Tankewol foar it besykjen fan Nature.com.Jo brûke in browserferzje mei beheinde CSS-stipe.Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo in bywurke browser brûke (of kompatibiliteitsmodus útskeakelje yn Internet Explorer).Derneist, om trochgeande stipe te garandearjen, litte wy de side sjen sûnder stilen en JavaScript.
Toant in karrousel fan trije dia's tagelyk.Brûk de knoppen Foarige en Folgjende om troch trije dia's tagelyk te bewegen, of brûk de sliderknoppen oan 'e ein om troch trije dia's tagelyk te bewegen.
Yn dizze stúdzje wurdt de hydrodynamika fan flocculaasje evaluearre troch eksperiminteel en numerike ûndersyk fan it turbulinte streamsnelheidfjild yn in paddle-flocculator op laboratoariumskaal.De turbulente stream dy't dieltsjeaggregaasje of floc-ôfbrekking befoarderet is kompleks en wurdt yn dit papier beskôge en fergelike mei twa turbulinsjemodellen, nammentlik SST k-ω en IDDES.De resultaten litte sjen dat IDDES jout in hiel lytse ferbettering oer SST k-ω, dat is genôch om sekuer simulate stream binnen in paddle flocculator.De fitscore wurdt brûkt om de konverginsje fan PIV- en CFD-resultaten te ûndersykjen, en om de resultaten fan it brûkte CFD-turbulinsjemodel te fergelykjen.De stúdzje rjochtet him ek op it kwantifisearjen fan de slipfaktor k, dy't 0,18 is by lege snelheden fan 3 en 4 rpm yn ferliking mei de gewoane typyske wearde fan 0,25.It ferminderjen fan k fan 0,25 nei 0,18 fergruttet de krêft levere oan 'e floeistof mei sawat 27-30% en fergruttet de snelheidsgradient (G) mei sawat 14%.Dat betsjut dat yntinsiver mingen berikt wurdt as ferwachte, dêrtroch wurdt minder enerzjy ferbrûkt, en dêrom kin it enerzjyferbrûk yn de flockulaasjeienheid fan de drinkwettersuvering leger wêze.
By wettersuvering destabilisearret de tafoeging fan koagulanten lytse kolloïdale dieltsjes en ûnreinheden, dy't dan kombinearje om flokkulaasje te foarmjen yn 'e flokkulaasjestadium.Flakken binne los bûnte fraktale aggregaten fan massa, dy't dan fuorthelle wurde troch te setten.Partikeleigenskippen en floeibere mingbetingsten bepale de effisjinsje fan it flokkulaasje- en behannelingproses.Floculation fereasket stadige agitaasje foar in relatyf koarte tiid en in protte enerzjy om grutte folumes wetter te agitearjen1.
Tidens flokkulaasje bepale de hydrodynamika fan it heule systeem en de skiekunde fan koagulant-partikel-ynteraksje de snelheid wêrmei't in stasjonêre dieltsjegrutte ferdieling wurdt berikt2.As dieltsjes botse, plakke se oan elkoar3.Oyegbile, Ay4 rapportearre dat botsingen binne ôfhinklik fan de flocculation ferfier meganismen fan Brownian diffusion, floeistof shear en differinsjaaloperator delsetting.As de flakken botse, groeie se en berikke in bepaalde grutte limyt, wat kin liede ta brekken, om't de flakken de krêft fan hydrodynamyske krêften net kinne wjerstean5.Guon fan dizze brutsen flakken rekombinearje yn lytsere of deselde grutte6.Sterke flakken kinne lykwols dizze krêft wjerstean en har grutte behâlde en sels groeie7.Yukselen en Gregory8 rapporteare oer stúdzjes dy't relatearre binne oan 'e ferneatiging fan flakken en har fermogen om te regenerearjen, wêrtroch't irreversibiliteit beheind is.Bridgeman, Jefferson9 brûkte CFD om de lokale ynfloed fan gemiddelde stream en turbulinsje te skatten op flokfoarming en fragmintaasje troch lokale snelheidsgradiënten.Yn tanks útrist mei rotor blades, is it nedich om te fariearje de snelheid wêryn de aggregates botsing mei oare dieltsjes as se binne genôch destabilisearre yn de coagulaasje faze.Troch CFD te brûken en legere rotaasjesnelheden fan sawat 15 rpm, wiene Vadasarukkai en Gagnon11 yn steat om G-wearden te berikken foar flokkulaasje mei konyske blêden, en minimalisearje dêrmei enerzjyferbrûk foar agitaasje.Operaasje by hegere G-wearden kin lykwols liede ta flokkulaasje.Se ûndersochten it effekt fan mingsnelheid op it bepalen fan 'e gemiddelde snelheidsgradient fan in pilotpaddle-flocculator.Se draaie mei in snelheid fan mear as 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 brûkte fjouwer ferskillende turbulinsjemodellen om it streamfjild te studearjen op in tanktestbank.Se mjitten it streamfjild mei in laser Doppler