Ви благодариме што ја посетивте Nature.com.Користите верзија на прелистувач со ограничена поддршка за CSS.За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer).Покрај тоа, за да обезбедиме постојана поддршка, ја прикажуваме страницата без стилови и JavaScript.
Прикажува рингишпил од три слајдови одеднаш.Користете ги копчињата Previous и Next за да се движите низ три слајдови истовремено или користете ги копчињата за лизгање на крајот за да се движите низ три слајдови истовремено.
Во оваа студија, хидродинамиката на флокулацијата е оценета со експериментално и нумеричко истражување на полето на брзината на турбулентниот проток во флокулатор со лопатка во лабораториска скала.Турбулентниот тек кој промовира агрегација на честички или распаѓање на флок е сложен и е разгледан и спореден во овој труд користејќи два турбулентни модели, имено SST k-ω и IDDES.Резултатите покажуваат дека IDDES обезбедува многу мало подобрување во однос на SST k-ω, што е доволно за прецизно симулирање на проток во флокулатор со лопатка.Резултатот за вклопување се користи за да се испита конвергенцијата на резултатите од PIV и CFD и да се споредат резултатите од користениот модел на турбуленција на CFD.Студијата, исто така, се фокусира на квантифицирање на факторот на лизгање k, кој е 0,18 при мали брзини од 3 и 4 вртежи во минута во споредба со вообичаената типична вредност од 0,25.Намалувањето на k од 0,25 на 0,18 ја зголемува моќноста испорачана на течноста за околу 27-30% и го зголемува градиентот на брзината (G) за околу 14%.Тоа значи дека се постигнува поинтензивно мешање од очекуваното, па затоа се троши помалку енергија и затоа потрошувачката на енергија во единицата за флокулација на станицата за третман на вода за пиење може да биде помала.
При прочистување на водата, додавањето на коагуланси ги дестабилизира малите колоидни честички и нечистотии, кои потоа се комбинираат за да формираат флокулација во фазата на флокулација.Снегулките се лабаво врзани фрактални агрегати на маса, кои потоа се отстрануваат со таложење.Карактеристиките на честичките и условите за мешање на течноста ја одредуваат ефикасноста на процесот на флокулација и третман.Флокулацијата бара бавно мешање за релативно краток временски период и многу енергија за мешање на големи количини вода1.
За време на флокулацијата, хидродинамиката на целиот систем и хемијата на интеракцијата коагулант-честичка ја одредуваат брзината со која се постигнува стационарна дистрибуција на големината на честичките2.Кога честичките се судираат, тие се лепат една до друга3.Oyegbile, Ay4 објави дека судирите зависат од механизмите за транспорт на флокулација на Браунова дифузија, течно смолкнување и диференцијално таложење.Кога снегулките се судираат, тие растат и достигнуваат одредена граница на големина, што може да доведе до кршење, бидејќи снегулките не можат да ја издржат силата на хидродинамичките сили5.Некои од овие скршени снегулки се рекомбинираат во помали или со иста големина6.Сепак, силните снегулки можат да се спротивстават на оваа сила и да ја задржат својата големина, па дури и да растат7.Јукселен и Грегори8 известија за студии поврзани со уништувањето на снегулките и нивната способност да се регенерираат, покажувајќи дека неповратноста е ограничена.Бриџман, Џеферсон9 го користеше CFD за да го процени локалното влијание на средниот проток и турбуленцијата врз формирањето и фрагментацијата на флок преку локални градиенти на брзината.Во резервоарите опремени со сечила на роторот, неопходно е да се менува брзината со која агрегатите се судираат со други честички кога тие се доволно дестабилизирани во фазата на коагулација.Со користење на CFD и помали брзини на ротација од околу 15 вртежи во минута, Vadasarukkai и Gagnon11 можеа да постигнат G вредности за флокулација со конусни сечила, со што се минимизира потрошувачката на енергија за агитација.Меѓутоа, работата со повисоки вредности на G може да доведе до флокулација.Тие го истражуваа ефектот на брзината на мешање врз одредувањето на просечниот градиент на брзината на флокулаторот на пилот со лопатка.Тие ротираат со брзина поголема од 5 вртежи во минута.
