Дзякуй за наведванне Nature.com.Вы выкарыстоўваеце версію браўзера з абмежаванай падтрымкай CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Акрамя таго, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы паказваем сайт без стыляў і JavaScript.
Адлюстроўвае карусель з трох слайдаў адначасова.Выкарыстоўвайце кнопкі «Папярэдні» і «Наступны», каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова, або выкарыстоўвайце кнопкі паўзунка ў канцы, каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова.
У гэтым даследаванні гідрадынаміка флокуляции ацэньваецца шляхам эксперыментальнага і лікавага даследавання поля хуткасці турбулентнага патоку ў лабараторным лопастным флокуляторе.Турбулентны паток, які спрыяе агрэгацыі часціц або распаду шматкоў, з'яўляецца складаным і разглядаецца і параўноўваецца ў гэтым артыкуле з выкарыстаннем дзвюх мадэляў турбулентнасці, а менавіта SST k-ω і IDDES.Вынікі паказваюць, што IDDES забяспечвае вельмі невялікае паляпшэнне ў параўнанні з SST k-ω, чаго дастаткова для дакладнага мадэлявання патоку ў лопастным флакулятары.Адпаведны бал выкарыстоўваецца для даследавання канвергенцыі вынікаў PIV і CFD, а таксама для параўнання вынікаў выкарыстоўванай мадэлі турбулентнасці CFD.Даследаванне таксама сканцэнтравана на колькасным вызначэнні каэфіцыента слізгацення k, які складае 0,18 пры нізкіх хуткасцях 3 і 4 абаротаў у хвіліну ў параўнанні са звычайным тыповым значэннем 0,25.Памяншэнне k з 0,25 да 0,18 павялічвае магутнасць, якая перадаецца вадкасці, прыкладна на 27-30% і павялічвае градыент хуткасці (G) прыкладна на 14%.Гэта азначае, што дасягаецца больш інтэнсіўнае змешванне, чым чакалася, таму спажываецца менш энергіі, і, такім чынам, спажыванне энергіі ў блоку флокуляции станцыі ачысткі пітной вады можа быць меншым.
Пры ачыстцы вады даданне каагулянтаў дэстабілізуе дробныя калоідныя часціцы і прымешкі, якія затым аб'ядноўваюцца, утвараючы флокуляцию на стадыі флокуляции.Шматкі - гэта слаба звязаныя фрактальныя агрэгаты масы, якія потым выдаляюцца шляхам адстойвання.Уласцівасці часціц і ўмовы змешвання вадкасці вызначаюць эфектыўнасць працэсу флокуляции і ачысткі.Флокуляцыя патрабуе павольнага мяшання на працягу адносна кароткага перыяду часу і вялікай колькасці энергіі для мяшання вялікіх аб'ёмаў вады1.
Падчас флокуляцыі гідрадынаміка ўсёй сістэмы і хімія ўзаемадзеяння каагулянта і часціц вызначаюць хуткасць, з якой дасягаецца стацыянарнае размеркаванне часціц па памерах2.Калі часціцы сутыкаюцца, яны прыліпаюць адна да адной3.Oyegbile, Ay4 паведаміў, што сутыкненні залежаць ад механізмаў транспарту флокуляцыі броўнаўскай дыфузіі, зруху вадкасці і дыферэнцыяльнага асядання.Калі шматкі сутыкаюцца, яны растуць і дасягаюць пэўнага ліміту памеру, што можа прывесці да паломкі, паколькі шматкі не могуць супрацьстаяць сіле гідрадынамічных сіл5.Некаторыя з гэтых зламаных шматкоў рэкамбінуюцца ў больш дробныя або аднолькавага памеру6.Аднак моцныя шматкі могуць супрацьстаяць гэтай сіле і захоўваць свой памер і нават расці7.Юкселен і Грэгары8 паведамілі аб даследаваннях, звязаных з разбурэннем шматкоў і іх здольнасцю аднаўляцца, паказваючы, што незваротнасць абмежаваная.Брыджман, Джэферсан9 выкарыстоўвалі CFD для ацэнкі мясцовага ўплыву сярэдняга патоку і турбулентнасці на фарміраванне і фрагментацыю шматкоў з дапамогай мясцовых градыентаў хуткасцей.У рэзервуарах, абсталяваных лопасцямі ротара, неабходна змяняць хуткасць, з якой агрэгаты сутыкаюцца з іншымі часціцамі, калі яны дастаткова дэстабілізаваны ў фазе каагуляцыі.Выкарыстоўваючы CFD і больш нізкія хуткасці кручэння каля 15 абаротаў у хвіліну, Vadasarukkai і Gagnon11 змаглі дасягнуць значэння G для флокуляции з канічнымі лопасцямі, тым самым мінімізуючы спажыванне энергіі для мяшання.Аднак праца пры больш высокіх значэннях G можа прывесці да флокуляции.Яны даследавалі ўплыў хуткасці змешвання на вызначэнне сярэдняга градыенту хуткасці пілотнага лопастнага флакулятара.Яны круцяцца з хуткасцю больш за 5 абаротаў у хвіліну.
