Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Відображає карусель із трьох слайдів одночасно.Використовуйте кнопки «Попередній» і «Наступний», щоб переходити по трьох слайдах одночасно, або використовуйте кнопки повзунка в кінці, щоб переходити по трьох слайдах одночасно.
У цьому дослідженні гідродинаміка флокуляції оцінюється шляхом експериментального та чисельного дослідження поля швидкості турбулентного потоку в лопастному флокуляторі лабораторного масштабу.Турбулентний потік, який сприяє агрегації частинок або розпаду пластівців, є складним і розглядається та порівнюється в цій статті за допомогою двох моделей турбулентності, а саме SST k-ω та IDDES.Результати показують, що IDDES забезпечує дуже невелике покращення порівняно з SST k-ω, якого достатньо для точного моделювання потоку в лопатевому флокуляторі.Оцінка відповідності використовується для дослідження конвергенції результатів PIV і CFD, а також для порівняння результатів використаної моделі турбулентності CFD.Дослідження також зосереджено на кількісному визначенні коефіцієнта ковзання k, який становить 0,18 на низьких швидкостях 3 і 4 об/хв порівняно зі звичайним типовим значенням 0,25.Зменшення k з 0,25 до 0,18 збільшує потужність, що передається рідині, приблизно на 27-30% і збільшує градієнт швидкості (G) приблизно на 14%.Це означає, що досягається більш інтенсивне змішування, ніж очікувалося, тому споживається менше енергії, а тому споживання енергії в установці флокуляції очисної станції питної води може бути нижчим.
Під час очищення води додавання коагулянтів дестабілізує дрібні колоїдні частинки та домішки, які потім об’єднуються, утворюючи флокуляцію на стадії флокуляції.Пластівці — це слабозв’язані фрактальні агрегати маси, які потім видаляються шляхом осідання.Властивості частинок і умови змішування рідини визначають ефективність процесу флокуляції та обробки.Флокуляція вимагає повільного перемішування протягом відносно короткого періоду часу та багато енергії для перемішування великих об’ємів води1.
Під час флокуляції гідродинаміка всієї системи та хімія взаємодії коагулянту з частинками визначають швидкість, з якою досягається стаціонарний розподіл частинок за розміром2.Коли частинки стикаються, вони злипаються одна з одною3.Oyegbile, Ay4 повідомили, що зіткнення залежать від механізмів транспортування флокуляції броунівської дифузії, зсуву рідини та диференціального осідання.Коли пластівці стикаються, вони ростуть і досягають певного розміру, що може призвести до поломки, оскільки пластівці не можуть протистояти силі гідродинамічних сил5.Деякі з цих зламаних пластівців рекомбінуються в менші або однакового розміру6.Однак міцні пластівці можуть протистояти цій силі та зберігати свій розмір і навіть рости7.Юкселен і Грегорі8 повідомили про дослідження, пов’язані з руйнуванням пластівців та їх здатністю до регенерації, показуючи, що незворотність обмежена.Bridgeman, Jefferson9 використовували CFD для оцінки локального впливу середньої течії та турбулентності на утворення пластівців та їх фрагментацію через місцеві градієнти швидкості.У резервуарах, оснащених лопатями ротора, необхідно змінювати швидкість, з якою агрегати стикаються з іншими частинками, коли вони достатньо дестабілізовані у фазі коагуляції.Використовуючи CFD і нижчу швидкість обертання близько 15 об/хв, Vadasarukkai і Gagnon11 змогли досягти значень G для флокуляції з конічними лопатями, тим самим мінімізуючи споживання енергії для перемішування.Однак робота при більш високих значеннях G може призвести до флокуляції.Вони досліджували вплив швидкості змішування на визначення середнього градієнта швидкості пілотного лопатевого флокулятора.Вони обертаються зі швидкістю понад 5 об/хв.