Korpijärvi, Ahlstedt12 користел четири различни модели на турбуленција за да го проучи полето на проток на тест клупа на резервоарот.Тие го мереле полето на проток со ласерски доплер анемометар и PIV и ги споредиле пресметаните резултати со измерените резултати.де Оливеира и Донадел13 предложија алтернативен метод за проценка на градиентите на брзината од хидродинамичките својства користејќи CFD.Предложениот метод беше тестиран на шест флокулациони единици базирани на спирална геометрија.го процени ефектот на времето на задржување врз флокулантите и предложи модел на флокулација кој може да се користи како алатка за поддршка на рационален дизајн на ќелија со ниски времиња на задржување14.Жан, You15 предложи комбиниран модел на CFD и рамнотежа на популацијата за да се симулираат карактеристиките на протокот и однесувањето на флок во флокулација во целосен размер.Llano-Serna, Coral-Portillo16 ги истражуваше карактеристиките на протокот на хидрофлокулатор од типот Кокс во станица за третман на вода во Витербо, Колумбија.Иако CFD има свои предности, постојат и ограничувања како нумерички грешки во пресметките.Затоа, сите добиени нумерички резултати треба внимателно да се испитаат и анализираат со цел да се извлечат критични заклучоци17.Во литературата има малку студии за дизајнот на хоризонтални флокулатори со прегради, додека препораките за дизајн на хидродинамички флокулатори се ограничени18.Чен, Лиао19 користел експериментално поставување засновано на расејување на поларизирана светлина за да ја измери состојбата на поларизација на расеаната светлина од поединечни честички.Фенг, Zhang20 користел Ansys-Fluent за симулирање на дистрибуција на вртложни струи и вител во полето на проток на флокулатор со коагулирана плоча и меѓубрановиден флокулатор.По симулирање на турбулентен проток на течност во флокулатор користејќи Ansys-Fluent, Gavi21 ги искористи резултатите за дизајнирање на флокулаторот.Ванели и Тешеира22 објавија дека врската помеѓу динамиката на течност на флокулаторите на спиралните цевки и процесот на флокулација сè уште е слабо разбрана за да поддржува рационален дизајн.де Оливеира и Коста Тешеира23 ја проучувале ефикасноста и ги покажале хидродинамичките својства на флокулаторот на спиралната цевка преку физички експерименти и симулации на CFD.Многу истражувачи проучувале реактори со намотани цевки или флокулатори со намотани цевки.Сепак, сè уште недостасуваат детални хидродинамички информации за одговорот на овие реактори на различни дизајни и работни услови (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Оливеира и Тешеира26 презентираат оригинални резултати од теоретски, експериментални и CFD симулации на спирален флокулатор.Оливеира и Тешеира27 предложија да се користи спирален калем како реактор за коагулација-флокулација во комбинација со конвенционален декантер систем.Тие известуваат дека резултатите добиени за ефикасноста на отстранувањето на заматеноста се значително различни од оние добиени со најчесто користените модели за евалуација на флокулација, што укажува на претпазливост при користење на такви модели.Моруци и де Оливеира [28] го моделираа однесувањето на системот на комори за континуирана флокулација под различни работни услови, вклучувајќи варијации во бројот на користени комори и употреба на фиксни или намалени градиенти на брзината на клетките.Romphophak, Le Men29 PIV мерења на моментални брзини во квази-дво-димензионални млазни средства за чистење.Тие пронајдоа силна циркулација предизвикана од млаз во зоната на флокулација и ги проценија локалните и моменталните стапки на смолкнување.
Шах, Џоши30 известуваат дека CFD нуди интересна алтернатива за подобрување на дизајните и добивање карактеристики на виртуелен проток.Ова помага да се избегнат опсежни експериментални поставки.CFD се повеќе се користи за анализа на постројки за третман на вода и отпадни води (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Неколку истражувачи извршиле експерименти на опрема за тестирање конзерви (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) и флокулатори со перфорирани дискови31.Други користеле CFD за да ги проценат хидрофлокулаторите (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 објави дека механичките флокулатори бараат редовно одржување бидејќи тие често се распаѓаат и бараат многу електрична енергија.
Работата на флокулатор со лопатка е многу зависна од хидродинамиката на резервоарот.Недостатокот на квантитативно разбирање на полињата за брзина на проток кај таквите флокулатори е јасно забележан во литературата (Howe, Hand38; Hendricks39).Целата водена маса е подложна на движење на работното коло на флокулаторот, па се очекува лизгање.Вообичаено, брзината на течноста е помала од брзината на сечилото со факторот на лизгање k, што е дефинирано како однос на брзината на водното тело до брзината на тркалото со лопатка.Bhole40 објави дека постојат три непознати фактори кои треба да се земат предвид при дизајнирање на флокулатор, имено градиентот на брзината, коефициентот на влечење и релативната брзина на водата во однос на сечилото.