Korpijärvi, Ahlstedt12 выкарысталі чатыры розныя мадэлі турбулентнасці для вывучэння поля патоку на выпрабавальным стэндзе танка.Яны вымералі поле патоку з дапамогай лазернага доплераўскага анемометра і PIV і параўналі разлічаныя вынікі з вымеранымі.дэ Алівейра і Донадэль13 прапанавалі альтэрнатыўны метад ацэнкі градыентаў хуткасці па гідрадынамічных уласцівасцях з дапамогай CFD.Прапанаваны метад апрабаваны на шасці флокуляционных устаноўках на аснове спіральнай геаметрыі.ацаніў уплыў часу ўтрымання на флокулянты і прапанаваў мадэль флокуляции, якую можна выкарыстоўваць у якасці інструмента для падтрымкі рацыянальнага дызайну клетак з нізкім часам ўтрымання14.Жан, You15 прапанаваў камбінаваную мадэль CFD і балансу папуляцыі для мадэлявання характарыстык патоку і паводзін шматкоў пры поўнамаштабнай флакуляцыі.Llano-Serna, Coral-Portillo16 даследавалі характарыстыкі патоку гідрафлакулятара тыпу Кокса на водаачышчальнай станцыі ў Вітэрба, Калумбія.Хоць CFD мае свае перавагі, ёсць і абмежаванні, такія як лікавыя памылкі ў разліках.Такім чынам, любыя атрыманыя лікавыя вынікі павінны быць старанна вывучаны і прааналізаваны, каб зрабіць крытычныя высновы17.Ёсць некалькі даследаванняў у літаратуры па распрацоўцы гарызантальных флакулятараў, а рэкамендацыі па распрацоўцы гідрадынамічных флакулятараў абмежаваныя18.Chen, Liao19 выкарыстаў эксперыментальную ўстаноўку, заснаваную на рассейванні палярызаванага святла, для вымярэння стану палярызацыі рассеянага святла ад асобных часціц.Feng, Zhang20 выкарыстаў Ansys-Fluent для мадэлявання размеркавання віхравых токаў і завіхрэнняў у полі патоку флакулятара з каагуляванай пласцінай і флакулятара з міжгафрыраванымі пласцінамі.Пасля мадэлявання турбулентнага патоку вадкасці ў флакулятары з дапамогай Ansys-Fluent Gavi21 выкарыстаў вынікі для распрацоўкі флакулятара.Ванелі і Тэйшэйра22 паведамілі, што ўзаемасувязь паміж дынамікай вадкасці флакулятараў са спіральнай трубкай і працэсам флакуляцыі ўсё яшчэ недастаткова вывучана для падтрымкі рацыянальнай канструкцыі.дэ Алівейра і Коста Тэйшэйра23 вывучалі эфектыўнасць і дэманстравалі гідрадынамічныя ўласцівасці флакулятара са спіральнай трубкай з дапамогай фізічных эксперыментаў і CFD-мадэлявання.Многія даследчыкі вывучалі трубчастыя рэактары або флакулятары са спиралевидной трубкай.Аднак падрабязная гідрадынамічная інфармацыя аб рэакцыі гэтых рэактараў на розныя канструкцыі і ўмовы працы па-ранейшаму адсутнічае (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Алівейра і Тэйшэйра26 прадстаўляюць арыгінальныя вынікі тэарэтычнага, эксперыментальнага і CFD мадэлявання спіральнага флакулятара.Алівейра і Тэйшэйра27 прапанавалі выкарыстоўваць спіральную катушку ў якасці рэактара для каагуляцыі і флокуляцыі ў спалучэнні са звычайнай сістэмай дэкантэра.Яны паведамляюць, што вынікі, атрыманыя для эфектыўнасці выдалення каламуты, істотна адрозніваюцца ад атрыманых з дапамогай звычайна выкарыстоўваюцца мадэляў для ацэнкі флокуляции, што сведчыць пра асцярожнасць пры выкарыстанні такіх мадэляў.Маруцы і дэ Алівейра [28] змадэлявалі паводзіны сістэмы камер бесперапыннай флокуляции ў розных умовах працы, уключаючы змены ў колькасці выкарыстоўваных камер і выкарыстанне фіксаваных або маштабаваных градыентаў хуткасці клетак.Romphophak, Le Men29 PIV вымярэння імгненных хуткасцей у квазі-двухмерных струйных ачышчальніках.Яны выявілі моцную цыркуляцыю, выкліканую бруёй, у зоне флокуляцыі і ацанілі лакальную і імгненную хуткасці зруху.
Шах, Джошы30 паведамляюць, што CFD прапануе цікавую альтэрнатыву для паляпшэння канструкцый і атрымання характарыстык віртуальнага патоку.Гэта дапамагае пазбегнуць шырокіх эксперыментальных установак.CFD усё часцей выкарыстоўваецца для аналізу вады і ачышчальных збудаванняў (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Некалькі даследчыкаў праводзілі эксперыменты з абсталяваннем для тэсціравання балончыкаў (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) і перфараванымі дыскавымі флакулятарамі31.Іншыя выкарыстоўвалі CFD для ацэнкі гидрофлокуляторов (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 паведаміў, што механічныя флакулятары патрабуюць рэгулярнага абслугоўвання, паколькі яны часта ламаюцца і патрабуюць шмат электраэнергіі.
Прадукцыйнасць лопастнага флокулятора моцна залежыць ад гідрадынамікі вадаёма.Адсутнасць колькаснага разумення палёў хуткасці патоку ў такіх флокуляторах ясна адзначана ў літаратуры (Howe, Hand38; Hendricks39).Уся маса вады падвяргаецца руху крыльчаткі флокулятора, таму чакаецца праслізгванне.Як правіла, хуткасць вадкасці менш хуткасці лопасці на каэфіцыент слізгацення k, які вызначаецца як стаўленне хуткасці масы вады да хуткасці вяслярнага кола.Bhole40 паведаміў, што пры распрацоўцы флакулятара неабходна ўлічваць тры невядомыя фактары, а менавіта градыент хуткасці, каэфіцыент супраціву і адносную хуткасць вады адносна лопасці.