anemometer en PIV en fergelike de berekkene resultaten mei de mjitten resultaten.de Oliveira en Donadel13 hawwe in alternative metoade foarsteld foar it skatten fan snelheidsgradiënten út hydrodynamyske eigenskippen mei CFD.De foarstelde metoade waard hifke op seis flokkulaasje-ienheden basearre op helical geometry.beoardiele it effekt fan retensjetiid op flocculants en stelde in flokkulaasjemodel foar dat kin wurde brûkt as in helpmiddel om rasjoneel selûntwerp te stypjen mei lege retinsjetiden14.Zhan, You15 stelde in kombineare CFD- en populaasjebalânsmodel foar om streamkarakteristiken en flocgedrach te simulearjen yn folsleine flockulaasje.Llano-Serna, Coral-Portillo16 ûndersocht de streamkarakteristiken fan in Cox-type hydroflocculator yn in wettersuveringsynstallaasje yn Viterbo, Kolombia.Hoewol CFD syn foardielen hat, binne d'r ek beheiningen lykas numerike flaters yn berekkeningen.Dêrom moatte alle krigen numerike resultaten soarchfâldich ûndersocht en analysearre wurde om krityske konklúzjes te lûken17.D'r binne in pear stúdzjes yn 'e literatuer oer it ûntwerp fan horizontale baffle flocculators, wylst oanbefellings foar it ûntwerp fan hydrodynamyske flocculators beheind binne18.Chen, Liao19 brûkte in eksperimintele opset basearre op 'e fersprieding fan polarisearre ljocht om de steat fan polarisaasje fan ferspraat ljocht fan yndividuele dieltsjes te mjitten.Feng, Zhang20 brûkte Ansys-Fluent om de ferdieling fan eddystreamen en swirl te simulearjen yn it streamfjild fan in koaguleare plaatflokkulator en in inter-corrugated flocculator.Nei it simulearjen fan turbulinte floeistofstream yn in flocculator mei Ansys-Fluent, brûkte Gavi21 de resultaten om de flocculator te ûntwerpen.Vaneli en Teixeira22 melde dat de relaasje tusken de floeistofdynamyk fan spiraalbuisflocculators en it flokkulaasjeproses noch min begrepen is om in rasjoneel ûntwerp te stypjen.de Oliveira en Costa Teixeira23 studearre de effisjinsje en demonstrearren de hydrodynamyske eigenskippen fan 'e spiraalbuis flocculator troch fysika-eksperiminten en CFD-simulaasjes.In protte ûndersikers hawwe studearre spiraalbuisreaktors as spiraalbuisflocculators.Detaillearre hydrodynamyske ynformaasje oer it antwurd fan dizze reaktors op ferskate ûntwerpen en bedriuwsbetingsten ûntbrekt lykwols noch (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira en Teixeira26 presintearje orizjinele resultaten fan teoretyske, eksperimintele en CFD-simulaasjes fan in spiraalflocculator.Oliveira en Teixeira27 stelden foar om in spiraalspul te brûken as in koagulaasje-flocculation-reaktor yn kombinaasje mei in konvinsjoneel dekantersysteem.Se rapportearje dat de resultaten krigen foar effisjinsje foar ferwidering fan turbiditeit signifikant ferskille fan dy krigen mei gewoan brûkte modellen foar it evaluearjen fan flokkulaasje, wat suggerearret foarsichtigens by it brûken fan sokke modellen.Moruzzi en de Oliveira [28] modelearre it gedrach fan in systeem fan trochgeande flocculation keamers ûnder ferskate bestjoeringssysteem omstannichheden, ynklusyf fariaasjes yn it oantal keamers brûkt en it brûken fan fêste of skalearre sel snelheid gradients.Romphophak, Le Men29 PIV mjittingen fan instantaneous snelheden yn quasi-twa-diminsjonale jetreinigers.Se fûnen sterke jet-induzearre sirkulaasje yn 'e flocculation sône en skatte lokale en instantaneous shear tariven.
Shah, Joshi30 rapportearje dat CFD in nijsgjirrich alternatyf biedt foar it ferbetterjen fan ûntwerpen en it krijen fan firtuele streamkarakteristiken.Dit helpt om wiidweidige eksperimintele opstellingen te foarkommen.CFD wurdt hieltyd mear brûkt om wetter- en ôffalwettersuveringsplanten te analysearjen (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Ferskate ûndersikers hawwe eksperiminten útfierd op apparatuer foar testen fan blikjes (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) en perforearre disc-flocculators31.Oaren hawwe CFD brûkt om hydroflocculators te evaluearjen (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 rapportearre dat meganyske flocculators regelmjittich ûnderhâld fereaskje, om't se faak ôfbrekke en in protte elektrisiteit nedich binne.