Camp41 известува дека кога се разгледуваат машините со голема брзина, брзината е околу 24% од брзината на роторот и дури 32% за машините со мала брзина.Во отсуство на септи, Дросте и Гер42 користеле ak вредност од 0,25, додека во случај на септи, k се движи од 0 до 0,15.Хау, Hand38 сугерираат дека k е во опсег од 0,2 до 0,3.Хендрикс39 го поврза факторот на лизгање со ротационата брзина користејќи емпириска формула и заклучи дека факторот на лизгање исто така е во опсегот утврден од Camp41.Bratby43 објави дека k е околу 0,2 за брзини на работното коло од 1,8 до 5,4 вртежи во минута и се зголемува на 0,35 за брзини на работното коло од 0,9 до 3 вртежи во минута.Други истражувачи известуваат за широк опсег на вредности на коефициентот на влечење (Cd) од 1,0 до 1,8 и вредности на коефициентот на лизгање k од 0,25 до 0,40 (Феир и Гејер44; Хајд и Лудвиг45; Харис, Кауфман46; ван Дурен47; и Братби 48 и ).Литературата не покажува значителен напредок во дефинирањето и квантифицирањето на k од работата на Camp41.
Процесот на флокулација се заснова на турбуленција за олеснување на судирите, каде што градиентот на брзината (G) се користи за мерење на турбуленција/флокулација.Мешањето е процес на брзо и рамномерно растурање на хемикалиите во водата.Степенот на мешање се мери со градиентот на брзината:
каде што G = градиент на брзина (сек-1), P = влезна моќност (W), V = волумен на вода (m3), μ = динамички вискозитет (Pa s).
Колку е поголема вредноста на G, толку повеќе се меша.Темелното мешање е од суштинско значење за да се обезбеди униформа коагулација.Литературата покажува дека најважните параметри на дизајнот се времето на мешање (t) и градиентот на брзината (G).Процесот на флокулација се заснова на турбуленција за олеснување на судирите, каде што градиентот на брзината (G) се користи за мерење на турбуленција/флокулација.Типичните дизајнерски вредности за G се 20 до 70 s–1, t е 15 до 30 минути, а Gt (бездимензионални) е 104 до 105. Резервоарите за брзо мешање најдобро функционираат со вредностите G од 700 до 1000, со времетраење околу 2 минути.
каде што P е моќта што и се дава на течноста од секое сечило на флокулатор, N е брзината на ротација, b е должината на сечилото, ρ е густината на водата, r е радиусот и k е коефициентот на лизгање.Оваа равенка се применува на секое сечило поединечно и резултатите се сумираат за да се даде вкупната влезна моќност на флокулаторот.Внимателно проучување на оваа равенка ја покажува важноста на факторот на лизгање k во процесот на дизајнирање на флокулатор со лопатка.Литературата не ја наведува точната вредност на k, туку препорачува опсег како што беше претходно наведено.Меѓутоа, односот помеѓу моќноста P и коефициентот на лизгање k е кубен.Така, под услов сите параметри да се исти, на пример, менувањето на k од 0,25 на 0,3 ќе доведе до намалување на моќноста што се пренесува на течноста по сечило за околу 20%, а намалувањето на k од 0,25 на 0,18 ќе ја зголеми.за околу 27-30% по лопатка Моќноста што се дава на течноста.На крајот, ефектот на k врз одржливиот дизајн на флокулатор на лопатка треба да се истражи преку техничка квантификација.
Точната емпириска квантификација на лизгањето бара визуелизација и симулација на протокот.Затоа, важно е да се опише тангенцијалната брзина на сечилото во вода со одредена ротациона брзина на различни радијални растојанија од вратилото и на различни длабочини од површината на водата со цел да се оцени ефектот на различни позиции на сечилото.
Во оваа студија, хидродинамиката на флокулацијата е оценета со експериментално и нумеричко истражување на полето на брзината на турбулентниот проток во флокулатор со лопатка во лабораториска скала.Мерењата на PIV се снимаат на флокулаторот, создавајќи контури на просечна брзина со време што ја прикажуваат брзината на честичките вода околу листовите.Дополнително, ANSYS-Fluent CFD беше искористен за симулирање на вртечкиот проток во внатрешноста на флокулаторот и создавање на контури на просечна брзина со време.Добиениот CFD модел беше потврден со евалуација на кореспонденцијата помеѓу резултатите од PIV и CFD.Фокусот на оваа работа е на квантифицирање на коефициентот на лизгање k, кој е бездимензионален дизајн параметар на флокулатор со лопатка.Работата презентирана овде дава нова основа за квантифицирање на коефициентот на лизгање k при мали брзини од 3 вртежи во минута и 4 вртежи во минута.Импликациите од резултатите директно придонесуваат за подобро разбирање на хидродинамиката на резервоарот за флокулација.