Camp41 паведамляе, што пры разглядзе высокахуткасных машын хуткасць складае каля 24% ад хуткасці ротара і дасягае 32% для нізкахуткасных машын.Пры адсутнасці перагародак Дрост і Гер42 выкарыстоўвалі значэнне ak 0,25, у той час як у выпадку перагародак k вагалася ад 0 да 0,15.Howe, Hand38 мяркуюць, што k знаходзіцца ў дыяпазоне ад 0,2 да 0,3.Hendrix39 звязаў каэфіцыент слізгацення з хуткасцю кручэння з дапамогай эмпірычнай формулы і прыйшоў да высновы, што каэфіцыент слізгацення таксама знаходзіцца ў дыяпазоне, устаноўленым Camp41.Bratby43 паведаміў, што k складае каля 0,2 для хуткасці крыльчаткі ад 1,8 да 5,4 абаротаў у хвіліну і павялічваецца да 0,35 для хуткасці крыльчаткі ад 0,9 да 3 абаротаў у хвіліну.Іншыя даследчыкі паведамляюць пра шырокі дыяпазон значэнняў каэфіцыента супраціву (Cd) ад 1,0 да 1,8 і значэнняў каэфіцыента слізгацення k ад 0,25 да 0,40 (Feir і Geyer44; Hyde і Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; і Bratby і Marais48). ).Літаратура не дэманструе значнага прагрэсу ў вызначэнні і колькаснай ацэнцы k з часу працы Camp41.
Працэс флокуляции заснаваны на турбулентнасці для палягчэння сутыкненняў, дзе градыент хуткасці (G) выкарыстоўваецца для вымярэння турбулентнасці/флокуляции.Змешванне - гэта працэс хуткага і раўнамернага размеркавання хімічных рэчываў у вадзе.Ступень змешвання вымяраецца градыентам хуткасці:
дзе G = градыент хуткасці (с-1), P = спажываная магутнасць (Вт), V = аб'ём вады (м3), μ = дынамічная глейкасць (Па с).
Чым вышэй значэнне G, тым больш змяшана.Дбайнае змешванне неабходна для забеспячэння раўнамернай каагуляцыі.Літаратура паказвае, што найбольш важнымі параметрамі канструкцыі з'яўляюцца час змешвання (t) і градыент хуткасці (G).Працэс флокуляции заснаваны на турбулентнасці для палягчэння сутыкненняў, дзе градыент хуткасці (G) выкарыстоўваецца для вымярэння турбулентнасці/флокуляции.Тыповыя праектныя значэнні для G складаюць ад 20 да 70 с–1, t складае ад 15 да 30 хвілін, а Gt (безпамерны) складае ад 104 да 105. Рэзервуары для хуткага змешвання лепш за ўсё працуюць са значэннямі G ад 700 да 1000 з захаваннем часу каля 2 хвілін.
дзе P - магутнасць, якую перадае вадкасці кожная лопасць флокулятора, N - хуткасць кручэння, b - даўжыня лопасці, ρ - шчыльнасць вады, r - радыус, k - каэфіцыент слізгацення.Гэта ўраўненне прымяняецца да кожнай лопасці асобна, і вынікі сумуюцца, каб атрымаць агульную спажываную магутнасць флокулятора.Уважлівае вывучэнне гэтага ўраўнення паказвае важнасць каэфіцыента слізгацення k у працэсе праектавання лопастнага флакулятара.Літаратура не паказвае дакладнае значэнне k, але замест гэтага рэкамендуе дыяпазон, як было сказана раней.Аднак залежнасць паміж ступенню P і каэфіцыентам слізгацення k з'яўляецца кубічнай.Такім чынам, пры ўмове, што ўсе параметры аднолькавыя, напрыклад, змяненне k з 0,25 да 0,3 прывядзе да зніжэння магутнасці, якая перадаецца вадкасці на адну лопасць, прыкладна на 20%, а памяншэнне k з 0,25 да 0,18 яе павялічыць.прыкладна на 27-30% на лопасць Магутнасць, якая перадаецца вадкасці.У рэшце рэшт, уплыў k на ўстойлівую канструкцыю лопастнага флакулятара неабходна даследаваць з дапамогай тэхнічнай колькаснай ацэнкі.
Дакладная эмпірычная колькасная ацэнка слізгацення патрабуе візуалізацыі і мадэлявання патоку.Такім чынам, важна апісаць тангенцыяльную хуткасць лопасці ў вадзе пры пэўнай хуткасці кручэння на розных радыяльных адлегласцях ад вала і на розных глыбінях ад паверхні вады, каб ацаніць эфект розных пазіцый лопасці.
