjustatud tsirkulatsiooni ning hindasid kohalikke ja hetkelisi nihkekiirusi.
Shah, Joshi30 teatas, et CFD pakub huvitavat alternatiivi disaini parandamiseks ja virtuaalse voo omaduste saamiseks.See aitab vältida ulatuslikke eksperimentaalseid seadistusi.CFD-d kasutatakse üha enam vee- ja reoveepuhastite analüüsimiseks (Melo, Freire31; Aalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Mitmed uurijad on teinud katseid purkide testimisseadmetega (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) ja perforeeritud ketasflokkulaatoritega31.Teised on hüdroflokkulaatorite hindamiseks kasutanud CFD-d (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 teatas, et mehaanilised flokulaatorid vajavad regulaarset hooldust, kuna need lagunevad sageli ja nõuavad palju elektrit.
Laba flokulaatori jõudlus sõltub suuresti reservuaari hüdrodünaamikast.Kirjanduses on selgelt märgitud, et selliste flokulaatorite voolukiiruse väljade kvantitatiivne mõistmine puudub (Howe, Hand38; Hendricks39).Kogu veemass allub flokulaatori tiiviku liikumisele, seega on oodata libisemist.Tavaliselt on vedeliku kiirus väiksem kui laba kiirus libisemisteguri k võrra, mis on määratletud kui veekogu kiiruse ja labaratta kiiruse suhe.Bhole40 teatas, et flokulaatori projekteerimisel tuleb arvestada kolme tundmatu teguriga, nimelt kiiruse gradient, takistustegur ja vee suhteline kiirus tera suhtes.
Camp41 teatab, et kui arvestada suure kiirusega masinaid, on kiirus umbes 24% rootori kiirusest ja koguni 32% madala kiirusega masinate puhul.Vaheseinte puudumisel kasutasid Droste ja Ger42 ak väärtust 0,25, vaheseinte puhul aga jäi k vahemikku 0 kuni 0,15.Howe, Hand38 näitavad, et k on vahemikus 0,2 kuni 0,3.Hendrix39 seostas libisemisteguri pöörlemiskiirusega empiirilise valemi abil ja järeldas, et ka libisemistegur jäi Camp41 kehtestatud vahemikku.Bratby43 teatas, et k on umbes 0,2, kui tiiviku pöörlemissagedus on 1,8–5,4 pööret minutis, ja suureneb 0,35-ni tiiviku pöörlemissageduse 0,9–3 pööret minutis korral.Teised teadlased teatavad laias valikus takistusteguri (Cd) väärtusi vahemikus 1,0 kuni 1,8 ja libisemisteguri k väärtusi vahemikus 0,25 kuni 0,40 (Feir ja Geyer44; Hyde ja Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; ning Bratby ja Marais48 ).Kirjandus ei näita märkimisväärseid edusamme k määratlemisel ja kvantifitseerimisel alates Camp41 tööst.
Flokulatsiooniprotsess põhineb kokkupõrgete hõlbustamiseks turbulentsil, kus turbulentsi/flokulatsiooni mõõtmiseks kasutatakse kiiruse gradienti (G).Segamine on kemikaalide kiire ja ühtlane hajutamine vees.Segamisastet mõõdetakse kiiruse gradiendiga:
kus G = kiiruse gradient (sek-1), P = sisendvõimsus (W), V = vee maht (m3), μ = dünaamiline viskoossus (Pa s).