Лабораторискиот флокулатор се состои од правоаголна кутија со отворен врв со вкупна висина од 147 cm, висина од 39 cm, вкупна ширина од 118 cm и вкупна должина од 138 cm (сл. 1).Главните критериуми за дизајн развиени од Camp49 беа искористени за дизајнирање на флокулатор со лопатка во лабораторија и примена на принципите на димензионална анализа.Експерименталниот објект е изграден во Лабораторијата за инженерство на животната средина на Либанскиот американски универзитет (Библос, Либан).
Хоризонталната оска се наоѓа на височина од 60 cm од дното и сместува две тркала со лопатки.Секое лопатско тркало се состои од 4 лопатки со 3 лопатки на секое лопатка за вкупно 12 лопатки.Флокулацијата бара нежно мешање со мала брзина од 2 до 6 вртежи во минута.Најчестите брзини на мешање во флокулаторите се 3 вртежи во минута и 4 вртежи во минута.Протокот на флокулаторот во лабораториска скала е дизајниран да го претстави протокот во одделот за резервоар за флокулација на станицата за третман на вода за пиење.Моќноста се пресметува со помош на традиционалната равенка 42 .За двете брзини на ротација, градиентот на брзина \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) е поголем од 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , Рејнолдсовиот број означува турбулентен проток (Табела 1).
PIV се користи за да се постигнат точни и квантитативни мерења на вектори на брзина на течности истовремено на многу голем број точки50.Експерименталното поставување вклучуваше флокулатор со лопатки во лабораторија, систем LaVision PIV (2017) и надворешен ласерски сензор Arduino активирач.За да се создадат профили за просечно временска брзина, PIV сликите се снимаа последователно на истата локација.Системот PIV е калибриран така што целната област е на средината на должината на секоја од трите сечила на одредена рака на лопатка.Надворешниот активирач се состои од ласер кој се наоѓа на едната страна од ширината на флокулаторот и сензорски приемник од другата страна.Секој пат кога раката на флокулаторот ја блокира патеката на ласерот, се испраќа сигнал до PIV системот за снимање слика со PIV ласерот и камерата синхронизирани со програмабилна единица за тајминг.На сл.2 ја прикажува инсталацијата на системот PIV и процесот на стекнување слика.
Снимањето на PIV беше започнато откако флокулаторот беше ракуван 5-10 минути за да се нормализира протокот и да се земе предвид истото поле со индекс на рефракција.Калибрацијата се постигнува со користење на калибрациона плоча потопена во флокулаторот и поставена на средната точка на должината на сечилото од интерес.Прилагодете ја положбата на PIV ласерот за да формирате рамен светлосен лист директно над плочата за калибрација.Запишете ги измерените вредности за секоја брзина на ротација на секое сечило, а брзините на ротација избрани за експериментот се 3 вртежи во минута и 4 вртежи во минута.
За сите PIV снимки, временскиот интервал помеѓу два ласерски импулси беше поставен во опсег од 6900 до 7700 µs, што овозможи минимално поместување на честичките од 5 пиксели.Беа спроведени пилот-тестови за бројот на слики потребни за да се добијат точни временски просечни мерења.Векторската статистика беше споредена за примероци што содржат 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 и 280 слики.Беше откриено дека големината на примерокот од 240 слики дава стабилни временски просечни резултати со оглед на тоа што секоја слика се состои од две рамки.
Бидејќи протокот во флокулаторот е турбулентен, потребен е мал прозорец за испрашување и голем број честички за да се разрешат малите турбулентни структури.Неколку повторувања на намалување на големината се применуваат заедно со алгоритам за вкрстена корелација за да се обезбеди точност.Почетната големина на прозорецот за гласање од 48×48 пиксели со 50% преклопување и еден процес на адаптација беше проследен со конечна големина на избирачкиот прозорец од 32×32 пиксели со 100% преклопување и два процеси на адаптација.Дополнително, стаклените шупливи сфери се користеа како семе честички во протокот, што дозволуваше најмалку 10 честички по избирачки прозорец.Снимањето PIV се активира од извор на активирање во програмабилна единица за тајминг (PTU), која е одговорна за ракување и синхронизирање на ласерскиот извор и камерата.