Korpijärvi, Ahlstedt12 використовували чотири різні моделі турбулентності для дослідження поля потоку на випробувальному стенді резервуара.Вони виміряли поле потоку за допомогою лазерного допплерівського анемометра та PIV і порівняли обчислені результати з результатами вимірювань.де Олівейра та Донадель13 запропонували альтернативний метод для оцінки градієнтів швидкості на основі гідродинамічних властивостей за допомогою CFD.Запропонований спосіб був випробуваний на шести флокуляційних установках на основі спіральної геометрії.оцінив вплив часу утримування на флокулянти та запропонував модель флокуляції, яку можна використовувати як інструмент для підтримки раціонального дизайну комірки з низьким часом утримання14.Zhan, You15 запропонував комбіновану CFD і модель балансу популяції для моделювання характеристик потоку та поведінки пластівців у повномасштабній флокуляції.Llano-Serna, Coral-Portillo16 досліджували характеристики потоку гідрофлокулятора типу Кокса на водоочисній станції у Вітербо, Колумбія.Хоча CFD має свої переваги, існують також обмеження, такі як числові помилки в розрахунках.Таким чином, будь-які отримані чисельні результати слід ретельно вивчати та аналізувати, щоб зробити критичні висновки17.У літературі мало досліджень щодо проектування флокуляторів з горизонтальною перегородкою, а рекомендації щодо проектування гідродинамічних флокуляторів обмежені18.Chen, Liao19 використав експериментальну установку, засновану на розсіюванні поляризованого світла, щоб виміряти стан поляризації розсіяного світла від окремих частинок.Feng, Zhang20 використовували Ansys-Fluent для моделювання розподілу вихрових струмів і завихрення в полі потоку флокулятора з коагульованою пластиною та флокулятора з міжгофрованими пластинами.Після моделювання турбулентного потоку рідини у флокуляторі за допомогою Ansys-Fluent Gavi21 використав результати для розробки флокулятора.Ванелі та Тейшейра22 повідомили, що зв’язок між динамікою рідини флокуляторів зі спіральною трубкою та процесом флокуляції все ще недостатньо вивчений для підтримки раціонального дизайну.де Олівейра та Коста Тейшейра23 досліджували ефективність і демонстрували гідродинамічні властивості флокулятора зі спіральною трубкою за допомогою фізичних експериментів і CFD моделювання.Багато дослідників вивчали трубчасті реактори або флокулятори зі змійовою трубою.Однак детальна гідродинамічна інформація про реакцію цих реакторів на різні конструкції та умови експлуатації все ще відсутня (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Олівейра та Тейшейра26 представляють оригінальні результати теоретичного, експериментального та CFD моделювання спірального флокулятора.Олівейра та Тейшейра27 запропонували використовувати спіральну котушку як коагуляційно-флокуляційний реактор у поєднанні зі звичайною системою декантатора.Вони повідомляють, що результати, отримані щодо ефективності видалення каламутності, суттєво відрізняються від результатів, отриманих за допомогою загальновживаних моделей для оцінки флокуляції, що свідчить про обережність при використанні таких моделей.Моруцці та де Олівейра [28] змоделювали поведінку системи камер безперервної флокуляції за різних робочих умов, включаючи варіації у кількості використовуваних камер і використання фіксованих або масштабованих градієнтів швидкості клітини.Romphophak, Le Men29 PIV вимірювання миттєвих швидкостей у квазі-двовимірних струминних очисниках.Вони виявили сильну циркуляцію, спричинену струменем, у зоні флокуляції та оцінили локальні та миттєві швидкості зсуву.
Шах, Джоші30 повідомляють, що CFD пропонує цікаву альтернативу для вдосконалення дизайну та отримання характеристик віртуального потоку.Це допомагає уникнути масштабних експериментальних установок.CFD все частіше використовується для аналізу води та очисних споруд (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Декілька дослідників проводили експерименти з обладнанням для тестування банок (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) і перфорованими дисковими флокуляторами31.Інші використовували CFD для оцінки гідрофлокуляторів (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 повідомив, що механічні флокулятори вимагають регулярного обслуговування, оскільки вони часто ламаються та потребують багато електроенергії.
Продуктивність лопатевого флокулятора сильно залежить від гідродинаміки пласта.У літературі чітко зазначено відсутність кількісного розуміння полів швидкості потоку в таких флокуляторах (Howe, Hand38; Hendricks39).Вся водна маса піддається руху робочого колеса флокулятора, тому очікується ковзання.Як правило, швидкість рідини менша за швидкість лопаті на коефіцієнт ковзання k, який визначається як відношення швидкості маси води до швидкості гребного колеса.Bhole40 повідомив, що є три невідомі фактори, які слід враховувати при проектуванні флокулятора, а саме: градієнт швидкості, коефіцієнт лобового опору та відносна швидкість води відносно лопаті.
