Faleminderit që vizituat Nature.com.Ju jeni duke përdorur një version të shfletuesit me mbështetje të kufizuar CSS.Për përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer).Përveç kësaj, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne e shfaqim sajtin pa stile dhe JavaScript.
Shfaq një karusel me tre rrëshqitje njëherësh.Përdorni butonat Previous dhe Next për të lëvizur nëpër tre rrëshqitje në të njëjtën kohë, ose përdorni butonat rrëshqitës në fund për të lëvizur nëpër tre rrëshqitje në të njëjtën kohë.
Në këtë studim, hidrodinamika e flokulimit vlerësohet me anë të hetimit eksperimental dhe numerik të fushës së shpejtësisë së rrjedhës turbulente në një flokulator me vozitje në shkallë laboratorike.Rrjedha e turbullt që nxit grumbullimin e grimcave ose ndarjen e flokeve është komplekse dhe konsiderohet dhe krahasohet në këtë punim duke përdorur dy modele turbulence, domethënë SST k-ω dhe IDDES.Rezultatet tregojnë se IDDES ofron një përmirësim shumë të vogël mbi SST k-ω, i cili është i mjaftueshëm për të simuluar me saktësi rrjedhën brenda një flokulatori me vozitje.Rezultati i përshtatjes përdoret për të hetuar konvergjencën e rezultateve PIV dhe CFD dhe për të krahasuar rezultatet e modelit të turbulencës CFD të përdorur.Studimi fokusohet gjithashtu në përcaktimin sasior të faktorit të rrëshqitjes k, i cili është 0,18 në shpejtësi të ulëta prej 3 dhe 4 rpm, krahasuar me vlerën e zakonshme tipike prej 0,25.Zvogëlimi i k nga 0,25 në 0,18 rrit fuqinë e dorëzuar në lëng me rreth 27-30% dhe rrit gradientin e shpejtësisë (G) me rreth 14%.Kjo do të thotë se arrihet përzierja më intensive se sa pritej, prandaj harxhohet më pak energji dhe për rrjedhojë konsumi i energjisë në njësinë e flokulimit të impiantit të trajtimit të ujit të pijshëm mund të jetë më i ulët.
Në pastrimin e ujit, shtimi i koagulantëve destabilizon grimcat dhe papastërtitë e vogla koloidale, të cilat më pas kombinohen për të formuar flokulim në fazën e flokulimit.Thekonet janë agregate fraktale të lidhura lirshëm në masë, të cilat më pas hiqen duke u vendosur.Karakteristikat e grimcave dhe kushtet e përzierjes së lëngjeve përcaktojnë efikasitetin e procesit të flokulimit dhe trajtimit.Flokulimi kërkon trazim të ngadaltë për një periudhë relativisht të shkurtër kohe dhe shumë energji për të trazuar vëllime të mëdha uji1.
Gjatë flokulimit, hidrodinamika e të gjithë sistemit dhe kimia e ndërveprimit koagulant-grimcë përcaktojnë shpejtësinë me të cilën arrihet një shpërndarje stacionare e madhësisë së grimcave2.Kur grimcat përplasen, ato ngjiten me njëra-tjetrën3.Oyegbile, Ay4 raportoi se përplasjet varen nga mekanizmat e transportit të flokulimit të difuzionit Brownian, prerjes së lëngut dhe vendosjes diferenciale.Kur thekonet përplasen, ato rriten dhe arrijnë një kufi të caktuar të madhësisë, gjë që mund të çojë në thyerje, pasi thekonet nuk mund të përballojnë forcën e forcave hidrodinamike5.Disa nga këto thekon të thyera rikombinohen në më të vogla ose me të njëjtën madhësi6.Megjithatë, thekonet e forta mund t'i rezistojnë kësaj force dhe të ruajnë madhësinë e tyre dhe madje të rriten7.Yukselen dhe Gregory8 raportuan mbi studimet në lidhje me shkatërrimin e thekoneve dhe aftësinë e tyre për t'u rigjeneruar, duke treguar se pakthyeshmëria është e kufizuar.Bridgeman, Jefferson9 përdori CFD për të vlerësuar ndikimin lokal të rrjedhës mesatare dhe turbulencës në formimin dhe fragmentimin e flokut përmes gradientëve të shpejtësisë lokale.Në rezervuarët e pajisur me tehe të rotorit, është e nevojshme të ndryshohet shpejtësia me të cilën agregatet përplasen me grimcat e tjera kur ato janë mjaftueshëm të destabilizuara në fazën e koagulimit.Duke përdorur CFD dhe shpejtësi më të ulëta rrotullimi prej rreth 15 rpm, Vadasarukkai dhe Gagnon11 ishin në gjendje të arrinin vlerat G për flokulim me tehe konike, duke minimizuar kështu konsumin e energjisë për trazim.Megjithatë, funksionimi në vlera më të larta G mund të çojë në flokulim.Ata hetuan efektin e shpejtësisë së përzierjes në përcaktimin e gradientit mesatar të shpejtësisë së një flokulatori pilot me vozis.Ata rrotullohen me një shpejtësi prej më shumë se 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 përdori katër modele të ndryshme turbulence për të studiuar fushën e rrjedhës në një stol testimi rezervuari.Ata matën fushën e rrjedhës me një anemometër lazer Doppler dhe PIV dhe krahasuan rezultatet e llogaritura me rezultatet e matura.de Oliveira dhe Donadel13 kanë propozuar një metodë alternative për vlerësimin e gradientëve të shpejtësisë nga vetitë hidrodinamike duke përdorur CFD.Metoda e propozuar u testua në gjashtë njësi flokulimi bazuar në gjeometrinë