Комерцијалниот CFD пакет ANSYS Fluent v 19.1 беше искористен за развој на 3D модел и решавање на основните равенки за проток.
Со помош на ANSYS-Fluent, создаден е 3Д модел на флокулатор со лопатка во лабораторија.Моделот е направен во форма на правоаголна кутија, која се состои од две тркала со лопатка монтирани на хоризонтална оска, како лабораторискиот модел.Моделот без табла е висок 108 cm, широк 118 cm и долг 138 cm.Околу миксерот е додадена хоризонтална цилиндрична рамнина.Генерирањето на цилиндрична рамнина треба да ја спроведе ротацијата на целиот миксер за време на фазата на инсталација и да го симулира ротирачкото поле на проток во внатрешноста на флокулаторот, како што е прикажано на сл. 3а.
3D ANSYS-флуент и геометриски дијаграм, ANSYS-флуентна мрежа на телото на флокулаторот на интересната рамнина, ANSYS-флуентна дијаграм на рамнината на интерес.
Геометријата на моделот се состои од два региони, од кои секој е флуид.Ова се постигнува со помош на функцијата за логичко одземање.Прво одземете го цилиндерот (вклучувајќи го миксер) од кутијата за да ја претставите течноста.Потоа одземете го миксер од цилиндерот, што резултира со два предмети: миксер и течност.Конечно, беше применет лизгачки интерфејс помеѓу двете области: интерфејс цилиндар-цилиндар и интерфејс цилиндар-миксер (сл. 3а).
Мрежењето на конструираните модели е завршено за да се задоволат барањата на моделите на турбуленции кои ќе се користат за извршување на нумеричките симулации.Користена е неструктурирана мрежа со проширени слоеви во близина на цврстата површина.Создадете проширувачки слоеви за сите ѕидови со стапка на раст од 1,2 за да се осигурате дека се запишуваат сложени обрасци на проток, со дебелина на првиот слој од \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m за да се осигура дека \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).Големината на телото се прилагодува со методот на тетраедарски фитинг.Создадена е големина на предната страна од два интерфејси со големина на елемент од 2,5 × \({10}^{-3}\) m и предна големина на миксер од 9 × \({10}^{-3}\ ) се применува m.Почетната генерирана мрежа се состоеше од 2144409 елементи (сл. 3б).
Како почетен основен модел е избран k–ε турбулентен модел со два параметри.За прецизно симулирање на вртечкиот проток во внатрешноста на флокулаторот, беше избран пресметковно поскап модел.Турбулентниот вртлив проток во внатрешноста на флокулаторот беше нумерички истражен со користење на два CFD модели: SST k–ω51 и IDDES52.Резултатите од двата модели беа споредени со експериментални резултати од PIV за да се потврдат моделите.Прво, моделот на турбуленција SST k-ω е модел на турбулентна вискозност со две равенки за апликации за динамика на течности.Ова е хибриден модел кој ги комбинира моделите Wilcox k-ω и k-ε.Функцијата за мешање го активира моделот Wilcox во близина на ѕидот и моделот k-ε во идниот проток.Ова осигурува дека правилниот модел се користи низ полето на проток.Точно го предвидува раздвојувањето на протокот поради неповолните градиенти на притисокот.Второ, избран е методот Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), широко користен во моделот Individual Eddy Simulation (DES) со моделот SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES е хибриден модел RANS-LES (симулација на големи вртлози) кој обезбедува пофлексибилен и попријатен за корисникот симулациски модел за скалирање на резолуција (SRS).Тој се заснова на моделот LES за разрешување на големи вртлози и се враќа на SST k-ω за симулирање на витли од мал обем.Статистичките анализи на резултатите од симулациите SST k–ω и IDDES беа споредени со резултатите од PIV за да се потврди моделот.