У гэтым даследаванні гідрадынаміка флокуляции ацэньваецца шляхам эксперыментальнага і лікавага даследавання поля хуткасці турбулентнага патоку ў лабараторным лопастным флокуляторе.Вымярэнні PIV запісваюцца на флокуляторе, ствараючы асераднёныя па часе контуры хуткасці, якія паказваюць хуткасць часціц вады вакол лісця.Акрамя таго, ANSYS-Fluent CFD быў выкарыстаны для мадэлявання закручанага патоку ўнутры флокулятора і стварэння асераднёных па часе контураў хуткасці.Атрыманая мадэль CFD была пацверджана шляхам ацэнкі адпаведнасці паміж вынікамі PIV і CFD.У цэнтры ўвагі гэтай працы - колькаснае вызначэнне каэфіцыента слізгацення k, які з'яўляецца беспамерным канструктыўным параметрам лопастнага флакулятара.Прадстаўленая тут праца дае новую аснову для колькаснага вызначэння каэфіцыента слізгацення k пры нізкіх хуткасцях 3 і 4 аб/хв.Наступствы вынікаў непасрэдна спрыяюць лепшаму разуменню гідрадынамікі флокуляционного бака.
Лабараторны флокулятор складаецца з прамавугольнай скрыні з адкрытым верхам агульнай вышынёй 147 см, вышынёй 39 см, агульнай шырынёй 118 см і агульнай даўжынёй 138 см (мал. 1).Асноўныя крытэрыі праектавання, распрацаваныя Camp49, былі выкарыстаны для распрацоўкі лопастнага флакулятара лабараторнага маштабу і прымянення прынцыпаў аналізу памераў.Эксперыментальная ўстаноўка была пабудавана ў Лабараторыі інжынерыі навакольнага асяроддзя Ліванскага амерыканскага ўніверсітэта (Біблос, Ліван).
Гарызантальная вось размешчана на вышыні 60 см ад дна і змяшчае два лопастных колы.Кожнае вяслярнае кола складаецца з 4 вяслоў, па 3 вёслы на кожным, у агульнай складанасці 12 вяслоў.Флокуляцыя патрабуе мяккага мяшання на нізкай хуткасці ад 2 да 6 абаротаў у хвіліну.Найбольш распаўсюджаныя хуткасці змешвання ва флокуляторах - 3 і 4 абароты ў хвіліну.Паток флокулятора ў лабараторным маштабе прызначаны для адлюстравання патоку ў аддзяленні флокуляционного рэзервуара станцыі ачысткі пітной вады.Магутнасць разлічваецца з дапамогай традыцыйнага ўраўнення 42.Для абедзвюх хуткасцей кручэння градыент хуткасці \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) большы за 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , лік Рэйнольдса паказвае на турбулентнае цячэнне (табл. 1).
PIV выкарыстоўваецца для дасягнення дакладных і колькасных вымярэнняў вектараў хуткасці вадкасці адначасова ў вельмі вялікай колькасці пунктаў50.Эксперыментальная ўстаноўка ўключала лабараторны лопастны флакулятар, сістэму LaVision PIV (2017) і трыгер вонкавага лазернага датчыка Arduino.Каб стварыць асераднёныя па часе профілі хуткасці, выявы PIV паслядоўна запісваліся ў адным і тым жа месцы.Сістэма PIV адкалібравана такім чынам, што мэтавая вобласць знаходзіцца ў сярэдзіне даўжыні кожнага з трох лопасцяў пэўнай вяслярнай рукі.Знешні трыгер складаецца з лазера, размешчанага з аднаго боку шырыні флокулятора, і прымача датчыка з другога боку.Кожны раз, калі рука флокулятора перакрывае шлях лазера, сігнал пасылаецца ў сістэму PIV для захопу выявы з дапамогай лазера PIV і камеры, сінхранізаванай з праграмуемым блокам часу.На мал.2 паказвае ўстаноўку сістэмы PIV і працэс атрымання выявы.
Запіс PIV пачыналі пасля працы флокулятора на працягу 5-10 хвілін для нармалізацыі патоку і ўліку таго ж поля паказчыка праламлення.Каліброўка дасягаецца з дапамогай калібравальнай пласціны, пагружанай у флокулятор і размешчанай у сярэдзіне даўжыні ляза.Адрэгулюйце становішча лазера PIV, каб сфармаваць плоскі светлавы ліст непасрэдна над калібравальнай пласцінай.Запішыце вымераныя значэнні для кожнай хуткасці кручэння кожнага ляза, і хуткасці кручэння, выбраныя для эксперыменту, складаюць 3 абароты ў хвіліну і 4 абароты ў хвіліну.
Для ўсіх запісаў PIV інтэрвал часу паміж двума лазернымі імпульсамі быў усталяваны ў дыяпазоне ад 6900 да 7700 мкс, што дапускала мінімальнае зрушэнне часціц у 5 пікселяў.Былі праведзены пілотныя выпрабаванні колькасці малюнкаў, неабходных для атрымання дакладных усярэдніх па часе вымярэнняў.Вектарная статыстыка параўноўвалася для выбарак, якія змяшчаюць 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 і 280 малюнкаў.Было ўстаноўлена, што выбарка з 240 малюнкаў дае стабільныя вынікі, асераднёныя па часе, улічваючы, што кожны малюнак складаецца з двух кадраў.
Паколькі плынь ва флокуляторе турбулентная, для раздзялення дробных турбулентных структур патрабуецца невялікае акно допыту і вялікая колькасць часціц.Для забеспячэння дакладнасці прымяняецца некалькі ітэрацый памяншэння памеру разам з алгарытмам узаемнай карэляцыі.Памер першапачатковага акна апытання 48×48 пікселяў з 50% перакрыццем і адным працэсам адаптацыі суправаджаўся канчатковым памерам акна апытання 32×32 пікселяў са 100% перакрыццем і двума працэсамі адаптацыі.Акрамя таго, шкляныя полыя сферы выкарыстоўваліся ў якасці затравальных часціц у патоку, што дазваляла прынамсі 10 часціцам на апытальнае акно.Запіс PIV запускаецца крыніцай запуску ў праграмуемым блоку сінхранізацыі (PTU), які адказвае за працу і сінхранізацыю крыніцы лазера і камеры.