De prestaasjes fan in paddle flocculator is tige ôfhinklik fan de hydrodynamika fan it reservoir.It gebrek oan kwantitatyf begryp fan 'e streamsnelheidsfjilden yn sokke flocculators wurdt dúdlik opmurken yn' e literatuer (Howe, Hand38; Hendricks39).De hiele wettermassa is ûnderwurpen oan 'e beweging fan' e flocculator-waaier, dus slip wurdt ferwachte.Typysk, de floeistof snelheid is minder as de blade snelheid troch de slip faktor k, dat wurdt definiearre as de ferhâlding fan de snelheid fan it lichem fan wetter oan de snelheid fan de paddle tsjil.Bhole40 rapportearre dat d'r trije ûnbekende faktoaren binne om te beskôgjen by it ûntwerpen fan in flocculator, nammentlik de snelheidsgradient, de dragkoëffisjint en de relative snelheid fan it wetter relatyf oan it blêd.
Camp41 meldt dat by it beskôgjen fan hege snelheid masines, de snelheid is oer 24% fan de rotor snelheid en sa heech as 32% foar lege snelheid masines.By it ûntbrekken fan septa brûkten Droste en Ger42 ak-wearde fan 0,25, wylst yn it gefal fan septa k rûn fan 0 oant 0,15.Howe, Hand38 suggerearret dat k yn it berik fan 0,2 oant 0,3 is.Hendrix39 relatearre de slipfaktor oan rotaasjesnelheid mei in empiryske formule en konkludearre dat de slipfaktor ek binnen it berik wie fêststeld troch Camp41.Bratby43 rapportearre dat k is oer 0,2 foar waaier faasjes út 1,8 oan 5,4 rpm en ferheget nei 0,35 foar waaier faasjes út 0,9 oan 3 rpm.Oare ûndersikers rapportearje in breed oanbod fan dragkoëffisjint (Cd) wearden fan 1,0 oant 1,8 en slipkoëffisjint k wearden fan 0,25 oant 0,40 (Feir en Geyer44; Hyde en Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; en Bratby en Marais48 ).De literatuer lit gjin signifikante foarútgong sjen yn it definiearjen en kwantifisearjen fan k sûnt Camp41's wurk.
It flokkulaasjeproses is basearre op turbulinsje om botsingen te fasilitearjen, wêrby't de snelheidsgradient (G) brûkt wurdt om turbulinsje / flokkulaasje te mjitten.Mingjen is it proses fan fluch en gelijkmatig fersprieden fan gemikaliën yn wetter.De mjitte fan mingen wurdt metten troch de snelheidsgradient:
dêr't G = snelheid gradient (sek-1), P = macht input (W), V = folume fan wetter (m3), μ = dynamyske viscosity (Pa s).
Hoe heger de G-wearde, hoe mear mingd.Tige mingen is essensjeel om unifoarme koagulaasje te garandearjen.De literatuer jout oan dat de wichtichste ûntwerpparameters mingtiid (t) en snelheidsgradient (G) binne.It flokkulaasjeproses is basearre op turbulinsje om botsingen te fasilitearjen, wêrby't de snelheidsgradient (G) brûkt wurdt om turbulinsje / flokkulaasje te mjitten.Typyske ûntwerpwearden foar G binne 20 oant 70 s–1, t is 15 oant 30 minuten, en Gt (dimensjeleas) is 104 oant 105. Fastmixtanks wurkje it bêste mei G-wearden fan 700 oant 1000, mei tiidferbliuw oer 2 minuten.
wêrby't P de krêft is dy't troch elk flocculatorblêd oan 'e floeistof wurdt jûn, N is de rotaasjesnelheid, b is de lingte fan it blêd, ρ is de wettertichtens, r is de straal, en k is de slipkoëffisjint.Dizze fergeliking wurdt tapast op elk blêd yndividueel en de resultaten wurde gearfette te jaan de totale macht ynfier fan de flocculator.In soarchfâldige stúdzje fan dizze fergeliking toant it belang fan de slip faktor k yn it ûntwerp proses fan in paddle flocculator.De literatuer jout net de krekte wearde fan k oan, mar advisearret ynstee in berik lykas earder sein.De relaasje tusken de macht P en de slipkoëffisjint k is lykwols kubysk.Sa, op betingst dat alle parameters binne itselde, bygelyks, feroarjen k út 0,25 oan 0,3 sil liede ta in fermindering fan de macht oerdroegen oan de floeistof per blêd troch likernôch 20%, en it ferminderjen fan k út 0,25 oan 0,18 sil tanimme har.troch oer 27-30% per vane De krêft oan 'e floeistof.Uteinlik moat it effekt fan k op duorsum paddle-flocculator-ûntwerp ûndersocht wurde troch technyske kwantifikaasje.