Mida suurem on G väärtus, seda segasem.Ühtlase hüübimise tagamiseks on vajalik põhjalik segamine.Kirjanduses on välja toodud, et kõige olulisemad konstruktsiooniparameetrid on segamisaeg (t) ja kiirusgradient (G).Flokulatsiooniprotsess põhineb kokkupõrgete hõlbustamiseks turbulentsil, kus turbulentsi/flokulatsiooni mõõtmiseks kasutatakse kiiruse gradienti (G).Tüüpilised G projekteerimisväärtused on 20–70 s–1, t on 15–30 minutit ja Gt (mõõtmeteta) on 104–105. Kiirsegupaagid töötavad kõige paremini G väärtustega 700–1000 ja ajavahega umbes 2 minutit.
kus P on iga flokulaatori laba vedelikule antav võimsus, N on pöörlemiskiirus, b on laba pikkus, ρ on vee tihedus, r on raadius ja k on libisemistegur.Seda võrrandit rakendatakse igale labale eraldi ja tulemused liidetakse flokulaatori koguvõimsuse saamiseks.Selle võrrandi hoolikas uurimine näitab libisemisteguri k tähtsust laba flokulaatori projekteerimisprotsessis.Kirjanduses ei ole toodud k täpset väärtust, vaid soovitatakse vahemikku, nagu eelnevalt öeldud.Võimsuse P ja libisemiskoefitsiendi k suhe on aga kuup.Seega, eeldusel, et kõik parameetrid on samad, põhjustab näiteks k muutmine 0,25-lt 0,3-le vedelikule tera kohta edastatava võimsuse vähenemise umbes 20% ja k vähendamine 0,25-lt 0,18-le suurendab seda.umbes 27–30% laba kohta Vedelikule antav jõud.Lõppkokkuvõttes tuleb tehnilise kvantifitseerimise kaudu uurida k mõju säästvale aerflokkulaatori disainile.
Libisemise täpne empiiriline kvantifitseerimine nõuab voolu visualiseerimist ja simulatsiooni.Seetõttu on tera erinevate asendite mõju hindamiseks oluline kirjeldada tera tangentsiaalset kiirust vees teatud pöörlemiskiirusel erinevatel radiaalsetel kaugustel võllist ja erinevatel sügavustel veepinnast.
Selles uuringus hinnatakse flokulatsiooni hüdrodünaamikat turbulentse voolukiiruse välja eksperimentaalse ja numbrilise uurimisega laborimastaabis labaflokkulaatoris.PIV mõõtmised salvestatakse flokulaatorile, luues ajakeskmise kiiruse kontuurid, mis näitavad veeosakeste kiirust lehtede ümber.Lisaks kasutati ANSYS-Fluent CFD-d flokulaatori sees pöörleva voolu simuleerimiseks ja ajakeskmiste kiiruskontuuride loomiseks.Saadud CFD mudelit kinnitati PIV ja CFD tulemuste vastavuse hindamisega.Selle töö keskmes on libisemiskoefitsiendi k kvantifitseerimine, mis on laba flokulaatori mõõtmeteta projekteerimisparameeter.Siin esitatud töö annab uue aluse libisemiskoefitsiendi k kvantifitseerimiseks madalatel kiirustel 3 p/min ja 4 p/min.Tulemuste mõju aitab otseselt kaasa flokulatsioonipaagi hüdrodünaamika paremale mõistmisele.
Laboratooriumi flokulaator koosneb avatud ülemisest ristkülikukujulisest karbist, mille üldkõrgus on 147 cm, kõrgus 39 cm, üldlaius 118 cm ja üldpikkus 138 cm (joonis 1).Camp49 poolt välja töötatud peamisi projekteerimiskriteeriume kasutati laboratoorses mastaabis labaflokkulaatori projekteerimisel ja dimensioonianalüüsi põhimõtete rakendamisel.Katserajatis ehitati Liibanoni Ameerika ülikooli keskkonnatehnika laborisse (Byblos, Liibanon).