Camp41 повідомляє, що при розгляді високошвидкісних машин швидкість становить близько 24% від швидкості ротора і до 32% для низькошвидкісних машин.За відсутності перегородок Droste і Ger42 використовували значення ak 0,25, тоді як у випадку перегородок k коливався від 0 до 0,15.Howe, Hand38 припускають, що k знаходиться в діапазоні від 0,2 до 0,3.Hendrix39 пов'язав коефіцієнт ковзання зі швидкістю обертання за допомогою емпіричної формули та дійшов висновку, що коефіцієнт ковзання також був у діапазоні, встановленому Camp41.Bratby43 повідомив, що k становить приблизно 0,2 для швидкостей робочого колеса від 1,8 до 5,4 об/хв і зростає до 0,35 для швидкостей робочого колеса від 0,9 до 3 об/хв.Інші дослідники повідомляють про широкий діапазон значень коефіцієнта лобового опору (Cd) від 1,0 до 1,8 і значень коефіцієнта ковзання k від 0,25 до 0,40 (Feir і Geyer44; Hyde і Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; і Bratby і Marais48). ).Література не демонструє значного прогресу у визначенні та кількісній оцінці k з часу роботи Camp41.
Процес флокуляції заснований на турбулентності для полегшення зіткнень, де градієнт швидкості (G) використовується для вимірювання турбулентності/флокуляції.Змішування - це процес швидкого та рівномірного розподілу хімічних речовин у воді.Ступінь змішування вимірюється градієнтом швидкості:
де G = градієнт швидкості (с-1), P = споживана потужність (Вт), V = об'єм води (м3), μ = динамічна в'язкість (Па с).
Чим вище значення G, тим більше змішаних.Для забезпечення рівномірної коагуляції необхідне ретельне перемішування.У літературі зазначено, що найважливішими параметрами конструкції є час змішування (t) і градієнт швидкості (G).Процес флокуляції заснований на турбулентності для полегшення зіткнень, де градієнт швидкості (G) використовується для вимірювання турбулентності/флокуляції.Типові розрахункові значення для G становлять від 20 до 70 с–1, t становить від 15 до 30 хвилин, а Gt (безрозмірний) становить від 104 до 105. Ємності для швидкого змішування найкраще працюють із значеннями G від 700 до 1000, з часом перебування приблизно 2 хвилини.
де P — потужність, що передається рідині кожною лопаттю флокулятора, N — швидкість обертання, b — довжина лопаті, ρ — щільність води, r — радіус, k — коефіцієнт ковзання.Це рівняння застосовується до кожної лопаті окремо, а результати підсумовуються, щоб отримати загальну споживану потужність флокулятора.Ретельне вивчення цього рівняння показує важливість коефіцієнта ковзання k у процесі проектування лопатевого флокулятора.У літературі не вказано точне значення k, натомість рекомендований діапазон, як зазначено раніше.Однак залежність між потужністю P і коефіцієнтом ковзання k кубічна.Таким чином, за умови, що всі параметри однакові, наприклад, зміна k від 0,25 до 0,3 призведе до зменшення потужності, що передається рідини на одну лопатку, приблизно на 20%, а зменшення k від 0,25 до 0,18 збільшить її.приблизно на 27-30% на лопатку Потужність, що передається рідині.Зрештою, вплив k на стійку конструкцію лопатевого флокулятора необхідно дослідити за допомогою технічної кількісної оцінки.
Точна емпірична кількісна оцінка ковзання вимагає візуалізації та моделювання потоку.Тому важливо описати тангенціальну швидкість лопаті у воді при певній швидкості обертання на різних радіальних відстанях від валу та на різних глибинах від поверхні води, щоб оцінити вплив різних положень лопаті.
У цьому дослідженні гідродинаміка флокуляції оцінюється шляхом експериментального та чисельного дослідження поля швидкості турбулентного потоку в лопастному флокуляторі лабораторного масштабу.Вимірювання PIV записуються на флокуляторі, створюючи усереднені за часом контури швидкості, що показують швидкість частинок води навколо листя.Крім того, ANSYS-Fluent CFD використовувався для моделювання закрученого потоку всередині флокулятора та створення усереднених за часом контурів швидкості.Отриману модель CFD було підтверджено шляхом оцінки відповідності між результатами PIV і CFD.Ця робота зосереджена на кількісному визначенні коефіцієнта ковзання k, який є безрозмірним конструктивним параметром лопатевого флокулятора.Робота, представлена тут, забезпечує нову основу для кількісного визначення коефіцієнта ковзання k при низьких швидкостях 3 об/хв та 4 об/хв.Наслідки результатів безпосередньо сприяють кращому розумінню гідродинаміки резервуара флокуляції.