Akkurate empiryske kwantifikaasje fan slipping fereasket streamfisualisaasje en simulaasje.Dêrom is it wichtich om te beskriuwen de tangential snelheid fan it blêd yn wetter op in bepaalde rotational snelheid op ferskillende radiale ôfstannen fan 'e skacht en op ferskillende djipten fan it wetter oerflak om te evaluearjen it effekt fan ferskillende blade posysjes.
Yn dizze stúdzje wurdt de hydrodynamika fan flocculaasje evaluearre troch eksperiminteel en numerike ûndersyk fan it turbulinte streamsnelheidfjild yn in paddle-flocculator op laboratoariumskaal.De PIV-mjittingen wurde opnommen op 'e flocculator, it meitsjen fan tiidgemiddelde snelheidskonturen dy't de snelheid fan wetterpartikels om' e blêden sjen litte.Derneist waard ANSYS-Fluent CFD brûkt om de swirljende stream yn 'e flocculator te simulearjen en tiidgemiddelde snelheidskonturen te meitsjen.It resultearjende CFD-model waard befêstige troch it evaluearjen fan de korrespondinsje tusken de PIV- en CFD-resultaten.De fokus fan dit wurk leit op it kwantifisearjen fan de slip koëffisjint k, dat is in dimensionless design parameter fan in paddle flocculator.It hjir presintearre wurk jout in nije basis foar it kwantifisearjen fan de slip koëffisjint k by lege snelheden fan 3 rpm en 4 rpm.De gefolgen fan 'e resultaten drage direkt by oan in better begryp fan' e hydrodynamika fan 'e flockulaasjetank.
De laboratoarium flocculator bestiet út in iepen top rjochthoekige doaze mei in totale hichte fan 147 sm, in hichte fan 39 sm, in totale breedte fan 118 sm, en in totale lingte fan 138 sm (fig. 1).De haadûntwerpkritearia ûntwikkele troch Camp49 waarden brûkt om in paddle-flocculator op laboratoariumskaal te ûntwerpen en de prinsipes fan dimensjeanalyse ta te passen.De eksperimintele foarsjenning waard boud by it Environmental Engineering Laboratory fan 'e Lebanese American University (Byblos, Libanon).
De horizontale as leit op in hichte fan 60 sm fan 'e boaiem en biedt plak foar twa paddle-tsjillen.Elts paddle tsjil bestiet út 4 paddles mei 3 paddles op elke paddle foar in totaal fan 12 paddles.Flocculation fereasket sêfte agitaasje by in lege snelheid fan 2 oant 6 rpm.De meast foarkommende mingsnelheden yn flocculators binne 3 rpm en 4 rpm.De flocculatorstream op laboratoariumskaal is ûntworpen om de stream te fertsjintwurdigjen yn it flocculatietankfak fan in drinkwettersuveringsynstallaasje.Macht wurdt berekkene mei de tradisjonele fergeliking 42.Foar beide rotaasjesnelheden is de snelheidsgradient \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) grutter dan 10 \({\text{sek}}^{-{1}}\) , It Reynolds-nûmer jout turbulinte stream oan (tabel 1).
PIV wurdt brûkt foar it realisearjen fan krekte en kwantitative mjittingen fan floeibere snelheid vectoren tagelyk op in hiel grut oantal punten50.De eksperimintele opset omfette in lab-skaal paddle-flocculator, in LaVision PIV-systeem (2017), en in Arduino eksterne lasersensor-trigger.Om tiidgemiddelde snelheidsprofilen te meitsjen, waarden PIV-ôfbyldings sequentieel op deselde lokaasje opnommen.It PIV-systeem wurdt sa kalibrearre dat it doelgebiet op it middenpunt is fan 'e lingte fan elk fan' e trije blêden fan in bepaalde paddlearm.De eksterne trekker bestiet út in laser leit oan de iene kant fan de flocculator breedte en in sensor ûntfanger oan de oare kant.Elke kear as de flocculatorarm it laserpaad blokkearret, wurdt in sinjaal nei it PIV-systeem stjoerd om in byld te meitsjen mei de PIV-laser en kamera syngronisearre mei in programmabele timing-ienheid.Op fig.2 toant de ynstallaasje fan it PIV-systeem en it proses fan ôfbyldingswinning.