spirale.vlerësoi efektin e kohës së mbajtjes tek flokulantët dhe propozoi një model flokulimi që mund të përdoret si një mjet për të mbështetur dizajnin racional të qelizave me kohë të ulët mbajtjeje14.Zhan, You15 propozoi një model të kombinuar CFD dhe bilancit të popullsisë për të simuluar karakteristikat e rrjedhës dhe sjelljen e flokut në flokulim në shkallë të plotë.Llano-Serna, Coral-Portillo16 hetoi karakteristikat e rrjedhës së një hidroflokulatori të tipit Cox në një impiant për trajtimin e ujit në Viterbo, Kolumbi.Megjithëse CFD ka avantazhet e saj, ka edhe kufizime të tilla si gabimet numerike në llogaritje.Prandaj, çdo rezultat numerik i marrë duhet të shqyrtohet dhe analizohet me kujdes për të nxjerrë përfundime kritike17.Ka pak studime në literaturë për projektimin e flokulatorëve horizontale të gërshetimit, ndërsa rekomandimet për projektimin e flokulatorëve hidrodinamikë janë të kufizuara18.Chen, Liao19 përdori një strukturë eksperimentale të bazuar në shpërndarjen e dritës së polarizuar për të matur gjendjen e polarizimit të dritës së shpërndarë nga grimcat individuale.Feng, Zhang20 përdori Ansys-Fluent për të simuluar shpërndarjen e rrymave vorbull dhe rrotullimin në fushën e rrjedhës së një flokulatori me pllaka të koaguluara dhe një flokulatori të valëzuar.Pas simulimit të rrjedhës së lëngut të turbullt në një flokulator duke përdorur Ansys-Fluent, Gavi21 përdori rezultatet për të dizajnuar flokulatorin.Vaneli dhe Teixeira22 raportuan se marrëdhënia midis dinamikës së lëngjeve të flokulatorëve të tubave spirale dhe procesit të flokulimit është ende e dobët për të mbështetur një dizajn racional.de Oliveira dhe Costa Teixeira23 studiuan efikasitetin dhe demonstruan vetitë hidrodinamike të flokulatorit të tubit spirale përmes eksperimenteve të fizikës dhe simulimeve CFD.Shumë studiues kanë studiuar reaktorë me tuba të mbështjellë ose flokulatorë me tuba të mbështjellë.Megjithatë, ende mungon informacioni i detajuar hidrodinamik mbi reagimin e këtyre reaktorëve ndaj modeleve dhe kushteve të ndryshme të funksionimit (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira dhe Teixeira26 paraqesin rezultate origjinale nga simulimet teorike, eksperimentale dhe CFD të një flokulatori spirale.Oliveira dhe Teixeira27 propozuan përdorimin e një mbështjelljeje spirale si një reaktor koagulimi-flokulimi në kombinim me një sistem dekantues konvencional.Ata raportojnë se rezultatet e marra për efikasitetin e heqjes së turbullirës janë dukshëm të ndryshme nga ato të marra me modelet e përdorura zakonisht për vlerësimin e flokulimit, duke sugjeruar kujdes kur përdoren modele të tilla.Moruzzi dhe de Oliveira [28] modeluan sjelljen e një sistemi të dhomave të flokulimit të vazhdueshëm në kushte të ndryshme funksionimi, duke përfshirë ndryshimet në numrin e dhomave të përdorura dhe përdorimin e gradientëve të shpejtësisë së qelizës fikse ose të shkallëzuar.Romphophak, Le Men29 Matjet PIV të shpejtësive të menjëhershme në pastrues jet pothuajse dy-dimensionale.Ata gjetën qarkullim të fortë të shkaktuar nga avionët në zonën e flokulimit dhe vlerësuan shkallët e prerjes lokale dhe të menjëhershme.
Shah, Joshi30 raporton se CFD ofron një alternativë interesante për përmirësimin e modeleve dhe marrjen e karakteristikave të rrjedhës virtuale.Kjo ndihmon për të shmangur konfigurimet e gjera eksperimentale.CFD po përdoret gjithnjë e më shumë për të analizuar impiantet e trajtimit të ujit dhe ujërave të zeza (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Disa hetues kanë kryer eksperimente në pajisjet e testimit të kanaçeve (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) dhe flokulatorë të diskut të shpuar31.Të tjerë kanë përdorur CFD për të vlerësuar hidroflokulatorët (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 raportoi se flokulatorët mekanikë kërkojnë mirëmbajtje të rregullt pasi shpesh prishen dhe kërkojnë shumë energji elektrike.
Performanca e një flokulatori me vozitje varet shumë nga hidrodinamika e rezervuarit.Mungesa e të kuptuarit sasior të fushave të shpejtësisë së rrjedhës në flokulatorë të tillë vihet re qartë në literaturë (Howe, Hand38; Hendricks39).E gjithë masa e ujit i nënshtrohet lëvizjes së shtytësit të flokulatorit, kështu që pritet rrëshqitje.Në mënyrë tipike, shpejtësia e lëngut është më e vogël se shpejtësia e tehut nga faktori i rrëshqitjes k, i cili përcaktohet si raporti i shpejtësisë së trupit të ujit me shpejtësinë e rrotës së vozitjes.Bhole40 raportoi se ka tre faktorë të panjohur për t'u marrë parasysh gjatë projektimit të një flokulatori, domethënë gradienti i shpejtësisë, koeficienti i tërheqjes dhe shpejtësia relative e ujit në lidhje me tehun.