Камерцыйны пакет CFD ANSYS Fluent v 19.1 выкарыстоўваўся для распрацоўкі 3D-мадэлі і рашэння асноўных ураўненняў плыні.
З дапамогай ANSYS-Fluent была створана 3D-мадэль лабараторнага лопастнага флакулятара.Мадэль выканана ў выглядзе прамавугольнай скрыні, якая складаецца з двух лопастных колаў, устаноўленых на гарызантальнай восі, як і лабараторная мадэль.Мадэль без надводнага борта мае вышыню 108 см, шырыню 118 см і даўжыню 138 см.Вакол змяшальніка дададзена гарызантальная цыліндрычная плоскасць.Генерацыя цыліндрычнай плоскасці павінна рэалізаваць кручэнне ўсяго змяшальніка на этапе ўстаноўкі і імітаваць верціцца поле патоку ўнутры флакулятара, як паказана на мал. 3а.
3D ANSYS-fluent і дыяграма геаметрыі мадэлі, ANSYS-fluent сетка корпуса флакулятара на цікавай плоскасці, ANSYS-fluent дыяграма на цікавай плоскасці.
Геаметрыя мадэлі складаецца з дзвюх абласцей, кожная з якіх з'яўляецца вадкасцю.Гэта дасягаецца з дапамогай функцыі лагічнага аднімання.Спачатку адніміце цыліндр (уключаючы міксер) з скрынкі, каб прадставіць вадкасць.Затым адняць міксер ад цыліндра, у выніку чаго атрымаюцца два аб'екта: міксер і вадкасць.Нарэшце, паміж двума абласцямі быў ужыты слізгальны інтэрфейс: інтэрфейс цыліндр-цыліндр і інтэрфейс цыліндр-змяшальнік (мал. 3а).
Злучэнне пабудаваных мадэляў было завершана для задавальнення патрабаванняў да мадэляў турбулентнасці, якія будуць выкарыстоўвацца для правядзення лікавага мадэлявання.Выкарыстоўвалася неструктураваная сетка з пашыранымі пластамі каля цвёрдай паверхні.Стварыце пласты пашырэння для ўсіх сцен з каэфіцыентам росту 1,2, каб гарантаваць, што складаныя ўзоры патоку захопліваюцца, з таўшчынёй першага пласта \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) м, каб гарантаваць, што \ ( {\тэкст {y))^{+}\le 1.0\).Памер корпуса падганяецца метадам падганяння па тэтраэдра.Ствараецца памер пярэдняга боку двух інтэрфейсаў з памерам элемента 2,5 × \({10}^{-3}\) м, а памер пярэдняга боку міксера складае 9 × \({10}^{-3}\ ) м. ўжываецца.Першапачаткова створаная сетка складалася з 2144409 элементаў (мал. 3b).
У якасці зыходнай базавай мадэлі была выбрана двухпараметрическая k–ε мадэль турбулентнасці.Для дакладнага мадэлявання закручанага патоку ўнутры флокулятора была абраная больш затратная ў вылічальных адносінах мадэль.Турбулентны закручаны паток унутры флакулятара быў лікавана даследаваны з выкарыстаннем дзвюх мадэляў CFD: SST k–ω51 і IDDES52.Вынікі абедзвюх мадэляў параўноўвалі з эксперыментальнымі вынікамі PIV для праверкі мадэляў.Па-першае, мадэль турбулентнасці SST k-ω - гэта мадэль турбулентнай вязкасці з двух ураўненняў для прымянення дынамікі вадкасці.Гэта гібрыдная мадэль, якая аб'ядноўвае мадэлі Wilcox k-ω і k-ε.Функцыя змешвання актывуе мадэль Уілкокса каля сцяны і мадэль k-ε у надыходзячым патоку.Гэта гарантуе выкарыстанне правільнай мадэлі ва ўсім полі патоку.Ён дакладна прадказвае аддзяленне патоку з-за неспрыяльных градыентаў ціску.Па-другое, быў абраны метад Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), які шырока выкарыстоўваецца ў мадэлі Individual Eddy Simulation (DES) з мадэллю SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES - гэта гібрыдная мадэль RANS-LES (мадэляванне вялікіх віхор), якая забяспечвае больш гнуткую і зручную мадэляванне маштабавання раздзялення (SRS).Ён заснаваны на мадэлі LES для разгадвання вялікіх віроў і вяртаецца да SST k-ω для мадэлявання невялікіх віроў.Статыстычны аналіз вынікаў мадэлявання SST k–ω і IDDES параўноўваўся з вынікамі PIV для праверкі мадэлі.