De opname fan PIV waard begon nei't de flocculator foar 5-10 min operearre waard om de stream te normalisearjen en itselde brekingsyndeksfjild te rekkenjen.Kalibraasje wurdt berikt troch it brûken fan in kalibraasje plaat ûnderdompele yn 'e flocculator en pleatst op' e midpoint fan 'e lingte fan it blêd fan belang.Pas de posysje fan 'e PIV-laser oan om in plat ljochtblêd direkt boppe de kalibraasjeplaat te foarmjen.Record de mjitten wearden foar elke rotaasjesnelheid fan elk blêd, en de rotaasjesnelheden keazen foar it eksperimint binne 3 rpm en 4 rpm.
Foar alle PIV-opnames waard it tiidynterval tusken twa laserpulsen ynsteld yn it berik fan 6900 oant 7700 µs, wat in minimale dieltsjeferpleatsing fan 5 piksels koe.Pilottests waarden útfierd op it oantal ôfbyldings nedich om krekte tiidgemiddelde mjittingen te krijen.Vectorstatistiken waarden fergelike foar samples mei 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 en 280 ôfbyldings.In stekproefgrutte fan 240 ôfbyldings waard fûn om stabile tiidgemiddelde resultaten te jaan, jûn dat elke ôfbylding bestiet út twa frames.
Om't de stream yn 'e flocculator turbulint is, binne in lyts fraachfinster en in grut oantal dieltsjes nedich om lytse turbulinte struktueren op te lossen.Ferskate iteraasjes fan reduksje fan grutte wurde tapast tegearre mei in krúskorrelaasjealgoritme om krektens te garandearjen.In earste polling finstergrutte fan 48 × 48 piksels mei 50% oerlaap en ien oanpassingsproses waard folge troch in lêste pollingfinstergrutte fan 32 × 32 piksels mei 100% oerlaap en twa oanpassingsprosessen.Dêrnjonken waarden glêzen holle bollen brûkt as sieddieltsjes yn 'e stream, wêrtroch't op syn minst 10 dieltsjes per pollingfinster tastien wiene.PIV-opname wurdt trigger troch in triggerboarne yn in Programmierbare Timing Unit (PTU), dy't ferantwurdlik is foar it operearjen en syngronisearjen fan de laserboarne en de kamera.
It kommersjele CFD-pakket ANSYS Fluent v 19.1 waard brûkt om it 3D-model te ûntwikkeljen en de basisstreamfergelikingen op te lossen.
Mei ANSYS-Fluent waard in 3D-model makke fan in paddle-flocculator op laboratoariumskaal.It model is makke yn 'e foarm fan in rjochthoekige doaze, besteande út twa paddle tsjillen fêstmakke op in horizontale as, lykas it laboratoarium model.It model sûnder freeboard is 108 sm heech, 118 sm breed en 138 sm lang.In horizontaal silindrysk fleantúch is tafoege om de mixer.Sylindryske fleanmasine generaasje moat útfiere de rotaasje fan de hiele mixer yn de ynstallaasje faze en simulearje de rotearjende stream fjild binnen de flocculator, lykas werjûn yn figuer 3a.
3D ANSYS-fluent en model geometry diagram, ANSYS-fluent flocculator lichem mesh op it fleantúch fan belang, ANSYS-fluent diagram op it fleantúch fan belang.
De mjitkunde fan it model bestiet út twa regio's, elk fan dat is in floeistof.Dit wurdt berikt mei de logyske subtraksjefunksje.Trek earst de silinder (ynklusyf mixer) út 'e doaze om de flüssigens foar te stellen.Dan subtract de mixer út de silinder, resultearret yn twa objekten: de mixer en de floeistof.Uteinlik waard in sliding ynterface tapast tusken de twa gebieten: in silinder-silinder ynterface en in silinder-mixer ynterface (figuer 3a).
De meshing fan 'e konstruearre modellen is foltôge om te foldwaan oan' e easken fan 'e turbulinsjemodellen dy't sille wurde brûkt om de numerike simulaasjes út te fieren.In unstrukturearre gaas mei útwreide lagen tichtby it fêste oerflak waard brûkt.Meitsje útwreidingslagen foar alle muorren mei in groeisnelheid fan 1,2 om te soargjen dat komplekse streampatroanen wurde fêstlein, mei in earste laachdikte fan \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m om te soargjen dat \ ({\text {y))^{+}\le 1.0\).De lichemsgrutte wurdt oanpast mei de tetraëder-oanpassingsmetoade.In frontsidegrutte fan twa ynterfaces mei in elemintgrutte fan 2,5 × \({10}^{-3}\) m wurdt makke, en in mixerfrontgrutte fan 9 × \({10}^{-3}\) m wurdt tapast.De earste generearre mesh bestie út 2144409 eleminten (fig. 3b).