Horisontaalne telg asub 60 cm kõrgusel põhjast ja mahutab kaks labaratast.Iga labaratas koosneb 4 labast, millel on 3 laba, kokku 12 laba.Flokulatsioon nõuab õrna segamist madalal kiirusel 2–6 pööret minutis.Levinumad segamiskiirused flokulaatorites on 3 p/min ja 4 p/min.Laboratoorses mastaabis flokulaatori vooluhulk on kavandatud esindama vooluhulka joogiveepuhasti flokulatsioonipaagi kambris.Võimsus arvutatakse traditsioonilise võrrandi 42 abil.Mõlema pöörlemiskiiruse korral on kiiruse gradient \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) suurem kui 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , näitab Reynoldsi arv turbulentset voolu (tabel 1).
PIV-i kasutatakse vedeliku kiirusvektorite täpseks ja kvantitatiivseks mõõtmiseks üheaegselt väga paljudes punktides50.Eksperimentaalne seadistus hõlmas laborimõõtu labaflokkulaatorit, LaVision PIV-süsteemi (2017) ja Arduino välist laseranduri päästikut.Ajakeskmiste kiirusprofiilide loomiseks salvestati PIV-pildid järjestikku samas kohas.PIV-süsteem on kalibreeritud nii, et sihtala on konkreetse labajala iga kolme laba pikkuse keskpunktis.Väline päästik koosneb laserist, mis asub flokulaatori laiuse ühel küljel, ja anduri vastuvõtjast teisel pool.Iga kord, kui flokulaatori õlg laseri tee blokeerib, saadetakse PIV-süsteemi signaal, et pildistada PIV-laseriga ja kaameraga, mis on sünkroonitud programmeeritava ajastusseadmega.Joonisel fig.2 näitab PIV-süsteemi paigaldamist ja kujutise hankimise protsessi.
PIV-i registreerimist alustati pärast flokulaatori 5–10-minutilist kasutamist, et normaliseerida voolu ja võtta arvesse sama murdumisnäitaja välja.Kalibreerimine toimub flokulaatorisse sukeldatud kalibreerimisplaadi abil, mis on asetatud huvipakkuva tera pikkuse keskpunkti.Reguleerige PIV-laseri asendit, et moodustada tasane valgusleht otse kalibreerimisplaadi kohale.Registreerige iga tera iga pöörlemiskiiruse mõõdetud väärtused ja katse jaoks valitud pöörlemiskiirused on 3 pööret minutis ja 4 pööret minutis.
Kõigi PIV-salvestuste puhul määrati kahe laserimpulsi vaheline ajavahemik vahemikus 6900 kuni 7700 µs, mis võimaldas osakeste minimaalset nihkumist 5 pikslit.Piloottestid viidi läbi piltide arvuga, mis on vajalikud täpsete ajakeskmiste mõõtmiste saamiseks.Vektorstatistikat võrreldi proovide puhul, mis sisaldasid 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 ja 280 pilti.Leiti, et 240 kujutise valimi suurus annab stabiilsed ajakeskmised tulemused, arvestades, et iga pilt koosneb kahest kaadrist.
Kuna vool flokulaatoris on turbulentne, on väikeste turbulentsete struktuuride lahendamiseks vaja väikest küsitlusakent ja suurt hulka osakesi.Täpsuse tagamiseks rakendatakse mitut suuruse vähendamise iteratsiooni koos ristkorrelatsiooni algoritmiga.Esialgsele küsitlusakna suurusele 48 × 48 pikslit 50% kattuvusega ja ühe kohandamisprotsessiga järgnes lõplik küsitlusakna suurus 32 × 32 pikslit 100% kattuvusega ja kaks kohandamisprotsessi.Lisaks kasutati voolus seemneosakestena klaasist õõnsaid kerasid, mis võimaldasid vähemalt 10 osakest küsitlusakna kohta.PIV-salvestuse käivitab programmeeritava ajastusüksuse (PTU) päästikuallikas, mis vastutab laserallika ja kaamera töötamise ja sünkroonimise eest.
3D-mudeli väljatöötamiseks ja põhiliste vooluvõrrandite lahendamiseks kasutati kaubanduslikku CFD paketti ANSYS Fluent v 19.1.