Лабораторний флокулятор складається з прямокутної коробки з відкритим верхом загальною висотою 147 см, висотою 39 см, загальною шириною 118 см і загальною довжиною 138 см (рис. 1).Основні критерії проектування, розроблені Camp49, були використані для розробки лабораторного лопастного флокулятора та застосування принципів аналізу розмірів.Експериментальна установка була побудована в Лабораторії екологічної інженерії Ліванського американського університету (Біблос, Ліван).
Горизонтальна вісь розташована на висоті 60 см від дна і вміщує два гребні колеса.Кожне гребне колесо складається з 4 лопатей, по 3 лопаті на кожній, тобто 12 лопатей.Флокуляція вимагає обережного перемішування на низькій швидкості від 2 до 6 об/хв.Найпоширеніші швидкості змішування у флокуляторах - 3 об/хв і 4 об/хв.Потік лабораторного флокулятора призначений для представлення потоку у відділенні флокуляційного резервуару станції очищення питної води.Потужність обчислюється за допомогою традиційного рівняння 42 .Для обох швидкостей обертання градієнт швидкості \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) перевищує 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , число Рейнольдса вказує на турбулентний потік (табл. 1).
PIV використовується для досягнення точних і кількісних вимірювань векторів швидкості рідини одночасно в дуже великій кількості точок50.Експериментальна установка включала лабораторний лопатковий флокулятор, систему LaVision PIV (2017) і тригер зовнішнього лазерного датчика Arduino.Для створення усереднених за часом профілів швидкості PIV-зображення були записані послідовно в одному місці.Система PIV відкалібрована таким чином, що цільова область знаходиться в середині довжини кожного з трьох лопатей певного гребка.Зовнішній тригер складається з лазера, розташованого з одного боку ширини флокулятора, і приймача датчика з іншого боку.Щоразу, коли рука флокулятора блокує шлях лазера, сигнал надсилається до системи PIV для захоплення зображення за допомогою лазера PIV і камери, синхронізованої з програмованим блоком синхронізації.На рис.2 показано встановлення системи PIV і процес отримання зображення.
Запис PIV починали після роботи флокулятора протягом 5–10 хв для нормалізації потоку та врахування того самого поля показника заломлення.Калібрування здійснюється за допомогою калібрувальної пластини, зануреної у флокулятор і розміщеної в середині довжини цікавого леза.Відрегулюйте положення PIV-лазера, щоб сформувати плоский світловий лист безпосередньо над калібрувальною пластиною.Запишіть виміряні значення для кожної швидкості обертання кожної лопаті, і швидкість обертання, вибрана для експерименту, становить 3 об/хв та 4 об/хв.
Для всіх записів PIV інтервал часу між двома лазерними імпульсами був встановлений у діапазоні від 6900 до 7700 мкс, що дозволяло мінімальне зміщення частинок у 5 пікселів.Було проведено пілотні випробування кількості зображень, необхідних для отримання точних усереднених за часом вимірювань.Векторну статистику порівнювали для зразків, які містили 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 і 280 зображень.Було встановлено, що розмір вибірки з 240 зображень дає стабільні усереднені результати, враховуючи, що кожне зображення складається з двох кадрів.
Оскільки потік у флокуляторі є турбулентним, для розпізнавання невеликих турбулентних структур потрібні невелике вікно опитування та велика кількість частинок.Для забезпечення точності застосовано кілька ітерацій зменшення розміру разом із алгоритмом крос-кореляції.Розмір початкового вікна опитування 48×48 пікселів із 50% перекриттям і одним процесом адаптації супроводжувався кінцевим розміром вікна опитування 32×32 пікселів із 100% перекриттям і двома процесами адаптації.Крім того, скляні порожнисті сфери використовувалися як затравкові частинки в потоці, що дозволяло принаймні 10 частинок на вікно опитування.Запис PIV ініціюється джерелом запуску в програмованому блоці синхронізації (PTU), який відповідає за роботу та синхронізацію лазерного джерела та камери.