Camp41 raporton se kur merren parasysh makinat me shpejtësi të lartë, shpejtësia është rreth 24% e shpejtësisë së rotorit dhe deri në 32% për makinat me shpejtësi të ulët.Në mungesë të septave, Droste dhe Ger42 përdorën vlerën ak prej 0,25, ndërsa në rastin e septave, k varionte nga 0 në 0,15.Howe, Hand38 sugjeron që k është në rangun nga 0.2 deri në 0.3.Hendrix39 lidhi faktorin e rrëshqitjes me shpejtësinë e rrotullimit duke përdorur një formulë empirike dhe arriti në përfundimin se faktori i rrëshqitjes ishte gjithashtu brenda intervalit të përcaktuar nga Camp41.Bratby43 raportoi se k është rreth 0,2 për shpejtësitë e shtytësit nga 1,8 në 5,4 rpm dhe rritet në 0,35 për shpejtësitë e shtytës nga 0,9 në 3 rpm.Studiues të tjerë raportojnë një gamë të gjerë vlerash të koeficientit të tërheqjes (Cd) nga 1.0 në 1.8 dhe vlerave të koeficientit të rrëshqitjes k nga 0.25 në 0.40 (Feir dhe Geyer44; Hyde dhe Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; dhe Bratby 48 dhe ).Literatura nuk tregon përparim të rëndësishëm në përcaktimin dhe përcaktimin sasior të k që nga puna e Camp41.
Procesi i flokulimit bazohet në turbulencë për të lehtësuar përplasjet, ku gradienti i shpejtësisë (G) përdoret për të matur turbulencën/flokulimin.Përzierja është procesi i shpërndarjes së shpejtë dhe të barabartë të kimikateve në ujë.Shkalla e përzierjes matet nga gradienti i shpejtësisë:
ku G = gradienti i shpejtësisë (sek-1), P = fuqia hyrëse (W), V = vëllimi i ujit (m3), μ = viskoziteti dinamik (Pa s).
Sa më e lartë të jetë vlera G, aq më e përzier.Përzierja e plotë është thelbësore për të siguruar koagulim uniform.Literatura tregon se parametrat më të rëndësishëm të projektimit janë koha e përzierjes (t) dhe gradienti i shpejtësisë (G).Procesi i flokulimit bazohet në turbulencë për të lehtësuar përplasjet, ku gradienti i shpejtësisë (G) përdoret për të matur turbulencën/flokulimin.Vlerat tipike të projektimit për G janë 20 deri në 70 s–1, t është 15 deri në 30 minuta dhe Gt (pa dimensione) është 104 deri në 105. Rezervuarët e përzierjes së shpejtë funksionojnë më mirë me vlerat G prej 700 deri në 1000, me kohë qëndrimi rreth 2 minuta.
ku P është fuqia që i jepet lëngut nga çdo teh flokulator, N është shpejtësia e rrotullimit, b është gjatësia e tehut, ρ është dendësia e ujit, r është rrezja dhe k është koeficienti i rrëshqitjes.Ky ekuacion zbatohet për secilën teh individualisht dhe rezultatet përmblidhen për të dhënë fuqinë totale të hyrjes së flokulatorit.Një studim i kujdesshëm i këtij ekuacioni tregon rëndësinë e faktorit të rrëshqitjes k në procesin e projektimit të një flokulatori me vozitje.Literatura nuk tregon vlerën e saktë të k, por rekomandon një diapazon siç u tha më parë.Megjithatë, marrëdhënia ndërmjet fuqisë P dhe koeficientit të rrëshqitjes k është kub.Kështu, me kusht që të gjithë parametrat të jenë të njëjtë, për shembull, ndryshimi i k nga 0.25 në 0.3 do të çojë në një ulje të fuqisë së transmetuar në lëng për teh me rreth 20%, dhe zvogëlimi i k nga 0.25 në 0.18 do ta rrisë atë.me rreth 27-30% për lopatë Fuqia që i jepet lëngut.Në fund të fundit, efekti i k në dizajnin e qëndrueshëm të flokulatorit me vozis duhet të hetohet përmes kuantifikimit teknik.
Kuantifikimi i saktë empirik i rrëshqitjes kërkon vizualizim dhe simulim të rrjedhës.Prandaj, është e rëndësishme të përshkruhet shpejtësia tangjenciale e tehut në ujë me një shpejtësi të caktuar rrotullimi në distanca të ndryshme radiale nga boshti dhe në thellësi të ndryshme nga sipërfaqja e ujit në mënyrë që të vlerësohet efekti i pozicioneve të ndryshme të tehut.
Në këtë studim, hidrodinamika e flokulimit vlerësohet me anë të hetimit eksperimental dhe numerik të fushës së shpejtësisë së rrjedhës turbulente në një flokulator me vozitje në shkallë laboratorike.Matjet e PIV regjistrohen në flokulator, duke krijuar konturet e shpejtësisë mesatare të kohës që tregojnë shpejtësinë e grimcave të ujit rreth gjetheve.Përveç kësaj, ANSYS-Fluent CFD u përdor për të simuluar rrjedhën rrotulluese brenda flokulatorit dhe për të krijuar konturet e shpejtësisë mesatare me kohë.Modeli CFD që rezulton u konfirmua duke vlerësuar korrespondencën midis rezultateve të PIV dhe CFD.Fokusi i kësaj pune është në përcaktimin sasior të koeficientit të rrëshqitjes k, i cili është një parametër i projektimit pa dimension i një flokulatori me lopata.Puna e paraqitur këtu ofron një bazë të re për përcaktimin sasior të koeficientit të rrëshqitjes k në shpejtësi të ulëta prej 3 rpm dhe 4 rpm.Implikimet e rezultateve kontribuojnë drejtpërdrejt në një kuptim më të mirë të hidrodinamikës së rezervuarit të flokulimit.