ANSYS-Fluenti abil loodi laboratoorses mastaabis aeruflokkulaatori 3D-mudel.Mudel on valmistatud ristkülikukujulise kasti kujul, mis koosneb kahest horisontaalteljele paigaldatud labarattast, nagu labori mudel.Mudel ilma vabapardata on 108 cm kõrge, 118 cm lai ja 138 cm pikk.Mikseri ümber on lisatud horisontaalne silindriline tasapind.Silindrilise tasapinna genereerimine peaks rakendama kogu segisti pöörlemist paigaldusfaasis ja simuleerima flokulaatori sees pöörlevat vooluvälja, nagu on näidatud joonisel 3a.
3D ANSYS-fluent ja mudeli geomeetria diagramm, ANSYS-fluent flokulaatori korpuse võrk huvipakkuval tasandil, ANSYS-fluent diagramm huvipakkuval tasandil.
Mudeli geomeetria koosneb kahest piirkonnast, millest igaüks on vedelik.See saavutatakse loogilise lahutamise funktsiooni abil.Esmalt lahutage kastist silinder (sealhulgas segisti), et kujutada vedelikku.Seejärel lahutage silindrist mikser, mille tulemuseks on kaks objekti: segisti ja vedelik.Lõpuks rakendati kahe piirkonna vahel libisev liides: silindri-silindri liides ja silindri-segisti liides (joonis 3a).
Konstrueeritud mudelite sidumine on lõpule viidud, et vastata numbriliste simulatsioonide läbiviimiseks kasutatavate turbulentsimudelite nõuetele.Kasutati tahke pinna lähedal laienenud kihtidega struktureerimata võrku.Looge kõigi seinte jaoks laienduskihid kasvukiirusega 1,2, et tagada keerukate voolumustrite jäädvustamine, esimese kihi paksusega \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m tagamaks, et \ ( {\tekst {y))^{+}\le 1.0\).Keha suurust reguleeritakse tetraeedri sobitamise meetodil.Luuakse kahe liidese esikülje suurus elemendi suurusega 2,5 × \({10}^{-3}\) m ja mikseri esikülje suurus on 9 × \({10}^{-3}\ ) m rakendatakse.Algselt loodud võrk koosnes 2144409 elemendist (joonis 3b).
Algseks baasmudeliks valiti kaheparameetriline k-ε turbulentsimudel.Flokulaatori sees pöörleva voolu täpseks simuleerimiseks valiti arvutuslikult kallim mudel.Turbulentset pöörlevat voolu flokulaatori sees uuriti numbriliselt, kasutades kahte CFD mudelit: SST k – ω51 ja IDDES52.Mudelite kinnitamiseks võrreldi mõlema mudeli tulemusi eksperimentaalsete PIV tulemustega.Esiteks on SST k-ω turbulentsimudel kahe võrrandi turbulentse viskoossuse mudel vedeliku dünaamika rakenduste jaoks.See on hübriidmudel, mis ühendab Wilcoxi k-ω ja k-ε mudelid.Segamisfunktsioon aktiveerib Wilcoxi mudeli seina lähedal ja k-ε mudeli vastutulevas voolus.See tagab õige mudeli kasutamise kogu vooluväljas.See ennustab täpselt voolu eraldumist ebasoodsate rõhugradientide tõttu.Teiseks valiti välja Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) meetod, mida kasutatakse laialdaselt Individual Eddy Simulation (DES) mudelis koos SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) mudeliga.IDDES on hübriidne RANS-LES (suur pöörissimulatsioon) mudel, mis pakub paindlikumat ja kasutajasõbralikumat eraldusvõime skaleerimise (SRS) simulatsioonimudelit.See põhineb suurte pööriste lahendamiseks LES-mudelil ja naaseb SST k-ω-le, et simuleerida väikesemahulisi pööriseid.Mudeli kinnitamiseks võrreldi SST k–ω ja IDDES simulatsioonide tulemuste statistilisi analüüse PIV tulemustega.