У якасці зыходнай базавай мадэлі была выбрана двухпараметрическая k–ε мадэль турбулентнасці.Для дакладнага мадэлявання закручанага патоку ўнутры флокулятора была абраная больш затратная ў вылічальных адносінах мадэль.Турбулентны закручаны паток унутры флакулятара быў лікавана даследаваны з выкарыстаннем дзвюх мадэляў CFD: SST k–ω51 і IDDES52.Вынікі абедзвюх мадэляў параўноўвалі з эксперыментальнымі вынікамі PIV для праверкі мадэляў.Па-першае, мадэль турбулентнасці SST k-ω - гэта мадэль турбулентнай вязкасці з двух ураўненняў для прымянення дынамікі вадкасці.Гэта гібрыдная мадэль, якая аб'ядноўвае мадэлі Wilcox k-ω і k-ε.Функцыя змешвання актывуе мадэль Уілкокса каля сцяны і мадэль k-ε у надыходзячым патоку.Гэта гарантуе выкарыстанне правільнай мадэлі ва ўсім полі патоку.Ён дакладна прадказвае аддзяленне патоку з-за неспрыяльных градыентаў ціску.Па-другое, быў абраны метад Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), які шырока выкарыстоўваецца ў мадэлі Individual Eddy Simulation (DES) з мадэллю SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES - гэта гібрыдная мадэль RANS-LES (мадэляванне вялікіх віхор), якая забяспечвае больш гнуткую і зручную мадэляванне маштабавання раздзялення (SRS).Ён заснаваны на мадэлі LES для разгадвання вялікіх віроў і вяртаецца да SST k-ω для мадэлявання невялікіх віроў.Статыстычны аналіз вынікаў мадэлявання SST k–ω і IDDES параўноўваўся з вынікамі PIV для праверкі мадэлі.
Скарыстайцеся вырашальнікам пераходных працэсаў на аснове ціску і гравітацыяй у напрамку Y.Кручэнне дасягаецца прызначэннем руху сеткі для змяшальніка, дзе пачатак восі кручэння знаходзіцца ў цэнтры гарызантальнай восі, а кірунак восі кручэння - у кірунку Z.Сеткавы інтэрфейс ствараецца для абодвух інтэрфейсаў геаметрыі мадэлі, што прыводзіць да двух краёў абмежавальнай рамкі.Як і ў доследнай методыцы, хуткасць кручэння адпавядае 3 і 4 абарачэнням.
Гранічныя ўмовы для сценак змяшальніка і флокулятора задаваліся сцяной, а верхняе адтуліну флокулятора - выхадам з нулявым ціскам (мал. 3в).ПРОСТАЯ схема сувязі ціск-хуткасць, дыскрэтызацыя градыентнай прасторы функцый другога парадку з усімі параметрамі на аснове элементаў найменшых квадратаў.Крытэрыем збежнасці для ўсіх зменных патоку з'яўляецца маштабаваная рэштка 1 x \({10}^{-3}\).Максімальная колькасць ітэрацый на крок па часе складае 20, а памер кроку па часе адпавядае павароту на 0,5°.Рашэнне збліжаецца на 8-й ітэрацыі для мадэлі SST k–ω і на 12-й ітэрацыі з выкарыстаннем IDDES.Акрамя таго, колькасць крокаў па часе было разлічана так, каб міксер рабіў не менш за 12 абаротаў.Прымяніць выбарку даных для статыстыкі часу пасля 3 абаротаў, што дазваляе нармалізаваць паток, падобна эксперыментальнай працэдуры.Параўнанне вываду цыклаў хуткасці для кожнага абароту дае дакладна аднолькавыя вынікі для апошніх чатырох абаротаў, што паказвае на тое, што быў дасягнуты ўстойлівы стан.Дадатковыя абароты не палепшылі контуры сярэдняй хуткасці.
Крок па часе вызначаецца ў залежнасці ад хуткасці кручэння, 3 або 4 абароты ў хвіліну.Крок па часе ўдакладняецца да часу, неабходнага для павароту змяшальніка на 0,5°.Гэтага аказваецца дастаткова, так як рашэнне сыходзіцца лёгка, як апісана ў папярэднім раздзеле.Такім чынам, усе лікавыя разлікі для абедзвюх мадэляў турбулентнасці былі выкананы з выкарыстаннем мадыфікаванага кроку па часе 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) для 3 абаротаў у хвіліну, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 абароты ў хвіліну.Для дадзенага кроку па часе ўдакладнення лік Куранта ячэйкі заўсёды меншы за 1,0.
Для вывучэння залежнасці мадэлі ад сеткі спачатку былі атрыманы вынікі з выкарыстаннем арыгінальнай сеткі 2,14 М, а затым удасканаленай сеткі 2,88 М.Удакладненне сеткі дасягаецца за кошт памяншэння памеру ячэйкі корпуса змяшальніка з 9 × \({10}^{-3}\) м да 7 × \({10}^{-3}\) м.Для арыгінальнай і ўдасканаленай сетак дзвюх мадэляў турбулентнасці параўноўваліся сярэднія значэнні модуляў хуткасці ў розных месцах вакол лопасці.Працэнтная розніца паміж вынікамі складае 1,73% для мадэлі SST k–ω і 3,51% для мадэлі IDDES.IDDES паказвае больш высокую працэнтную розніцу, таму што гэта гібрыдная мадэль RANS-LES.Гэтыя адрозненні палічылі нязначнымі, таму мадэляванне праводзілася з выкарыстаннем арыгінальнай сеткі з 2,14 мільёна элементаў і крокам паварочвання па часе 0,5°.
Узнаўляльнасць эксперыментальных вынікаў была праверана шляхам правядзення кожнага з шасці эксперыментаў другі раз і параўнання вынікаў.Параўнайце значэнні хуткасці ў цэнтры ляза ў двух серыях эксперыментаў.Сярэдняя працэнтная розніца паміж двума эксперыментальнымі групамі склала 3,1%.Сістэма PIV таксама незалежна перакалібравалася для кожнага эксперыменту.Параўнайце аналітычна разлічаную хуткасць у цэнтры кожнай лопасці са хуткасцю PIV у тым самым месцы.Гэта параўнанне паказвае розніцу з максімальнай працэнтнай памылкай 6,5% для ляза 1.