Flokulatori laboratorik përbëhet nga një kuti drejtkëndëshe me majë të hapur me lartësi të përgjithshme 147 cm, lartësi 39 cm, gjerësi të përgjithshme 118 cm dhe gjatësi të përgjithshme 138 cm (Fig. 1).Kriteret kryesore të projektimit të zhvilluara nga Camp49 u përdorën për të hartuar një flokulator me vozitje në shkallë laboratorike dhe për të zbatuar parimet e analizës dimensionale.Objekti eksperimental u ndërtua në Laboratorin e Inxhinierisë së Mjedisit të Universitetit Amerikan Libanez (Byblos, Liban).
Boshti horizontal ndodhet në një lartësi prej 60 cm nga fundi dhe strehon dy rrota me vozitje.Çdo rrotë me vozitje përbëhet nga 4 vozita me 3 vozita në çdo vozis për një total prej 12 vozis.Flokulimi kërkon agjitacion të butë me një shpejtësi të ulët prej 2 deri në 6 rpm.Shpejtësitë më të zakonshme të përzierjes në flokulatorë janë 3 rpm dhe 4 rpm.Rrjedha e flokulatorit në shkallë laboratorike është projektuar për të përfaqësuar rrjedhën në ndarjen e rezervuarit të flokulimit të një impianti për trajtimin e ujit të pijshëm.Fuqia llogaritet duke përdorur ekuacionin tradicional 42 .Për të dyja shpejtësitë e rrotullimit, gradienti i shpejtësisë \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) është më i madh se 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , numri Reynolds tregon rrjedhën e turbullt (Tabela 1).
PIV përdoret për të arritur matje të sakta dhe sasiore të vektorëve të shpejtësisë së lëngut në të njëjtën kohë në një numër shumë të madh pikash50.Konfigurimi eksperimental përfshinte një flokulator me vozis në shkallë laboratorike, një sistem LaVision PIV (2017) dhe një shkas me sensor të jashtëm lazer Arduino.Për të krijuar profile të shpejtësisë mesatare në kohë, imazhet PIV u regjistruan në mënyrë sekuenciale në të njëjtin vend.Sistemi PIV është i kalibruar në mënyrë që zona e synuar të jetë në pikën e mesit të gjatësisë së secilës prej tre teheve të një krahu të veçantë vozis.Shkaku i jashtëm përbëhet nga një lazer i vendosur në njërën anë të gjerësisë së flokulatorit dhe një marrës sensor në anën tjetër.Sa herë që krahu i flokulatorit bllokon shtegun e lazerit, një sinjal i dërgohet sistemit PIV për të kapur një imazh me lazerin PIV dhe kamerën të sinkronizuar me një njësi të programueshme të kohës.Në fig.2 tregon instalimin e sistemit PIV dhe procesin e marrjes së imazhit.
Regjistrimi i PIV filloi pasi flokulatori u operua për 5-10 minuta për të normalizuar rrjedhën dhe për të marrë parasysh të njëjtën fushë të indeksit të thyerjes.Kalibrimi arrihet duke përdorur një pllakë kalibrimi të zhytur në flokulator dhe të vendosur në mes të gjatësisë së tehut të interesit.Rregulloni pozicionin e lazerit PIV për të formuar një fletë të sheshtë drite direkt mbi pllakën e kalibrimit.Regjistroni vlerat e matura për çdo shpejtësi rrotullimi të secilës teh, dhe shpejtësitë e rrotullimit të zgjedhura për eksperimentin janë 3 rpm dhe 4 rpm.
Për të gjitha regjistrimet PIV, intervali kohor midis dy pulseve lazer u vendos në intervalin nga 6900 në 7700 µs, gjë që lejonte një zhvendosje minimale të grimcave prej 5 pikselësh.Testet pilot u kryen në numrin e imazheve të nevojshme për të marrë matje të sakta mesatare të kohës.Statistikat vektoriale u krahasuan për mostrat që përmbajnë 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 dhe 280 imazhe.Një madhësi kampioni prej 240 imazhesh u gjet për të dhënë rezultate të qëndrueshme mesatare me kohë duke pasur parasysh se çdo imazh përbëhet nga dy korniza.
Meqenëse rrjedha në flokulator është e turbullt, kërkohet një dritare e vogël pyetëse dhe një numër i madh grimcash për të zgjidhur strukturat e vogla turbulente.Zbatohen disa përsëritje të zvogëlimit të madhësisë së bashku me një algoritëm ndër-korrelacioni për të siguruar saktësinë.Një madhësi fillestare e dritares së votimit prej 48×48 piksele me 50% mbivendosje dhe një proces përshtatjeje u pasua nga një madhësi e dritares përfundimtare të votimit prej 32×32 piksele me 100% mbivendosje dhe dy procese përshtatjeje.Për më tepër, sferat e zbrazëta të qelqit u përdorën si grimca farë në rrjedhë, gjë që lejonte të paktën 10 grimca për dritare votimi.Regjistrimi PIV aktivizohet nga një burim këmbëzues në një njësi të programueshme të kohës (PTU), e cila është përgjegjëse për funksionimin dhe sinkronizimin e burimit lazer dhe kamerës.
Paketa komerciale CFD ANSYS Fluent v 19.1 u përdor për të zhvilluar modelin 3D dhe për të zgjidhur ekuacionet bazë të rrjedhës.