In twa-parameter k-ε turbulinsjemodel waard keazen as it earste basismodel.Om de swirljende stream yn 'e flocculator sekuer te simulearjen, waard in mear berekkeningsdjoer model keazen.De turbulinte swirljende stream yn 'e flocculator waard numearysk ûndersocht mei twa CFD-modellen: SST k-ω51 en IDDES52.De resultaten fan beide modellen waarden fergelike mei eksperimintele PIV-resultaten om de modellen te validearjen.Earst is it SST k-ω turbulinsjemodel in turbulinte viskositeitsmodel mei twa fergelikingen foar floeistofdynamika-applikaasjes.Dit is in hybride model dat de Wilcox k-ω- en k-ε-modellen kombinearret.De mingfunksje aktivearret it Wilcox-model tichtby de muorre en it k-ε-model yn 'e oankommende stream.Dit soarget derfoar dat it juste model yn it hiele streamfjild brûkt wurdt.It foarseit sekuer streamôfskieding fanwegen neidielige drukgradiënten.Twad, de Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) metoade, in protte brûkt yn it Individual Eddy Simulation (DES) model mei it SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) model, waard selektearre.IDDES is in hybride RANS-LES (grutte eddy simulaasje) model dat soarget foar in mear fleksibele en brûker-freonlik resolúsje skaalfergrutting (SRS) simulaasje model.It is basearre op it LES-model om grutte eddys op te lossen en giet werom nei SST k-ω om eddies op lytse skaal te simulearjen.Statistyske analyzes fan 'e resultaten fan' e SST k-ω en IDDES-simulaasjes waarden fergelike mei de PIV-resultaten om it model te falidearjen.
In twa-parameter k-ε turbulinsjemodel waard keazen as it earste basismodel.Om de swirljende stream yn 'e flocculator sekuer te simulearjen, waard in mear berekkeningsdjoer model keazen.De turbulinte swirljende stream yn 'e flocculator waard numearysk ûndersocht mei twa CFD-modellen: SST k-ω51 en IDDES52.De resultaten fan beide modellen waarden fergelike mei eksperimintele PIV-resultaten om de modellen te validearjen.Earst is it SST k-ω turbulinsjemodel in turbulinte viskositeitsmodel mei twa fergelikingen foar floeistofdynamika-applikaasjes.Dit is in hybride model dat de Wilcox k-ω- en k-ε-modellen kombinearret.De mingfunksje aktivearret it Wilcox-model tichtby de muorre en it k-ε-model yn 'e oankommende stream.Dit soarget derfoar dat it juste model yn it hiele streamfjild brûkt wurdt.It foarseit sekuer streamôfskieding fanwegen neidielige drukgradiënten.Twad, de Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) metoade, in protte brûkt yn it Individual Eddy Simulation (DES) model mei it SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) model, waard selektearre.IDDES is in hybride RANS-LES (grutte eddy simulaasje) model dat soarget foar in mear fleksibele en brûker-freonlik resolúsje skaalfergrutting (SRS) simulaasje model.It is basearre op it LES-model om grutte eddys op te lossen en giet werom nei SST k-ω om eddies op lytse skaal te simulearjen.Statistyske analyzes fan 'e resultaten fan' e SST k-ω en IDDES-simulaasjes waarden fergelike mei de PIV-resultaten om it model te falidearjen.
Brûk in druk-basearre transient solver en brûk swiertekrêft yn 'e Y-rjochting.Rotaasje wurdt berikt troch it tawizen fan in gaasbeweging oan 'e mixer, wêr't de oarsprong fan' e rotaasje-as yn it sintrum fan 'e horizontale as is en de rjochting fan' e rotaasje-as is yn 'e Z-rjochting.In mesh ynterface wurdt makke foar beide model geometry ynterfaces, resultearret yn twa grinzen doaze rânen.Lykas yn 'e eksperimintele technyk komt de rotaasjesnelheid oerien mei 3 en 4 revolúsjes.
De grinsbetingsten foar de muorren fan 'e mixer en de flocculator waarden ynsteld troch de muorre, en de boppeste iepening fan' e flocculator waard ynsteld troch de outlet mei nul gauge druk (Fig. 3c).SIMPLE druk-snelheid kommunikaasje skema, diskretisaasje fan de gradient romte fan twadde-order funksjes mei alle parameters basearre op minste kwadraten eleminten.It konverginsjekriterium foar alle streamfariabelen is it skalearre residueel 1 x \({10}^{-3}\).It maksimum oantal iteraasjes per tiidstap is 20, en de tiidstapgrutte komt oerien mei in rotaasje fan 0,5 °.De oplossing konvergeart by de 8e iteraasje foar it SST k–ω-model en by de 12e iteraasje mei IDDES.Derneist waard it oantal tiidstappen berekkene sadat de mixer op syn minst 12 revolúsjes makke.Tapasse gegevens sampling foar tiidstatistiken nei 3 rotaasjes, wêrtroch normalisaasje fan 'e stream mooglik is, fergelykber mei de eksperimintele proseduere.It fergelykjen fan de útfier fan de snelheid loops foar eltse revolúsje jout krekt deselde resultaten foar de lêste fjouwer revolúsjes, wat oanjout dat in fêste steat is berikt.De ekstra toeren ferbettere de kontoeren fan medium snelheid net.