Комерційний пакет CFD ANSYS Fluent v 19.1 використовувався для розробки 3D-моделі та вирішення основних рівнянь течії.
За допомогою ANSYS-Fluent була створена 3D-модель лопатевого флокулятора лабораторного масштабу.Модель виконана у вигляді прямокутної коробки, що складається з двох гребних коліс, встановлених на горизонтальній осі, як і лабораторна модель.Модель без надводного борту має висоту 108 см, ширину 118 см і довжину 138 см.Навколо змішувача додано горизонтальну циліндричну площину.Генерація циліндричної площини повинна реалізовувати обертання всього змішувача під час фази встановлення та імітувати обертове поле потоку всередині флокулятора, як показано на рис. 3a.
3D ANSYS-fluent і діаграма геометрії моделі, ANSYS-fluent корпусна сітка флокулятора на площині інтересу, діаграма ANSYS-fluent на площині інтересу.
Геометрія моделі складається з двох областей, кожна з яких є рідиною.Це досягається за допомогою функції логічного віднімання.Спочатку відніміть циліндр (включаючи змішувач) із коробки, щоб представити рідину.Потім відніміть міксер від циліндра, в результаті чого ви отримаєте два об’єкти: міксер і рідину.Нарешті, ковзний інтерфейс був застосований між двома областями: інтерфейс циліндр-циліндр і інтерфейс циліндр-змішувач (рис. 3a).
З’єднання побудованих моделей було завершено, щоб відповідати вимогам моделей турбулентності, які будуть використовуватися для чисельного моделювання.Використовувалась неструктурована сітка з розширеними шарами біля твердої поверхні.Створіть шари розширення для всіх стін зі швидкістю зростання 1,2, щоб забезпечити фіксацію складних моделей течії, з товщиною першого шару \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) м, щоб гарантувати, що \ ( {\текст {y))^{+}\le 1.0\).Розмір корпусу регулюється методом тетраедра.Створено розмір передньої сторони з двох інтерфейсів із розміром елемента 2,5 × \({10}^{-3}\) м, а розмір передньої частини змішувача становить 9 × \({10}^{-3}\ ) м. застосовується.Початкова згенерована сітка складалася з 2144409 елементів (рис. 3б).
За вихідну базову модель обрано двопараметричну k–ε модель турбулентності.Для точної імітації закрученого потоку всередині флокулятора була обрана більш дорога в обчислювальному плані модель.Турбулентний закручений потік всередині флокулятора було чисельно досліджено за допомогою двох CFD моделей: SST k–ω51 і IDDES52.Результати обох моделей порівнювали з експериментальними результатами PIV для перевірки моделей.По-перше, модель турбулентності SST k-ω – це модель турбулентної в’язкості з двома рівняннями для застосування в динаміці рідини.Це гібридна модель, яка поєднує моделі k-ω і k-ε Вілкокса.Функція змішування активує модель Вілкокса біля стінки та модель k-ε у набігаючому потоці.Це гарантує використання правильної моделі в усьому полі потоку.Він точно прогнозує розділення потоку через несприятливі градієнти тиску.По-друге, був обраний метод Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), який широко використовується в моделі Individual Eddy Simulation (DES) з моделлю SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES — це гібридна модель RANS-LES (симуляція великих вихрів), яка забезпечує більш гнучку та зручну модель імітації масштабування роздільної здатності (SRS).Він базується на моделі LES для розв’язання великих вихорів і повертається до SST k-ω для імітації невеликих вихорів.Статистичний аналіз результатів моделювання SST k–ω та IDDES порівнювався з результатами PIV для підтвердження моделі.