Duke përdorur ANSYS-Fluent, u krijua një model 3D i një flokulatori me vozitje në shkallë laboratorike.Modeli është bërë në formën e një kutie drejtkëndëshe, e përbërë nga dy rrota me vozitje të montuara në një bosht horizontal, si modeli i laboratorit.Modeli pa dërrasë të lirë është 108 cm i lartë, 118 cm i gjerë dhe 138 cm i gjatë.Rreth mikserit është shtuar një plan cilindrik horizontal.Gjenerimi i planit cilindrik duhet të zbatojë rrotullimin e të gjithë mikserit gjatë fazës së instalimit dhe të simulojë fushën e rrjedhës rrotulluese brenda flokulatorit, siç tregohet në Fig. 3a.
Diagrami i gjeometrisë 3D ANSYS-fluent dhe modeli, rrjetë trupore e flokulatorit ANSYS-fluent në rrafshin e interesit, diagramë ANSYS-fluent në rrafshin e interesit.
Gjeometria e modelit përbëhet nga dy rajone, secila prej të cilave është një lëng.Kjo arrihet duke përdorur funksionin logjik të zbritjes.Fillimisht zbritni cilindrin (përfshirë mikserin) nga kutia për të përfaqësuar lëngun.Më pas zbriteni mikserin nga cilindri, duke rezultuar në dy objekte: mikserin dhe lëngun.Së fundi, një ndërfaqe rrëshqitëse u aplikua midis dy zonave: një ndërfaqe cilindër-cilindër dhe një ndërfaqe cilindër-përzierës (Fig. 3a).
Rrjedhja e modeleve të ndërtuara është përfunduar për të përmbushur kërkesat e modeleve të turbulencës që do të përdoren për të ekzekutuar simulimet numerike.Është përdorur një rrjetë e pastrukturuar me shtresa të zgjeruara pranë sipërfaqes së fortë.Krijoni shtresa zgjerimi për të gjitha muret me një shkallë rritjeje prej 1,2 për të siguruar që modelet komplekse të rrjedhës janë kapur, me një trashësi të shtresës së parë prej \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m për të siguruar që \ ( {\ teksti {y))^{+}\le 1.0\).Madhësia e trupit rregullohet duke përdorur metodën e montimit tetrahedron.Është krijuar një madhësi e anës së përparme të dy ndërfaqeve me një madhësi elementi 2,5 × \({10}^{-3}\) m dhe një madhësi e përparme e mikserit 9 × \({10}^{-3}\ ) m zbatohet.Rrjeta fillestare e gjeneruar përbëhej nga 2144409 elementë (Fig. 3b).
Një model k–ε turbulence me dy parametra u zgjodh si modeli bazë fillestar.Për të simuluar me saktësi rrjedhën e rrotullimit brenda flokulatorit, u zgjodh një model më i shtrenjtë llogaritës.Rrjedha e turbullt rrotulluese brenda flokulatorit u hetua numerikisht duke përdorur dy modele CFD: SST k–ω51 dhe IDDES52.Rezultatet e të dy modeleve u krahasuan me rezultatet eksperimentale të PIV për të vërtetuar modelet.Së pari, modeli SST k-ω i turbulencës është një model viskoziteti turbulent me dy ekuacione për aplikimet e dinamikës së lëngjeve.Ky është një model hibrid që kombinon modelet Wilcox k-ω dhe k-ε.Funksioni i përzierjes aktivizon modelin Wilcox pranë murit dhe modelin k-ε në rrjedhën e ardhshme.Kjo siguron që modeli i saktë të përdoret në të gjithë fushën e rrjedhës.Ai parashikon me saktësi ndarjen e rrjedhës për shkak të gradientëve të pafavorshëm të presionit.Së dyti, u zgjodh metoda e avancuar e simulimit të shtyrë gërvishtjet (IDDES), e përdorur gjerësisht në modelin Individual Eddy Simulation (DES) me modelin SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES është një model hibrid RANS-LES (simulimi i vorbullave të mëdha) që ofron një model simulimi të shkallëzimit të rezolucionit (SRS) më fleksibël dhe më miqësor për përdoruesit.Ai bazohet në modelin LES për të zgjidhur vorbullat e mëdha dhe kthehet në SST k-ω për të simuluar vorbulla në shkallë të vogël.Analizat statistikore të rezultateve nga simulimet SST k–ω dhe IDDES u krahasuan me rezultatet PIV për të vërtetuar modelin.
Një model k–ε turbulence me dy parametra u zgjodh si modeli bazë fillestar.Për të simuluar me saktësi rrjedhën e rrotullimit brenda flokulatorit, u zgjodh një model më i shtrenjtë llogaritës.Rrjedha e turbullt rrotulluese brenda flokulatorit u hetua numerikisht duke përdorur dy modele CFD: SST k–ω51 dhe IDDES52.Rezultatet e të dy modeleve u krahasuan me rezultatet eksperimentale të PIV për të vërtetuar modelet.Së pari, modeli SST k-ω i turbulencës është një model viskoziteti turbulent me dy ekuacione për aplikimet e dinamikës së lëngjeve.Ky është një model hibrid që kombinon modelet Wilcox k-ω dhe k-ε.Funksioni i përzierjes aktivizon modelin Wilcox pranë murit dhe modelin k-ε në rrjedhën e ardhshme.Kjo siguron që modeli i saktë të përdoret në të gjithë fushën e rrjedhës.Ai parashikon me saktësi ndarjen e rrjedhës për shkak të gradientëve të pafavorshëm të presionit.Së dyti, u zgjodh metoda e avancuar e simulimit të shtyrë gërvishtjet (IDDES), e përdorur gjerësisht në modelin Individual Eddy Simulation (DES) me modelin SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES është një model hibrid RANS-LES (simulimi i vorbullave të mëdha) që ofron një model simulimi të shkallëzimit të rezolucionit (SRS) më fleksibël dhe më miqësor për përdoruesit.Ai bazohet në modelin LES për të zgjidhur vorbullat e mëdha dhe kthehet në SST k-ω për të simuluar vorbulla në shkallë të vogël.Analizat statistikore të rezultateve nga simulimet SST k–ω dhe IDDES u krahasuan me rezultatet PIV për të vërtetuar modelin.