Algseks baasmudeliks valiti kaheparameetriline k-ε turbulentsimudel.Flokulaatori sees pöörleva voolu täpseks simuleerimiseks valiti arvutuslikult kallim mudel.Turbulentset pöörlevat voolu flokulaatori sees uuriti numbriliselt, kasutades kahte CFD mudelit: SST k – ω51 ja IDDES52.Mudelite kinnitamiseks võrreldi mõlema mudeli tulemusi eksperimentaalsete PIV tulemustega.Esiteks on SST k-ω turbulentsimudel kahe võrrandi turbulentse viskoossuse mudel vedeliku dünaamika rakenduste jaoks.See on hübriidmudel, mis ühendab Wilcoxi k-ω ja k-ε mudelid.Segamisfunktsioon aktiveerib Wilcoxi mudeli seina lähedal ja k-ε mudeli vastutulevas voolus.See tagab õige mudeli kasutamise kogu vooluväljas.See ennustab täpselt voolu eraldumist ebasoodsate rõhugradientide tõttu.Teiseks valiti välja Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) meetod, mida kasutatakse laialdaselt Individual Eddy Simulation (DES) mudelis koos SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) mudeliga.IDDES on hübriidne RANS-LES (suur pöörissimulatsioon) mudel, mis pakub paindlikumat ja kasutajasõbralikumat eraldusvõime skaleerimise (SRS) simulatsioonimudelit.See põhineb suurte pööriste lahendamiseks LES-mudelil ja naaseb SST k-ω-le, et simuleerida väikesemahulisi pööriseid.Mudeli kinnitamiseks võrreldi SST k–ω ja IDDES simulatsioonide tulemuste statistilisi analüüse PIV tulemustega.
Kasutage rõhupõhist siirdelahendajat ja kasutage gravitatsiooni Y-suunas.Pööramine saavutatakse segistile võrgusilma liikumise määramisega, kus pöörlemistelje alguspunkt on horisontaaltelje keskmes ja pöörlemistelje suund Z-suunas.Mõlema mudeli geomeetria liidese jaoks luuakse võrguliides, mille tulemuseks on kaks piirava kasti serva.Nagu katsetehnikas, vastab pöörlemiskiirus 3 ja 4 pööret.
Segisti ja flokulaatori seinte piirtingimused määrati seinaga ning flokulaatori ülemine ava nulli ülerõhuga väljalaskeava (joonis 3c).LIHTNE rõhu-kiiruse kommunikatsiooniskeem, teist järku funktsioonide gradiendiruumi diskretiseerimine kõigi parameetritega vähimruutude elementidel.Kõigi voolumuutujate lähenemiskriteerium on skaleeritud jääk 1 x \({10}^{-3}\).Maksimaalne iteratsioonide arv ajasammu kohta on 20 ja ajasammu suurus vastab 0,5° pöördele.Lahendus läheneb SST k–ω mudeli 8. iteratsioonil ja IDDESi 12. iteratsioonil.Lisaks arvutati ajasammude arv nii, et mikser tegi vähemalt 12 pööret.Rakendage ajastatistika jaoks andmete proovivõttu pärast 3 pööret, mis võimaldab voolu normaliseerida sarnaselt katseprotseduurile.Võrreldes kiiruskontuuride väljundit iga pöörde kohta, saadakse täpselt samad tulemused viimase nelja pöörde kohta, mis näitab, et püsiseisund on saavutatud.Lisapöörded ei parandanud keskmise kiiruse kontuure.
Ajasamm määratakse pöörlemiskiiruse suhtes, 3 pööret minutis või 4 pööret minutis.Ajasammu täpsustatakse ajaga, mis on vajalik segisti 0,5° pööramiseks.See osutub piisavaks, kuna lahendus läheneb kergesti, nagu on kirjeldatud eelmises jaotises.Seega viidi mõlema turbulentsimudeli kõik numbrilised arvutused läbi modifitseeritud ajasammuga 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) 3 pööret minutis, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 pööret minutis.Antud täpsustamise ajaetapis on lahtri Courant number alati väiksem kui 1,0.