De tiidstap wurdt definiearre yn relaasje ta de rotaasjesnelheid, 3 rpm of 4 rpm.De tiidstap wurdt ferfine nei de tiid dy't nedich is om de mixer mei 0,5 ° te draaien.Dit blykt genôch te wêzen, om't de oplossing maklik konvergeart, lykas beskreaun yn 'e foarige paragraaf.Sa waarden alle numerike berekkeningen foar beide turbulinsjemodellen útfierd mei in wizige tiidstap fan 0.02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) foar 3 rpm, 0.0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.Foar in opjûne ferfiningstiidstap is it Courant-nûmer fan in sel altyd minder dan 1,0.
Om de ôfhinklikens fan model-mesh te ferkennen, waarden resultaten earst krigen mei it orizjinele 2.14M mesh en dan it ferfine 2.88M mesh.Gridferfining wurdt berikt troch it ferminderjen fan de selgrutte fan it mixerlichem fan 9 × \({10}^{-3}\) m nei 7 × \({10}^{-3}\) m.Foar de orizjinele en ferfine mazen fan 'e twa modellen turbulinsje waarden de gemiddelde wearden fan' e snelheidsmodules op ferskate plakken om it blêd fergelike.It persintaazje ferskil tusken de resultaten is 1,73% foar it SST k–ω-model en 3,51% foar it IDDES-model.IDDES toant in heger persintaazje ferskil omdat it is in hybride RANS-LES model.Dizze ferskillen waarden as ûnbelangryk beskôge, sadat de simulaasje waard útfierd mei it orizjinele gaas mei 2,14 miljoen eleminten en in rotaasjetiidstap fan 0,5 °.
De reprodusearberens fan 'e eksperimintele resultaten waard ûndersocht troch elk fan' e seis eksperiminten in twadde kear út te fieren en de resultaten te fergelykjen.Fergelykje de snelheidswearden yn it sintrum fan it blêd yn twa searjes fan eksperiminten.It gemiddelde persintaazje ferskil tusken de twa eksperimintele groepen wie 3,1%.It PIV-systeem waard ek ûnôfhinklik opnij kalibreare foar elk eksperimint.Fergelykje de analytysk berekkene snelheid yn it sintrum fan elke blêd mei de PIV-snelheid op deselde lokaasje.Dizze fergeliking lit it ferskil sjen mei in maksimum persintaazje flater fan 6,5% foar blêd 1.
Foardat jo de slipfaktor kwantifisearje, is it needsaaklik om it konsept fan slip yn in paddle-flocculator wittenskiplik te begripen, dat fereasket it bestudearjen fan 'e streamstruktuer om' e paddles fan 'e flocculator.Konseptueel is de slipkoëffisjint ynboud yn it ûntwerp fan paddle-flocculators om rekken te hâlden mei de snelheid fan 'e blêden relatyf oan it wetter.De literatuer advisearret dat dizze snelheid 75% fan 'e blêdsnelheid is, sadat de measte ûntwerpen typysk ak fan 0,25 brûke om dizze oanpassing te rekkenjen.Dit fereasket it brûken fan snelheid streamlines ôflaat fan PIV eksperiminten foar in folslein begripe de stream snelheid fjild en studearje dizze slip.Blade 1 is it binnenste blade tichtst by de skacht, blade 3 is it bûtenste blade, en blade 2 is it middelste blade.
De snelheid streamlines op blêd 1 toant in direkte rotearjende stream om it blêd.Dizze flow patroanen komme út in punt oan de rjochterkant fan it blêd, tusken de rotor en it blêd.Sjoch op it gebiet oanjûn troch de reade dotted doaze yn figuer 4a, it is nijsgjirrich om te identifisearjen in oar aspekt fan de recirkulaasje stream boppe en om it blêd.Flowfisualisaasje toant lytse stream yn 'e recirkulaasjesône.Dizze stream komt fanôf de rjochterkant fan it blêd op in hichte fan sa'n 6 sm fan 'e ein fan' e blêd, mooglik troch de ynfloed fan it earste blêd fan 'e hân dat it blêd foarôfgiet, dat op 'e ôfbylding te sjen is.Flowfisualisaasje by 4 rpm lit itselde gedrach en struktuer sjen, blykber mei hegere snelheden.