Përdorni një zgjidhës kalimtar të bazuar në presion dhe përdorni gravitetin në drejtimin Y.Rrotullimi arrihet duke caktuar një lëvizje rrjetë në mikser, ku origjina e boshtit të rrotullimit është në qendër të boshtit horizontal dhe drejtimi i boshtit të rrotullimit është në drejtimin Z.Një ndërfaqe rrjetë është krijuar për të dy ndërfaqet e gjeometrisë së modelit, duke rezultuar në dy skaje kufizuese të kutisë.Ashtu si në teknikën eksperimentale, shpejtësia e rrotullimit korrespondon me 3 dhe 4 rrotullime.
Kushtet kufitare për muret e mikserit dhe flokulatorit u vendosën nga muri, dhe hapja e sipërme e flokulatorit u vendos nga priza me presion matës zero (Fig. 3c).Skema e thjeshtë e komunikimit presion-shpejtësi, diskretizim i hapësirës së gradientit të funksioneve të rendit të dytë me të gjithë parametrat bazuar në elementët e katrorëve më të vegjël.Kriteri i konvergjencës për të gjitha variablat e rrjedhës është pjesa e mbetur e shkallëzuar 1 x \({10}^{-3}\).Numri maksimal i përsëritjeve për hap kohor është 20, dhe madhësia e hapit kohor korrespondon me një rrotullim prej 0,5°.Zgjidhja konvergon në përsëritjen e 8-të për modelin SST k–ω dhe në përsëritjen e 12-të duke përdorur IDDES.Për më tepër, numri i hapave kohorë u llogarit në mënyrë që përzierësi të bënte të paktën 12 rrotullime.Aplikoni kampionimin e të dhënave për statistikat kohore pas 3 rrotullimeve, gjë që lejon normalizimin e rrjedhës, ngjashëm me procedurën eksperimentale.Krahasimi i prodhimit të sytheve të shpejtësisë për çdo rrotullim jep saktësisht të njëjtat rezultate për katër rrotullimet e fundit, duke treguar se është arritur një gjendje e qëndrueshme.Rrotullimet shtesë nuk i përmirësonin konturet e shpejtësisë mesatare.
Hapi kohor përcaktohet në lidhje me shpejtësinë e rrotullimit, 3 rpm ose 4 rpm.Hapi kohor është i rafinuar në kohën e nevojshme për të rrotulluar mikserin me 0,5°.Kjo rezulton të jetë e mjaftueshme, pasi zgjidhja konvergon lehtësisht, siç përshkruhet në pjesën e mëparshme.Kështu, të gjitha llogaritjet numerike për të dy modelet e turbulencës u kryen duke përdorur një hap kohor të modifikuar prej 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) për 3 rpm, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.Për një hap të caktuar kohor të përsosjes, numri Courant i një qelize është gjithmonë më i vogël se 1.0.
Për të eksploruar varësinë model-rrjetë, rezultatet u morën fillimisht duke përdorur rrjetën origjinale 2.14M dhe më pas rrjetën e rafinuar 2.88M.Përsosja e rrjetës arrihet duke zvogëluar madhësinë e qelizës së trupit të mikserit nga 9 × \({10}^{-3}\) m në 7 × \({10}^{-3}\) m.Për rrjetat origjinale dhe të rafinuara të turbulencës së dy modeleve, u krahasuan vlerat mesatare të moduleve të shpejtësisë në vende të ndryshme rreth tehut.Diferenca në përqindje ndërmjet rezultateve është 1.73% për modelin SST k–ω dhe 3.51% për modelin IDDES.IDDES tregon një ndryshim në përqindje më të lartë sepse është një model hibrid RANS-LES.Këto dallime u konsideruan të parëndësishme, kështu që simulimi u krye duke përdorur rrjetën origjinale me 2.14 milionë elementë dhe një hap kohor të rrotullimit prej 0.5°.
Riprodhueshmëria e rezultateve eksperimentale u ekzaminua duke kryer secilin nga gjashtë eksperimentet për herë të dytë dhe duke krahasuar rezultatet.Krahasoni vlerat e shpejtësisë në qendër të tehut në dy seri eksperimentesh.Diferenca mesatare në përqindje midis dy grupeve eksperimentale ishte 3.1%.Sistemi PIV gjithashtu u rikalibrua në mënyrë të pavarur për çdo eksperiment.Krahasoni shpejtësinë e llogaritur analitikisht në qendër të çdo tehu me shpejtësinë PIV në të njëjtin vend.Ky krahasim tregon ndryshimin me një gabim në përqindje maksimale prej 6.5% për tehun 1.