За вихідну базову модель обрано двопараметричну k–ε модель турбулентності.Для точної імітації закрученого потоку всередині флокулятора була обрана більш дорога в обчислювальному плані модель.Турбулентний закручений потік всередині флокулятора було чисельно досліджено за допомогою двох CFD моделей: SST k–ω51 і IDDES52.Результати обох моделей порівнювали з експериментальними результатами PIV для перевірки моделей.По-перше, модель турбулентності SST k-ω – це модель турбулентної в’язкості з двома рівняннями для застосування в динаміці рідини.Це гібридна модель, яка поєднує моделі k-ω і k-ε Вілкокса.Функція змішування активує модель Вілкокса біля стінки та модель k-ε у набігаючому потоці.Це гарантує використання правильної моделі в усьому полі потоку.Він точно прогнозує розділення потоку через несприятливі градієнти тиску.По-друге, був обраний метод Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), який широко використовується в моделі Individual Eddy Simulation (DES) з моделлю SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES — це гібридна модель RANS-LES (симуляція великих вихрів), яка забезпечує більш гнучку та зручну модель імітації масштабування роздільної здатності (SRS).Він базується на моделі LES для розв’язання великих вихорів і повертається до SST k-ω для імітації невеликих вихорів.Статистичний аналіз результатів моделювання SST k–ω та IDDES порівнювався з результатами PIV для підтвердження моделі.
Використовуйте розв’язувач перехідних процесів на основі тиску та гравітацію в напрямку Y.Обертання досягається шляхом призначення сітчастого руху змішувача, де початок осі обертання знаходиться в центрі горизонтальної осі, а напрямок осі обертання — у напрямку Z.Інтерфейс сітки створюється для обох інтерфейсів геометрії моделі, що призводить до двох країв обмежувальної рамки.Як і в експериментальній методиці, швидкість обертання відповідає 3 і 4 обертам.
Граничні умови для стінок змішувача та флокулятора задавалися стінкою, а верхній отвір флокулятора – вихідним отвором з нульовим надлишковим тиском (рис. 3в).ПРОСТА схема зв'язку тиск-швидкість, дискретизація градієнтного простору функцій другого порядку з усіма параметрами на основі елементів найменших квадратів.Критерієм збіжності для всіх змінних потоку є масштабований залишок 1 x \({10}^{-3}\).Максимальна кількість ітерацій на крок у часі становить 20, а розмір кроку в часі відповідає повороту на 0,5°.Рішення сходиться на 8-й ітерації для моделі SST k–ω та на 12-й ітерації з використанням IDDES.Крім того, розраховували кількість часових кроків, щоб міксер робив не менше 12 обертів.Застосовуйте вибірку даних для статистики часу після 3 обертів, що дозволяє нормалізувати потік, подібно до експериментальної процедури.Порівняння виходу контурів швидкості для кожного оберту дає абсолютно однакові результати для останніх чотирьох обертів, що вказує на досягнення стабільного стану.Додаткові обороти не покращили контури середньої швидкості.
Крок часу визначається залежно від швидкості обертання, 3 об/хв або 4 об/хв.Крок за часом уточнюється до часу, необхідного для обертання змішувача на 0,5°.Цього виявляється достатньо, оскільки розв'язок легко сходиться, як описано в попередньому розділі.Таким чином, усі чисельні розрахунки для обох моделей турбулентності були виконані з використанням модифікованого кроку за часом 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) для 3 об/хв, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 об/хв.Для певного кроку часу уточнення число Куранта комірки завжди менше 1,0.
Щоб дослідити залежність моделі від сітки, результати спочатку були отримані з використанням оригінальної сітки 2,14 М, а потім уточненої сітки 2,88 М.Уточнення сітки досягається шляхом зменшення розміру комірки корпусу змішувача з 9 × \({10}^{-3}\) м до 7 × \({10}^{-3}\) м.Для оригінальної та уточненої сіток двох моделей турбулентності порівнювали середні значення модулів швидкості в різних місцях навколо лопаті.Відсоткова різниця між результатами становить 1,73% для моделі SST k–ω та 3,51% для моделі IDDES.IDDES демонструє більшу відсоткову різницю, оскільки це гібридна модель RANS-LES.Ці відмінності вважалися несуттєвими, тому моделювання проводилося з використанням оригінальної сітки з 2,14 мільйона елементів і кроком обертання за часом 0,5°.
Відтворюваність експериментальних результатів перевіряли шляхом виконання кожного з шести експериментів вдруге та порівняння результатів.Порівняйте значення швидкості в центрі леза в двох серіях дослідів.Середня відсоткова різниця між двома експериментальними групами становила 3,1%.Система PIV також була незалежно перекалібрована для кожного експерименту.Порівняйте аналітично розраховану швидкість у центрі кожної лопаті зі швидкістю PIV у тому самому місці.Це порівняння показує різницю з максимальною відсотковою похибкою 6,5% для леза 1.