Како почетен основен модел е избран k–ε турбулентен модел со два параметри.За прецизно симулирање на вртечкиот проток во внатрешноста на флокулаторот, беше избран пресметковно поскап модел.Турбулентниот вртлив проток во внатрешноста на флокулаторот беше нумерички истражен со користење на два CFD модели: SST k–ω51 и IDDES52.Резултатите од двата модели беа споредени со експериментални резултати од PIV за да се потврдат моделите.Прво, моделот на турбуленција SST k-ω е модел на турбулентна вискозност со две равенки за апликации за динамика на течности.Ова е хибриден модел кој ги комбинира моделите Wilcox k-ω и k-ε.Функцијата за мешање го активира моделот Wilcox во близина на ѕидот и моделот k-ε во идниот проток.Ова осигурува дека правилниот модел се користи низ полето на проток.Точно го предвидува раздвојувањето на протокот поради неповолните градиенти на притисокот.Второ, избран е методот Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), широко користен во моделот Individual Eddy Simulation (DES) со моделот SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES е хибриден модел RANS-LES (симулација на големи вртлози) кој обезбедува пофлексибилен и попријатен за корисникот симулациски модел за скалирање на резолуција (SRS).Тој се заснова на моделот LES за разрешување на големи вртлози и се враќа на SST k-ω за симулирање на витли од мал обем.Статистичките анализи на резултатите од симулациите SST k–ω и IDDES беа споредени со резултатите од PIV за да се потврди моделот.
Користете минлив решавач базиран на притисок и користете ја гравитацијата во насока Y.Ротацијата се постигнува со доделување на мрежното движење на миксер, каде што потеклото на оската на вртење е во центарот на хоризонталната оска, а насоката на оската на ротација е во насока Z.Создаден е мрежен интерфејс за двата геометриски интерфејси на моделот, што резултира со два рабови на кутиите кои се граничат.Како и во експерименталната техника, брзината на ротација одговара на 3 и 4 вртежи.
Граничните услови за ѕидовите на миксерот и флокулаторот беа поставени од ѕидот, а горниот отвор на флокулаторот беше поставен од излезот со нулта манометарски притисок (сл. 3в).ЕДНОСТАВНА комуникациска шема притисок-брзина, дискретизација на градиентниот простор на функциите од втор ред со сите параметри базирани на елементи на најмали квадрати.Критериумот за конвергенција за сите променливи на протокот е намалениот остаток 1 x \({10}^{-3}\).Максималниот број на повторувања по временски чекор е 20, а големината на временскиот чекор одговара на ротација од 0,5°.Решението се конвергира на 8-та итерација за SST k–ω моделот и на 12-та итерација користејќи IDDES.Покрај тоа, бројот на временски чекори беше пресметан така што миксер направи најмалку 12 вртежи.Примени примерок на податоци за временска статистика по 3 ротации, што овозможува нормализирање на протокот, слично на експерименталната постапка.Споредувањето на излезот на брзинските јамки за секое вртење ги дава токму истите резултати за последните четири вртежи, што покажува дека е постигната стабилна состојба.Дополнителните вртежи не ги подобрија контурите на средната брзина.
Временскиот чекор е дефиниран во однос на брзината на ротација, 3 вртежи во минута или 4 вртежи во минута.Временскиот чекор е рафиниран до времето потребно за ротирање на миксер за 0,5°.Ова се покажува како доволно, бидејќи решението лесно се спојува, како што е опишано во претходниот дел.Така, сите нумерички пресметки за двата модели на турбуленција беа извршени со користење на изменет временски чекор од 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) за 3 вртежи во минута, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 вртежи во минута.За даден временски чекор на рафинирање, Courant-от број на ќелија е секогаш помал од 1,0.
За да се истражи зависноста од модел-мрежа, резултатите прво беа добиени со користење на оригиналната мрежа од 2,14 M, а потоа со рафинираната мрежа од 2,88 M.Усовршувањето на решетката се постигнува со намалување на големината на ќелијата на телото на миксер од 9 × \({10}^{-3}\) m на 7 × \({10}^{-3}\) m.За оригиналните и рафинираните мрежи на турбуленцијата на двата модели, беа споредени просечните вредности на модулите за брзина на различни места околу сечилото.Процентуалната разлика помеѓу резултатите е 1,73% за моделот SST k–ω и 3,51% за моделот IDDES.IDDES покажува поголема процентуална разлика бидејќи се работи за хибриден модел RANS-LES.Овие разлики се сметаа за незначителни, па симулацијата беше изведена со користење на оригиналната мрежа со 2,14 милиони елементи и временски чекор на ротација од 0,5°.
Репродуктивноста на експерименталните резултати беше испитувана со изведување на секој од шесте експерименти по втор пат и споредување на резултатите.Споредете ги вредностите на брзината во центарот на сечилото во две серии на експерименти.Просечната процентуална разлика помеѓу двете експериментални групи беше 3,1%.Системот PIV исто така беше независно рекалибриран за секој експеримент.Споредете ја аналитички пресметаната брзина во центарот на секое сечило со брзината на PIV на истата локација.Оваа споредба ја покажува разликата со максимална процентуална грешка од 6,5% за сечилото 1.