Перад колькаснай ацэнкай каэфіцыента слізгацення неабходна навукова зразумець канцэпцыю слізгацення ў лопасцях флакулятара, што патрабуе вывучэння структуры патоку вакол лопасцей флакулятара.Канцэптуальна каэфіцыент слізгацення ўбудаваны ў канструкцыю лапаткавых флакулятараў для ўліку хуткасці лопасцей адносна вады.Літаратура рэкамендуе, каб гэтая хуткасць складала 75% ад хуткасці лопасці, таму ў большасці канструкцый звычайна выкарыстоўваецца ак 0,25 для ўліку гэтай карэкціроўкі.Гэта патрабуе выкарыстання ліній току хуткасці, атрыманых з эксперыментаў PIV, каб цалкам зразумець поле хуткасці патоку і вывучыць гэта слізгаценне.Лязо 1 - гэта самае ўнутранае лязо, бліжэйшае да стрыжня, лязо 3 - самае вонкавае лязо, а лязо 2 - сярэдняе лязо.
Лініі плыні хуткасці на лопасці 1 паказваюць прамы паток вакол лопасці.Гэтыя патокі зыходзяць з правага боку лопасці, паміж ротарам і лопасцю.Гледзячы на вобласць, пазначаную чырвоным пункцірам на малюнку 4а, цікава вызначыць яшчэ адзін аспект рэцыркуляцыйнага патоку над і вакол лопасці.Візуалізацыя патоку паказвае невялікі паток у зону рэцыркуляцыі.Гэты паток набліжаецца з правага боку ляза на вышыні каля 6 см ад канца ляза, магчыма, з-за ўздзеяння першага ляза рукі, якая папярэднічае лязу, што бачна на малюнку.Візуалізацыя патоку пры 4 абаротах у хвіліну паказвае такія ж паводзіны і структуру, відаць, з больш высокімі хуткасцямі.
Графікі поля хуткасці і току трох лопасцей пры дзвюх хуткасцях кручэння 3 і 4 аб/хв.Максімальная сярэдняя хуткасць трох лопасцей пры 3 абаротах у хвіліну складае адпаведна 0,15 м/с, 0,20 м/с і 0,16 м/с, а максімальная сярэдняя хуткасць пры 4 абаротах у хвіліну складае 0,15 м/с, 0,22 м/с і 0,22 м/с. с, адпаведна.на трох лістах.
Іншая форма спіральнага патоку была знойдзена паміж лопасцямі 1 і 2. Вектарнае поле выразна паказвае, што паток вады рухаецца ўверх ад ніжняй часткі лопасці 2, на што паказвае кірунак вектара.Як паказана пункцірнай рамкай на мал. 4b, гэтыя вектары не ідуць вертыкальна ўверх ад паверхні ляза, а паварочваюцца направа і паступова спускаюцца.На паверхні лопасці 1 вылучаюцца сыходныя вектары, якія набліжаюцца да абедзвюх лопасцяў і атачаюць іх ад утворанага паміж імі рэцыркуляцыйнага патоку.Аднолькавая структура патоку была вызначана пры абедзвюх хуткасцях кручэння з больш высокай амплітудай хуткасці 4 аб / мін.
Поле хуткасці лопасці 3 не ўносіць значнага ўкладу ад вектара хуткасці папярэдняй лопасці, якая далучаецца да патоку ніжэй лопасці 3. Асноўны паток пад лопасцю 3 абумоўлены вектарам вертыкальнай хуткасці, які падымаецца разам з вадой.
Вэктары хуткасці па паверхні лопасці 3 можна падзяліць на тры групы, як паказана на мал. 4с.Першы набор знаходзіцца на правым краі ляза.Структура патоку ў гэтым становішчы прамая направа і ўверх (г.зн. да лопасці 2).Другая група - сярэдзіна ляза.Вектар хуткасці для гэтага становішча накіраваны прама ўверх, без адхіленняў і без кручэння.Памяншэнне значэння хуткасці вызначалася з павелічэннем вышыні над тарцом лопасці.Для трэцяй групы, размешчанай на левай перыферыі лопасцяў, паток адразу накіроўваецца налева, гэта значыць да сценкі флокулятора.Большая частка патоку, прадстаўленая вектарам хуткасці, ідзе ўверх, а частка патоку - гарызантальна ўніз.
Дзве мадэлі турбулентнасці, SST k–ω і IDDES, былі выкарыстаны для пабудовы асераднёных па часе профіляў хуткасці для 3 абаротаў у хвіліну і 4 абаротаў у хвіліну ў плоскасці сярэдняй даўжыні лопасці.Як паказана на малюнку 5, устойлівы стан дасягаецца шляхам дасягнення абсалютнага падабенства паміж контурамі хуткасці, створанымі чатырма паслядоўнымі кручэннямі.Акрамя таго, асераднёныя па часе контуры хуткасці, створаныя IDDES, паказаны на малюнку 6а, у той час як асераднёныя па часе профілі хуткасці, створаныя SST k – ω, паказаны на малюнку 6а.6б.
Выкарыстоўваючы IDDES і асераднёныя па часе контуры хуткасці, створаныя SST k–ω, IDDES мае больш высокую долю контураў хуткасці.