Mudeli võrgusõltuvuse uurimiseks saadi tulemused esmalt, kasutades algset 2,14M võrku ja seejärel rafineeritud 2,88M võrku.Võre täiustamine saavutatakse segisti korpuse lahtri suuruse vähendamisega 9 × \({10}^{-3}\) m-lt 7 × \({10}^{-3}\) m-le.Kahe mudeli turbulentsi originaalsete ja viimistletud võrgusilmade puhul võrreldi kiirusmoodulite keskmisi väärtusi tera ümber erinevates kohtades.Protsentuaalne erinevus tulemuste vahel on SST k–ω mudeli puhul 1,73% ja IDDES mudeli puhul 3,51%.IDDES näitab suuremat protsentuaalset erinevust, kuna tegemist on hübriid-RANS-LES mudeliga.Neid erinevusi peeti ebaolulisteks, nii et simulatsioon viidi läbi, kasutades algset võrku 2, 14 miljoni elemendiga ja pöörlemisaja sammuga 0, 5 °.
Katsetulemuste reprodutseeritavust uuriti, tehes iga kuue katse teist korda ja võrreldes tulemusi.Võrrelge kahes katseseerias tera keskel olevaid kiiruse väärtusi.Keskmine protsentuaalne erinevus kahe katserühma vahel oli 3,1%.PIV-süsteem kalibreeriti ka iga katse jaoks iseseisvalt ümber.Võrrelge analüütiliselt arvutatud kiirust iga tera keskel PIV kiirusega samas kohas.See võrdlus näitab erinevust tera 1 maksimaalse veaprotsendiga 6,5%.
Enne libisemisteguri kvantifitseerimist on vaja teaduslikult mõista libisemise mõistet laba flokulaatoris, mis eeldab flokulaatori labade ümber toimuva voolustruktuuri uurimist.Kontseptuaalselt on libisemistegur sisse ehitatud labade flokulaatorite konstruktsiooni, et võtta arvesse labade kiirust vee suhtes.Kirjanduses soovitatakse, et see kiirus oleks 75% tera kiirusest, nii et enamiku konstruktsioonide puhul kasutatakse selle reguleerimise arvessevõtmiseks tavaliselt ak 0,25.See nõuab voolukiiruse välja täielikuks mõistmiseks ja selle libisemise uurimiseks PIV-katsetest tuletatud kiiruse voolujoonte kasutamist.Tera 1 on võllile kõige lähemal asuv sisemine tera, tera 3 on välimine tera ja tera 2 on keskmine tera.
Tera 1 kiiruse voolujooned näitavad otsest pöörlevat voolu ümber tera.Need voolumustrid lähtuvad tera paremal küljel asuvast punktist rootori ja laba vahel.Vaadates joonisel 4a punase punktiirkastiga tähistatud ala, on huvitav tuvastada tera kohal ja ümber tsirkulatsioonivoolu veel üks aspekt.Voolu visualiseerimine näitab vähest voolu retsirkulatsioonitsooni.See vool läheneb tera paremalt küljelt umbes 6 cm kõrgusel tera otsast, tõenäoliselt terale eelneva käe esimese tera mõju tõttu, mis on pildil näha.Voolu visualiseerimine kiirusel 4 pööret minutis näitab sama käitumist ja struktuuri, ilmselt suurematel kiirustel.
Kolme tera kiirusvälja ja voolu graafikud kahel pöörlemiskiirusel 3 p/min ja 4 p/min.Kolme tera maksimaalne keskmine kiirus kiirusel 3 p/min on vastavalt 0,15 m/s, 0,20 m/s ja 0,16 m/s ning maksimaalne keskmine kiirus kiirusel 4 p/min on 0,15 m/s, 0,22 m/s ja 0,22 m/s s vastavalt.kolmel lehel.