Пред да се измери факторот на лизгање, неопходно е научно да се разбере концептот на лизгање во флокулатор со лопатка, што бара проучување на структурата на протокот околу лопатките на флокулаторот.Концептуално, коефициентот на лизгање е вграден во дизајнот на флокулаторите со лопатка за да се земе предвид брзината на сечилата во однос на водата.Литературата препорачува оваа брзина да биде 75% од брзината на сечилото, така што повеќето дизајни обично користат ak од 0,25 за да се земе предвид ова прилагодување.Ова бара употреба на брзински линии добиени од PIV експерименти за целосно разбирање на полето на брзината на протокот и проучување на ова лизгање.Сечилото 1 е највнатрешното сечило најблиску до вратилото, сечилото 3 е најоддалеченото, а сечилото 2 е средното сечило.
Брзините линии на сечилото 1 покажуваат директен ротирачки тек околу сечилото.Овие модели на проток произлегуваат од точка на десната страна на сечилото, помеѓу роторот и сечилото.Гледајќи ја областа означена со црвеното поле со точки на Слика 4а, интересно е да се идентификува друг аспект на протокот на кружење над и околу сечилото.Визуелизацијата на протокот покажува мал проток во зоната на рециркулација.Овој тек се приближува од десната страна на сечилото на височина од околу 6 cm од крајот на сечилото, веројатно поради влијанието на првото сечило на раката кое му претходи на сечилото, што е видливо на сликата.Визуелизацијата на проток при 4 вртежи во минута го покажува истото однесување и структура, очигледно со поголеми брзини.
Графикони на полето на брзина и струјата на три сечила при две брзини на ротација од 3 вртежи во минута и 4 вртежи во минута.Максималната просечна брзина на трите сечила при 3 вртежи во минута е 0,15 m/s, 0,20 m/s и 0,16 m/s соодветно, а максималната просечна брзина при 4 вртежи во минута е 0,15 m/s, 0,22 m/s и 0,22 m/ s, соодветно.на три листови.
Друг облик на спирален тек е пронајден помеѓу лопатките 1 и 2. Векторското поле јасно покажува дека протокот на вода се движи нагоре од дното на крилата 2, како што е наведено од насоката на векторот.Како што е прикажано од полето со точки на слика 4б, овие вектори не одат вертикално нагоре од површината на сечилото, туку се свртуваат надесно и постепено се спуштаат.На површината на сечилото 1 се разликуваат надолни вектори, кои се приближуваат кон двете сечила и ги опкружуваат од рециркулациониот тек што се формира меѓу нив.Истата структура на проток беше одредена при двете брзини на ротација со поголема амплитуда на брзина од 4 вртежи во минута.
Полето на брзината на сечилото 3 не дава значаен придонес од векторот на брзината на претходното сечило што го спојува протокот под сечилото 3. Главниот тек под сечилото 3 се должи на вертикалниот вектор на брзина што се крева со водата.
Векторите на брзината над површината на сечилото 3 може да се поделат во три групи, како што е прикажано на Сл. 4в.Првиот сет е оној на десниот раб на сечилото.Структурата на проток во оваа положба е директно надесно и нагоре (т.е. кон сечилото 2).Втората група е средината на сечилото.Векторот на брзина за оваа позиција е насочен право нагоре, без никакво отстапување и без ротација.Намалувањето на вредноста на брзината беше одредено со зголемување на висината над крајот на сечилото.За третата група, сместена на левата периферија на лопатките, протокот веднаш се насочува кон лево, односно кон ѕидот на флокулаторот.Поголемиот дел од протокот претставен со векторот на брзина оди нагоре, а дел од протокот оди хоризонтално надолу.
Два турбулентни модели, SST k–ω и IDDES, беа користени за да се конструираат профили на просечна брзина со време за 3 вртежи во минута и 4 вртежи во минута во рамнината со средна должина на сечилото.Како што е прикажано на слика 5, стабилната состојба се постигнува со постигнување апсолутна сличност помеѓу контурите на брзината создадени со четири последователни ротации.Дополнително, контурите на просечните временски брзини генерирани од IDDES се прикажани на Сл. 6а, додека просечните временски профили на брзина генерирани од SST k – ω се прикажани на сл. 6а.6б.
Користејќи IDDES и временски јамки со просечна брзина генерирани од SST k–ω, IDDES има поголем дел од брзинските јамки.
Внимателно проверете го профилот на брзина креиран со IDDES при 3 вртежи во минута, како што е прикажано на слика 7. Миксерот се ротира во насока на стрелките на часовникот и протокот се дискутира според белешките прикажани.