Перш ніж кількісно визначити коефіцієнт ковзання, необхідно науково зрозуміти концепцію ковзання в лопатевому флокуляторі, що вимагає вивчення структури потоку навколо лопатей флокулятора.Концептуально коефіцієнт ковзання вбудований у конструкцію лопатевих флокуляторів для врахування швидкості лопатей відносно води.Література рекомендує, щоб ця швидкість становила 75% від швидкості леза, тому більшість конструкцій зазвичай використовують ak 0,25 для врахування цього коригування.Це вимагає використання ліній потоку швидкості, отриманих з експериментів PIV, щоб повністю зрозуміти поле швидкості потоку та вивчити це ковзання.Лезо 1 – це внутрішнє лезо, яке знаходиться найближче до валу, лезо 3 – це крайнє лезо, а лезо 2 – середнє лезо.
Лінії потоку швидкості на лопаті 1 показують прямий обертовий потік навколо лопаті.Ці схеми потоку виходять із точки на правій стороні лопаті, між ротором і лопаттю.Дивлячись на область, позначену червоною пунктирною рамкою на малюнку 4a, цікаво визначити інший аспект рециркуляційного потоку над і навколо лопаті.Візуалізація потоку показує невеликий потік у зону рециркуляції.Цей потік наближається з правого боку леза на висоті приблизно 6 см від кінця леза, можливо, через вплив першого леза руки, що передує лезу, що видно на зображенні.Візуалізація потоку при 4 об/хв демонструє таку саму поведінку та структуру, мабуть, із вищими швидкостями.
Графіки поля швидкостей і струму трьох лопатей при двох швидкостях обертання 3 об/хв і 4 об/хв.Максимальна середня швидкість трьох лопатей при 3 об/хв становить 0,15 м/с, 0,20 м/с і 0,16 м/с відповідно, а максимальна середня швидкість при 4 об/хв становить 0,15 м/с, 0,22 м/с і 0,22 м/с. s відповідно.на трьох аркушах.
Інша форма спірального потоку була виявлена між лопатками 1 і 2. Векторне поле чітко показує, що потік води рухається вгору від нижньої частини лопатки 2, як вказує напрямок вектора.Як показано пунктирною рамкою на рис. 4b, ці вектори не йдуть вертикально вгору від поверхні леза, а повертаються вправо і поступово опускаються.На поверхні лопаті 1 виділяються низхідні вектори, які наближаються до обох лопатей і оточують їх від утвореного між ними рециркуляційного потоку.Визначено однакову структуру потоку при обох швидкостях обертання з більшою амплітудою швидкості 4 об/хв.
Поле швидкості лопаті 3 не робить істотного внеску від вектора швидкості попередньої лопаті, що приєднується до потоку нижче лопаті 3. Основний потік під лопатею 3 виникає через вектор вертикальної швидкості, що піднімається разом з водою.
Вектори швидкості над поверхнею лопаті 3 можна розділити на три групи, як показано на фіг. 4c.Перший набір знаходиться на правому краю леза.Структура потоку в цьому положенні пряма вправо і вгору (тобто до лопаті 2).Друга група — середина клинка.Вектор швидкості для цієї позиції спрямований прямо вгору, без будь-яких відхилень і без повороту.Зменшення значення швидкості визначалося зі збільшенням висоти над торцем лопаті.Для третьої групи, розташованої на лівій периферії лопатей, потік відразу направляється вліво, тобто до стінки флокулятора.Більша частина потоку, представленого вектором швидкості, йде вгору, а частина потоку йде горизонтально вниз.
Дві моделі турбулентності, SST k–ω та IDDES, були використані для побудови усереднених за часом профілів швидкості для 3 об/хв та 4 об/хв у площині середньої довжини лопаті.Як показано на малюнку 5, стаціонарний стан досягається шляхом досягнення абсолютної подібності між контурами швидкості, створеними чотирма послідовними обертаннями.Крім того, усереднені за часом контури швидкості, згенеровані IDDES, показані на рис. 6a, тоді як усереднені за часом профілі швидкості, згенеровані SST k – ω, показані на рис. 6a.6б.
Використовуючи IDDES і усереднені за часом петлі швидкості, створені SST k–ω, IDDES має більшу частку петель швидкості.
Уважно вивчіть профіль швидкості, створений за допомогою IDDES при 3 об/хв, як показано на малюнку 7. Змішувач обертається за годинниковою стрілкою, і потік обговорюється відповідно до показаних приміток.