Veel üks spiraalse voolu vorm leiti labade 1 ja 2 vahel. Vektorväli näitab selgelt, et veevool liigub laba 2 põhjast ülespoole, nagu näitab vektori suund.Nagu on näidatud punktiirjoonega joonisel 4b, ei liigu need vektorid tera pinnast vertikaalselt ülespoole, vaid pöörduvad paremale ja laskuvad järk-järgult.Laba 1 pinnal eristuvad allapoole suunatud vektorid, mis lähenevad mõlemale labale ja ümbritsevad neid nende vahel tekkivast retsirkulatsioonivoolust.Sama voolustruktuur määrati mõlemal pöörlemiskiirusel suurema kiiruse amplituudiga 4 pööret minutis.
Laba 3 kiirusväli ei anna olulist panust eelmise laba kiirusvektorist, mis ühendab laba 3 all oleva voolu. Põhivool laba 3 all on tingitud vertikaalsest kiirusvektorist, mis tõuseb koos veega.
Tera 3 pinnal olevad kiirusvektorid võib jagada kolme rühma, nagu on näidatud joonisel fig 4c.Esimene komplekt on tera paremas servas.Voolustruktuur selles asendis on otse paremale ja ülespoole (st tera 2 suunas).Teine rühm on tera keskosa.Selle positsiooni kiirusvektor on suunatud otse üles, ilma kõrvalekaldeta ja ilma pöörlemiseta.Kiiruse väärtuse vähenemine määrati tera otsast kõrgema kõrguse suurenemisega.Kolmanda rühma puhul, mis asub labade vasakpoolsel perifeerial, suunatakse vool kohe vasakule, st flokulaatori seinale.Suurem osa kiirusvektoriga kujutatud voolust läheb üles ja osa voolust horisontaalselt alla.
Tera keskmise pikkuse tasapinnal kiirustel 3 p/min ja 4 p/min ajakeskmiste kiirusprofiilide koostamiseks kasutati kahte turbulentsimudelit, SST k – ω ja IDDES.Nagu on näidatud joonisel 5, saavutatakse püsiseisund nelja järjestikuse pöördega loodud kiiruskontuuride absoluutse sarnasuse saavutamisega.Lisaks on IDDES genereeritud ajakeskmise kiiruse kontuurid näidatud joonisel fig 6a, samas kui SST k – ω genereeritud ajakeskmise kiiruse profiilid on näidatud joonisel 6a.6b.
Kasutades IDDES-i ja SST k–ω genereeritud ajakeskmise kiiruse silmuseid, on IDDES-il suurem kiirusahelate osakaal.
Uurige hoolikalt IDDES-iga loodud kiirusprofiili kiirusel 3 pööret minutis, nagu on näidatud joonisel 7. Segisti pöörleb päripäeva ja voolu arutatakse vastavalt näidatud märkustele.
Joonisel fig.7 on näha, et tera 3 pinnal I kvadrandis on voolu eraldumine, kuna voolu ei piira ülemise ava olemasolu.II kvadrandis ei täheldata voolu eraldumist, kuna voolu piiravad täielikult flokulaatori seinad.III kvadrandis pöörleb vesi palju väiksema või väiksema kiirusega kui eelmistes kvadrandides.I ja II kvadrandis olev vesi liigub (st pööratakse või surutakse välja) segisti toimel allapoole.Ja III kvadrandis surutakse vesi välja segisti labade abil.On ilmne, et veemass selles kohas peab lähenevale flokulaatorihülsile vastu.Pöörlev vool selles kvadrandis on täielikult eraldatud.IV kvadrandi puhul on suurem osa laba 3 kohal olevast õhuvoolust suunatud flokulaatori seina poole ja kaotab järk-järgult oma suuruse, kui kõrgus tõuseb ülemise avani.