На сл.7 може да се види дека на површината на сечилото 3 во I квадрант има раздвојување на протокот, бидејќи протокот не е ограничен поради присуството на горната дупка.Во квадрант II не се забележува раздвојување на протокот, бидејќи протокот е целосно ограничен од ѕидовите на флокулаторот.Во квадрант III, водата ротира со многу помала или помала брзина отколку во претходните квадранти.Водата во квадрантите I и II се поместува (т.е. се ротира или истиснува) надолу со дејство на миксер.И во квадрант III, водата се истиснува од сечилата на агитаторот.Очигледно е дека водната маса на ова место се спротивставува на приближниот флокулаторски ракав.Ротациониот тек во овој квадрант е целосно одделен.За квадрантот IV, поголемиот дел од протокот на воздух над лопатката 3 е насочен кон ѕидот на флокулаторот и постепено ја губи својата големина како што висината се зголемува до горниот отвор.
Покрај тоа, централната локација вклучува сложени обрасци на проток кои доминираат во квадрантите III и IV, како што е прикажано со сините точки на елипсите.Оваа означена област нема никаква врска со вртечкиот проток во флокулаторот со лопатка, бидејќи може да се идентификува движењето на вртење.Ова е за разлика од квадрантите I и II каде што постои јасна поделба помеѓу внатрешниот проток и целосниот ротационен проток.
Како што е прикажано на сл.6, споредувајќи ги резултатите од IDDES и SST k-ω, главната разлика помеѓу контурите на брзината е големината на брзината веднаш под сечилото 3. Моделот SST k-ω јасно покажува дека продолжениот проток со голема брзина го носи сечилото 3 во споредба со IDDES.
Друга разлика може да се најде во квадрант III.Од IDDES, како што беше споменато претходно, забележано е раздвојување на ротациониот тек помеѓу краците на флокулаторот.Сепак, на оваа позиција силно влијае нискиот брз проток од аглите и внатрешноста на првото сечило.Од SST k–ω за истата локација, контурните линии покажуваат релативно поголеми брзини во споредба со IDDES бидејќи нема сливно проток од другите региони.
За правилно разбирање на однесувањето и структурата на протокот потребно е квалитативно разбирање на векторските полиња и стримови на брзина.Со оглед на тоа што секое сечило е широко 5 cm, седум точки на брзина беа избрани низ ширината за да се обезбеди репрезентативен профил на брзина.Дополнително, потребно е квантитативно разбирање на големината на брзината како функција од висината над површината на сечилото со исцртување на профилот на брзина директно над секоја површина на сечилото и на континуирано растојание од 2,5 cm вертикално до висина од 10 cm.Видете S1, S2 и S3 на сликата за повеќе информации.Додаток А. Слика 8 ја покажува сличноста на дистрибуцијата на површинската брзина на секое сечило (Y = 0,0) добиена со користење на PIV експерименти и ANSYS-Fluent анализа користејќи IDDES и SST k-ω.Двата нумерички модели овозможуваат прецизно симулирање на структурата на проток на површината на сечилата на флокулаторот.
Дистрибуции на брзина PIV, IDDES и SST k–ω на површината на сечилото.Оската x ја претставува ширината на секој лист во милиметри, при што потеклото (0 mm) ја претставува левата периферија на листот, а крајот (50 mm) ја претставува десната периферија на листот.
Јасно се гледа дека дистрибуциите на брзината на сечилата 2 и 3 се прикажани на сл.8 и сл.8.S2 и S3 во Додаток А покажуваат слични трендови со висина, додека сечилото 1 се менува независно.Профилите на брзината на сечилата 2 и 3 стануваат совршено исправени и имаат иста амплитуда на висина од 10 cm од крајот на сечилото.Ова значи дека протокот станува униформен во овој момент.Ова јасно се гледа од резултатите од PIV, кои се добро репродуцирани од IDDES.Во меѓувреме, резултатите од SST k–ω покажуваат некои разлики, особено при 4 вртежи во минута.
Важно е да се забележи дека сечилото 1 го задржува истиот облик на профилот на брзината во сите позиции и не е нормализиран во висина, бидејќи вителот формиран во центарот на миксер го содржи првото сечило од сите краци.Исто така, во споредба со IDDES, профилите за брзина на сечилото PIV 2 и 3 покажаа малку повисоки вредности на брзината на повеќето локации додека не беа речиси еднакви на 10 cm над површината на сечилото.
Време на објавување: 27-12-2022 година