Përpara se të përcaktojmë sasinë e faktorit të rrëshqitjes, është e nevojshme të kuptohet shkencërisht koncepti i rrëshqitjes në një flokulator me lopatë, i cili kërkon studimin e strukturës së rrjedhës rreth lopëve të flokulatorit.Konceptualisht, koeficienti i rrëshqitjes është ndërtuar në dizajnin e flokulatorëve me vozis për të marrë parasysh shpejtësinë e tehuve në lidhje me ujin.Literatura rekomandon që kjo shpejtësi të jetë 75% e shpejtësisë së tehut, kështu që shumica e modeleve zakonisht përdorin ak prej 0,25 për të llogaritur këtë rregullim.Kjo kërkon përdorimin e linjave rrjedhëse të shpejtësisë që rrjedhin nga eksperimentet PIV për të kuptuar plotësisht fushën e shpejtësisë së rrjedhës dhe për të studiuar këtë rrëshqitje.Tehu 1 është tehu më i brendshëm më i afërt me boshtin, tehu 3 është tehu më i jashtëm dhe tehu 2 është tehu i mesëm.
Linjat e shpejtësisë në tehun 1 tregojnë një rrjedhje të drejtpërdrejtë rrotulluese rreth tehut.Këto modele rrjedhëse burojnë nga një pikë në anën e djathtë të tehut, midis rotorit dhe tehut.Duke parë zonën e treguar nga kutia me pika të kuqe në Figurën 4a, është interesante të identifikohet një aspekt tjetër i rrjedhës së riqarkullimit mbi dhe rreth tehut.Vizualizimi i rrjedhës tregon pak rrjedhje në zonën e riqarkullimit.Kjo rrjedhje afrohet nga ana e djathtë e tehut në një lartësi prej rreth 6 cm nga fundi i tehut, ndoshta për shkak të ndikimit të tehut të parë të dorës që i paraprin tehut, i cili është i dukshëm në imazh.Vizualizimi i rrjedhës në 4 rpm tregon të njëjtën sjellje dhe strukturë, me sa duket me shpejtësi më të larta.
Fusha e shpejtësisë dhe grafikët e rrymës së tre teheve me dy shpejtësi rrotullimi prej 3 rpm dhe 4 rpm.Shpejtësia mesatare maksimale e tre fletëve në 3 rpm është përkatësisht 0.15 m/s, 0.20 m/s dhe 0.16 m/s, dhe shpejtësia mesatare maksimale në 4 rpm është 0.15 m/s, 0.22 m/s dhe 0.22 m/s. s, respektivisht.në tre fletë.
Një formë tjetër e rrjedhës spirale u gjet midis fletëve 1 dhe 2. Fusha vektoriale tregon qartë se rrjedha e ujit po lëviz lart nga fundi i lopatës 2, siç tregohet nga drejtimi i vektorit.Siç tregohet nga kutia me pika në Fig. 4b, këta vektorë nuk shkojnë vertikalisht lart nga sipërfaqja e tehut, por kthehen djathtas dhe zbresin gradualisht.Në sipërfaqen e tehut 1 dallohen vektorë në rënie, të cilët afrohen të dy tehut dhe i rrethojnë nga rrjedha e riqarkullimit të formuar ndërmjet tyre.E njëjta strukturë rrjedhjeje u përcaktua në të dy shpejtësitë e rrotullimit me një amplitudë shpejtësie më të lartë prej 4 rpm.
Fusha e shpejtësisë së tehut 3 nuk jep një kontribut të rëndësishëm nga vektori i shpejtësisë së tehut të mëparshëm që bashkon rrjedhën poshtë tehut 3. Rrjedha kryesore nën tehun 3 është për shkak të vektorit të shpejtësisë vertikale që ngrihet me ujin.
Vektorët e shpejtësisë mbi sipërfaqen e tehut 3 mund të ndahen në tre grupe, siç tregohet në Fig. 4c.Seti i parë është ai në skajin e djathtë të tehut.Struktura e rrjedhës në këtë pozicion është drejt djathtas dhe lart (dmth. drejt tehut 2).Grupi i dytë është mesi i tehut.Vektori i shpejtësisë për këtë pozicion është i drejtuar drejt lart, pa asnjë devijim dhe pa rrotullim.Ulja e vlerës së shpejtësisë u përcaktua me një rritje në lartësinë mbi fundin e tehut.Për grupin e tretë, i vendosur në periferinë e majtë të teheve, rrjedha drejtohet menjëherë majtas, pra në murin e flokulatorit.Pjesa më e madhe e rrjedhës së përfaqësuar nga vektori i shpejtësisë shkon lart, dhe një pjesë e rrjedhës shkon horizontalisht poshtë.
Dy modele turbulence, SST k–ω dhe IDDES, u përdorën për të ndërtuar profile të shpejtësisë mesatare me kohë për 3 rpm dhe 4 rpm në planin e gjatësisë mesatare të tehut.Siç tregohet në figurën 5, gjendja e qëndrueshme arrihet duke arritur ngjashmëri absolute midis kontureve të shpejtësisë të krijuara nga katër rrotullime të njëpasnjëshme.Përveç kësaj, konturet e shpejtësisë mesatare me kohë të krijuara nga IDDES janë paraqitur në Fig. 6a, ndërsa profilet e shpejtësisë mesatare të gjeneruara nga SST k – ω janë paraqitur në figurën 6a.6b.
Duke përdorur IDDES dhe unazat e shpejtësisë mesatare me kohë të krijuara nga SST k–ω, IDDES ka një përqindje më të lartë të sytheve të shpejtësisë.
Ekzaminoni me kujdes profilin e shpejtësisë të krijuar me IDDES në 3 rpm, siç tregohet në figurën 7. Përzierësi rrotullohet në drejtim të akrepave të orës dhe rrjedha diskutohet sipas shënimeve të paraqitura.