Lisaks sisaldab keskne asukoht keerulisi voolumustreid, mis domineerivad kvadrandis III ja IV, nagu näitavad sinised punktiir ellipsid.Sellel märgistatud alal pole mingit pistmist labaflokkulaatoris oleva pöörleva vooluga, kuna pöörlevat liikumist saab tuvastada.See on vastupidine I ja II kvadrandile, kus sisevool ja täispöörlemisvool on selgelt eraldatud.
Nagu on näidatud joonisel fig.6, võrreldes IDDES ja SST k-ω tulemusi, on peamine erinevus kiiruskontuuride vahel kiiruse suurus vahetult tera 3 all. SST k-ω mudel näitab selgelt, et laiendatud suure kiirusega voolu kannab laba 3 võrreldes IDDES-iga.
Teise erinevuse võib leida III kvadrandist.IDDES-ist, nagu varem mainitud, täheldati flokulaatori harude vahelist pöörlemisvoolu eraldumist.Seda asendit mõjutab aga tugevalt madala kiirusega vool nurkadest ja esimese tera sisemusest.SST k – ω-st sama asukoha puhul näitavad kontuurjooned suhteliselt suuremaid kiirusi võrreldes IDDES-iga, kuna teistest piirkondadest ei ole voolavat voolu.
Voolu käitumise ja struktuuri õigeks mõistmiseks on vaja kiirusvektorite väljade ja voolujoonte kvalitatiivset mõistmist.Arvestades, et iga tera on 5 cm lai, valiti representatiivse kiirusprofiili saamiseks laiuse ulatuses seitse kiiruspunkti.Lisaks on vaja kvantitatiivset arusaamist kiiruse suurusest tera pinnast kõrgema kõrguse funktsioonina, joonistades kiiruse profiili otse igale tera pinnale ja 2,5 cm pikkusel pideval kaugusel vertikaalselt kuni 10 cm kõrguseni.Lisateabe saamiseks vaadake jooniselt S1, S2 ja S3.Lisa A. Joonisel 8 on näidatud iga tera pinnakiiruse jaotuse sarnasus (Y = 0,0), mis saadi PIV katsete ja ANSYS-Fluent analüüsi abil, kasutades IDDES ja SST k-ω.Mõlemad numbrilised mudelid võimaldavad täpselt simuleerida voolustruktuuri flokulaatori labade pinnal.
Kiiruse jaotused PIV, IDDES ja SST k–ω tera pinnal.X-telg tähistab iga lehe laiust millimeetrites, alguspunkt (0 mm) tähistab lehe vasakut serva ja ots (50 mm) lehe paremat serva.
On selgelt näha, et labade 2 ja 3 kiiruse jaotus on näidatud joonistel 8 ja 8.S2 ja S3 lisas A näitavad sarnaseid suundumusi kõrgusega, samas kui tera 1 muutub sõltumatult.Terade 2 ja 3 kiirusprofiilid muutuvad täiesti sirgeks ja 10 cm kõrgusel tera otsast on sama amplituudiga.See tähendab, et vool muutub sellel hetkel ühtlaseks.See on selgelt näha PIV tulemustest, mida IDDES hästi reprodutseerib.Samal ajal näitavad SST k – ω tulemused mõningaid erinevusi, eriti kiirusel 4 pööret minutis.
Oluline on märkida, et tera 1 säilitab kõigis asendites sama kiirusprofiili kuju ja ei ole kõrguselt normaliseeritud, kuna segisti keskele moodustunud keeris sisaldab kõigi harude esimest laba.Samuti näitasid PIV tera kiirusprofiilid 2 ja 3 võrreldes IDDES-iga enamikus kohtades veidi kõrgemaid kiiruse väärtusi, kuni need olid 10 cm kõrgusel tera pinnast peaaegu võrdsed.
Postitusaeg: 27. detsember 2022