На рис.7 видно, що на поверхні лопаті 3 в І квадранті є відрив потоку, оскільки потік не стримується через наявність верхнього отвору.У квадранті II не спостерігається розділення потоку, оскільки потік повністю обмежений стінками флокулятора.У квадранті III вода обертається зі значно меншою або нижчою швидкістю, ніж у попередніх квадрантах.Вода в квадрантах I і II переміщується (тобто обертається або виштовхується) вниз під дією змішувача.А в квадранті III вода виштовхується лопатями мішалки.Очевидно, що водна маса в цьому місці чинить опір рукаву флокулятора, що наближається.Обертовий потік у цьому квадранті повністю розділений.Для квадранта IV більша частина повітряного потоку над лопаткою 3 спрямована до стінки флокулятора і поступово втрачає свій розмір у міру збільшення висоти до верхнього отвору.
Крім того, центральне розташування включає складні схеми потоку, які домінують у квадрантах III і IV, як показано синіми пунктирними еліпсами.Ця позначена зона не має нічого спільного з закрученим потоком у лопатевому флокуляторі, оскільки закручений рух можна ідентифікувати.Це на відміну від квадрантів I і II, де існує чітке розмежування між внутрішнім потоком і повним обертовим потоком.
Як показано на рис.6, порівнюючи результати IDDES і SST k-ω, основною відмінністю між контурами швидкості є величина швидкості безпосередньо під лопаткою 3. Модель SST k-ω чітко показує, що розширений високошвидкісний потік переноситься лопаттю 3 порівняно з IDDES.
Іншу відмінність можна знайти в квадранті III.З IDDES, як згадувалося раніше, було відмічено ротаційне розділення потоку між рукавами флокулятора.Однак на це положення сильно впливає низька швидкість потоку з кутів і внутрішньої частини першої лопаті.Від SST k–ω для того самого місця контурні лінії показують відносно вищі швидкості порівняно з IDDES, оскільки немає зливного потоку з інших регіонів.
Для правильного розуміння поведінки та структури потоку необхідне якісне розуміння векторних полів швидкості та ліній струму.Враховуючи, що кожна лопатка має ширину 5 см, було вибрано сім точок швидкості по ширині, щоб забезпечити репрезентативний профіль швидкості.Крім того, необхідне кількісне розуміння величини швидкості як функції висоти над поверхнею лопаті шляхом побудови профілю швидкості безпосередньо над кожною поверхнею лопаті та на безперервній відстані 2,5 см по вертикалі до висоти 10 см.Для отримання додаткової інформації див. S1, S2 і S3 на малюнку.Додаток A. На малюнку 8 показано подібність розподілу швидкості на поверхні кожної лопаті (Y = 0,0), отриманої за допомогою експериментів PIV та аналізу ANSYS-Fluent із використанням IDDES і SST k-ω.Обидві чисельні моделі дають змогу точно змоделювати структуру потоку на поверхні лопатей флокулятора.
Розподіл швидкостей PIV, IDDES та SST k–ω на поверхні лопаті.На осі X відкладено ширину кожного аркуша в міліметрах, де початок (0 мм) представляє ліву периферію аркуша, а кінець (50 мм) представляє праву периферію аркуша.
Добре видно, що розподіли швидкостей лопатей 2 і 3 показані на фіг.8 і фіг.8.S2 і S3 у Додатку A показують схожі тенденції з висотою, тоді як лезо 1 змінюється незалежно.Профілі швидкості лопатей 2 і 3 стають абсолютно прямими і мають однакову амплітуду на висоті 10 см від кінця лопаті.Це означає, що в цій точці потік стає рівномірним.Це чітко видно з результатів PIV, які добре відтворює IDDES.Тим часом результати SST k–ω показують деякі відмінності, особливо при 4 об/хв.
Важливо відзначити, що лопаті 1 зберігають однакову форму профілю швидкості в усіх положеннях і не нормалізуються по висоті, оскільки завихрення, утворене в центрі змішувача, містить перші лопаті з усіх плечей.Крім того, порівняно з IDDES, профілі швидкості леза PIV 2 і 3 показали дещо вищі значення швидкості в більшості місць, поки вони не були майже рівними на 10 см над поверхнею леза.
Час публікації: 27 грудня 2022 р