Në fig.7 mund të shihet se në sipërfaqen e tehut 3 në kuadrantin I ka një ndarje të rrjedhës, pasi rrjedha nuk është e kufizuar për shkak të pranisë së vrimës së sipërme.Në kuadrantin II nuk vërehet ndarje e rrjedhës, pasi rrjedha është plotësisht e kufizuar nga muret e flokulatorit.Në kuadrantin III, uji rrotullohet me një shpejtësi shumë më të ulët ose më të ulët se në kuadrantët e mëparshëm.Uji në kuadratet I dhe II lëviz (dmth. rrotullohet ose shtyhet jashtë) poshtë nga veprimi i mikserit.Dhe në kuadrantin III, uji shtyhet jashtë nga tehet e trazuesit.Është e qartë se masa e ujit në këtë vend i reziston mëngës së flokulatorit që afrohet.Rrjedha rrotulluese në këtë kuadrant është plotësisht e ndarë.Për kuadrantin IV, pjesa më e madhe e rrjedhës së ajrit mbi korsinë 3 drejtohet drejt murit të flokulatorit dhe gradualisht humbet madhësinë e tij ndërsa lartësia rritet në hapjen e sipërme.
Përveç kësaj, vendndodhja qendrore përfshin modele komplekse të rrjedhës që dominojnë kuadrantët III dhe IV, siç tregohet nga elipset me pika blu.Kjo zonë e shënuar nuk ka të bëjë fare me rrjedhën rrotulluese në flokulatorin e vozit, pasi lëvizja rrotulluese mund të identifikohet.Kjo është në kontrast me kuadrantët I dhe II ku ka një ndarje të qartë midis rrjedhës së brendshme dhe rrjedhës së plotë rrotulluese.
Siç tregohet në fig.6, duke krahasuar rezultatet e IDDES dhe SST k-ω, ndryshimi kryesor midis kontureve të shpejtësisë është madhësia e shpejtësisë menjëherë nën tehun 3. Modeli SST k-ω tregon qartë se rrjedha e zgjatur me shpejtësi të lartë bartet nga tehu 3 krahasuar me IDDES.
Një ndryshim tjetër mund të gjendet në kuadrantin III.Nga IDDES, siç u përmend më herët, u vu re ndarja e rrjedhës rrotulluese midis krahëve të flokulatorit.Megjithatë, ky pozicion ndikohet fuqishëm nga rrjedha me shpejtësi të ulët nga qoshet dhe pjesa e brendshme e tehut të parë.Nga SST k–ω për të njëjtin vend, linjat e konturit tregojnë shpejtësi relativisht më të larta në krahasim me IDDES sepse nuk ka rrjedhje konfluente nga rajone të tjera.
Kërkohet një kuptim cilësor i fushave dhe linjave të vektorit të shpejtësisë për një kuptim të saktë të sjelljes dhe strukturës së rrjedhës.Duke pasur parasysh se çdo teh është 5 cm i gjerë, shtatë pika shpejtësie u zgjodhën përgjatë gjerësisë për të siguruar një profil të shpejtësisë përfaqësuese.Përveç kësaj, kërkohet një kuptim sasior i madhësisë së shpejtësisë në funksion të lartësisë mbi sipërfaqen e tehut duke vizatuar profilin e shpejtësisë drejtpërdrejt mbi secilën sipërfaqe të tehut dhe në një distancë të vazhdueshme prej 2,5 cm vertikalisht deri në një lartësi prej 10 cm.Shih S1, S2 dhe S3 në figurë për më shumë informacion.Shtojca A. Figura 8 tregon ngjashmërinë e shpërndarjes së shpejtësisë sipërfaqësore të secilës teh (Y = 0.0) e marrë duke përdorur eksperimentet PIV dhe analizën ANSYS-Fluent duke përdorur IDDES dhe SST k-ω.Të dy modelet numerike bëjnë të mundur simulimin e saktë të strukturës së rrjedhës në sipërfaqen e teheve të flokulatorit.
Shpërndarjet e shpejtësisë PIV, IDDES dhe SST k–ω në sipërfaqen e tehut.Boshti x paraqet gjerësinë e secilës fletë në milimetra, me origjinën (0 mm) që përfaqëson periferinë e majtë të fletës dhe fundin (50 mm) përfaqëson periferinë e djathtë të fletës.
Shihet qartë se shpërndarjet e shpejtësisë së tehuve 2 dhe 3 janë paraqitur në Fig.8 dhe Fig.8.S2 dhe S3 në Shtojcën A tregojnë tendenca të ngjashme me lartësinë, ndërsa tehu 1 ndryshon në mënyrë të pavarur.Profilet e shpejtësisë së tehut 2 dhe 3 bëhen krejtësisht të drejta dhe kanë të njëjtën amplitudë në një lartësi prej 10 cm nga fundi i tehut.Kjo do të thotë që rrjedha bëhet uniforme në këtë pikë.Kjo shihet qartë nga rezultatet e PIV, të cilat janë riprodhuar mirë nga IDDES.Ndërkohë, rezultatet SST k–ω tregojnë disa ndryshime, veçanërisht në 4 rpm.
Është e rëndësishme të theksohet se tehu 1 ruan të njëjtën formë të profilit të shpejtësisë në të gjitha pozicionet dhe nuk është normalizuar në lartësi, pasi rrotullimi i formuar në qendër të mikserit përmban tehun e parë të të gjithë krahëve.Gjithashtu, krahasuar me IDDES, profilet e shpejtësisë së tehut PIV 2 dhe 3 treguan vlera pak më të larta shpejtësie në shumicën e vendndodhjeve derisa ato ishin pothuajse të barabarta në 10 cm mbi sipërfaqen e tehut.
Koha e postimit: Dhjetor-27-2022