Уважліва вывучыце профіль хуткасці, створаны з дапамогай IDDES пры 3 абаротах у хвіліну, як паказана на малюнку 7. Змяшальнік круціцца па гадзіннікавай стрэлцы, і паток абмяркоўваецца ў адпаведнасці з паказанымі заўвагамі.
На мал.7 відаць, што на паверхні лопасці 3 у I квадранце маецца адрыў патоку, так як паток не стрымліваецца з-за наяўнасці верхняга адтуліны.У квадранце II не назіраецца падзелу патоку, так як паток цалкам абмежаваны сценкамі флокулятора.У квадранце III вада круціцца са значна меншай або меншай хуткасцю, чым у папярэдніх квадрантах.Вада ў квадрантах I і II перамяшчаецца (г.зн. круціцца або выштурхваецца) уніз пад дзеяннем змяшальніка.А ў квадранце III вада выштурхваецца лопасцямі мешалкі.Відавочна, што водная маса ў гэтым месцы супраціўляецца надыходзячым рукаву флокулятора.Круцільны паток у гэтым квадранце цалкам падзелены.Для квадранта IV большая частка паветранага патоку над лопасцю 3 накіравана да сценкі флакулятара і паступова губляе свой памер па меры павелічэння вышыні да верхняга адтуліны.
Акрамя таго, цэнтральнае размяшчэнне ўключае складаныя схемы плыні, якія дамінуюць у квадрантах III і IV, як паказана сінімі пункцірнымі эліпсамі.Гэтая пазначаная вобласць не мае нічога агульнага з закручаным патокам у лопастным флакулятары, паколькі закручаны рух можна ідэнтыфікаваць.Гэта адрозніваецца ад квадрантаў I і II, дзе ёсць выразны падзел паміж унутраным патокам і поўным вярчальным патокам.
Як паказана на мал.6, параўноўваючы вынікі IDDES і SST k-ω, асноўная розніца паміж контурамі хуткасці заключаецца ў велічыні хуткасці непасрэдна пад лопасцю 3. Мадэль SST k-ω ясна паказвае, што пашыраны высакахуткасны паток пераносіцца лопасцю 3 у параўнанні з IDDES.
Яшчэ адно адрозненне можна знайсці ў квадранце III.З IDDES, як згадвалася раней, было адзначана вярчальны падзел патоку паміж рукавамі флакулятара.Аднак на гэта становішча моцна ўплывае нізкая хуткасць патоку з кутоў і ўнутранай часткі першай лопасці.Ад SST k–ω для таго ж месца контурныя лініі паказваюць адносна больш высокія хуткасці ў параўнанні з IDDES, таму што няма зліцця з іншых рэгіёнаў.
Для правільнага разумення паводзін і структуры патоку патрабуецца якаснае разуменне вектарных палёў хуткасці і ліній току.Улічваючы, што кожнае лязо мае 5 см у шырыню, сем кропак хуткасці былі выбраны па ўсёй шырыні, каб забяспечыць рэпрэзентатыўны профіль хуткасці.Акрамя таго, патрабуецца колькаснае разуменне велічыні хуткасці як функцыі вышыні над паверхняй лопасці шляхам пабудовы профілю хуткасці непасрэдна над кожнай паверхняй лопасці і на бесперапыннай адлегласці 2,5 см па вертыкалі да вышыні 10 см.Глядзіце S1, S2 і S3 на малюнку для атрымання дадатковай інфармацыі.Дадатак А. На малюнку 8 паказана падабенства размеркавання павярхоўнай хуткасці кожнай лопасці (Y = 0,0), атрыманае з дапамогай эксперыментаў PIV і аналізу ANSYS-Fluent з выкарыстаннем IDDES і SST k-ω.Абедзве лікавыя мадэлі дазваляюць дакладна мадэляваць структуру патоку на паверхні лопасцяў флокулятора.
Размеркаванне хуткасцей PIV, IDDES і SST k–ω на паверхні ляза.Па восі х адкладзена шырыня кожнага аркуша ў міліметрах, прычым пачатак (0 мм) уяўляе левую перыферыю ліста, а канец (50 мм) - правую перыферыю ліста.
Ясна відаць, што размеркаванне хуткасцяў лопасцяў 2 і 3 паказаны на мал.8 і мал.8.S2 і S3 у Дадатку A паказваюць падобныя тэндэнцыі з вышынёй, у той час як лязо 1 змяняецца незалежна.Профілі хуткасці лопасцяў 2 і 3 становяцца ідэальна прамымі і маюць аднолькавую амплітуду на вышыні 10 см ад канца лопасці.Гэта азначае, што ў гэтай кропцы паток становіцца раўнамерным.Гэта добра бачна з вынікаў PIV, якія добра прайгравае IDDES.Між тым, вынікі SST k–ω паказваюць некаторыя адрозненні, асабліва пры 4 абаротах у хвіліну.
Важна адзначыць, што лопасць 1 захоўвае аднолькавую форму профілю хуткасці ва ўсіх пазіцыях і не нармалізуецца па вышыні, паколькі завіхрэнне, якое ўтвараецца ў цэнтры змяшальніка, утрымлівае першую лопасць з усіх рук.Акрамя таго, у параўнанні з IDDES, профілі хуткасці ляза PIV 2 і 3 дэманстравалі крыху больш высокія значэнні хуткасці ў большасці месцаў, пакуль яны не сталі амаль роўнымі на вышыні 10 см над паверхняй ляза.
Час публікацыі: 27 снежня 2022 г