Velocity fjild en hjoeddeistige grafiken fan trije blêden by twa rotaasje faasjes fan 3 rpm en 4 rpm.De maksimale gemiddelde snelheid fan de trije blêden by 3 rpm is respektivelik 0,15 m/s, 0,20 m/s en 0,16 m/s, en de maksimale gemiddelde snelheid by 4 rpm is 0,15 m/s, 0,22 m/s en 0,22 m/s s, respektivelik.op trije blêden.
In oare foarm fan spiraalfoarmige stream waard fûn tusken fanes 1 en 2. It vektorfjild lit dúdlik sjen dat de wetterstream nei boppen beweecht fan 'e boaiem fan vaan 2, lykas oanjûn troch de rjochting fan' e fektor.Lykas werjûn troch de stippele doaze yn figuer 4b, dizze vectoren net gean fertikaal omheech út it blade oerflak, mar draaie nei rjochts en stadichoan del.Op it oerflak fan 'e blêd 1 wurde nei ûnderen fektors ûnderskieden, dy't beide blêden benaderje en har omhingje fan' e recirkulaasjestream dy't tusken har foarme is.Deselde streamstruktuer waard bepaald by beide rotaasjesnelheden mei in hegere snelheidsamplitude fan 4 rpm.
It snelheidsfjild fan blêd 3 makket gjin wichtige bydrage fan 'e snelheidsvektor fan' e foarige blêd dy't by de stream ûnder blêd 3 komt. De haadstream ûnder blêd 3 komt troch de fertikale snelheidsvektor dy't mei it wetter opkomt.
De snelheid vectors oer it oerflak fan it blêd 3 kin wurde ferdield yn trije groepen, lykas werjûn yn figuer 4c.De earste set is de iene oan de rjochterkant fan it blêd.De streamstruktuer yn dizze posysje is rjocht nei rjochts en omheech (dus nei blade 2).De twadde groep is it midden fan it blêd.De snelheidsvektor foar dizze posysje is rjocht omheech, sûnder ôfwiking en sûnder rotaasje.De ôfname fan 'e snelheidswearde waard bepaald mei in ferheging fan' e hichte boppe it ein fan 'e blêd.Foar de tredde groep, leit oan 'e lofter perifery fan' e blêden, wurdt de stream fuortdaliks rjochte nei lofts, dus nei de muorre fan 'e flocculator.It grutste part fan de stream fertsjintwurdige troch de snelheid vector giet omheech, en in part fan de stream giet horizontaal del.
Twa turbulinsjemodellen, SST k–ω en IDDES, waarden brûkt om tiidgemiddelde snelheidsprofilen te konstruearjen foar 3 rpm en 4 rpm yn it mes gemiddelde lingteflak.Lykas werjûn yn figuer 5, wurdt steady state berikt troch it realisearjen fan absolute oerienkomst tusken de snelheid kontoeren makke troch fjouwer opienfolgjende rotations.Dêrneist, de tiid-gemiddelde snelheid kontoeren generearre troch IDDES werjûn yn figuer 6a, wylst de tiid-gemiddelde snelheid profilen oanmakke troch SST k - ω werjûn yn figuer 6a.6b.
Mei help fan IDDES en tiid-gemiddelde snelheid loops oanmakke troch SST k–ω, IDDES hat in heger oanpart fan snelheid loops.
Foarsichtich ûndersiikje de snelheid profyl makke mei IDDES by 3 rpm lykas werjûn yn figuer 7. De mixer draait mei de klok yn en de stream wurdt besprutsen neffens de oantekeningen werjûn.
Op fig.7 kin sjoen wurde dat op it oerflak fan it blêd 3 yn it I kwadrant is der in skieding fan de stream, sûnt de stream wurdt net beheind troch de oanwêzigens fan it boppeste gat.Yn kwadrant II wurdt gjin skieding fan 'e stream waarnommen, om't de stream folslein beheind wurdt troch de muorren fan' e flocculator.Yn kwadrant III draait it wetter mei in folle legere of legere snelheid as yn de foarige kwadranten.It wetter yn kwadranten I en II wurdt ferpleatst (dus draaid of útdrukt) nei ûnderen troch de aksje fan de mixer.En yn kwadrant III wurdt it wetter útstutsen troch de blêden fan 'e agitator.It is dúdlik dat de wettermassa op dit plak de oankommende flocculator-sleeve ferset.De rotearjende stream yn dit kwadrant is folslein skieden.Foar kwadrant IV is it grutste part fan 'e luchtstream boppe vane 3 rjochte nei de flocculator muorre en stadichoan ferliest syn grutte as de hichte tanimt nei de top iepening.
Dêrnjonken omfettet de sintrale lokaasje komplekse streampatroanen dy't de kwadranten III en IV dominearje, lykas sjen litten troch de blauwe stippele ellipsen.Dit markearre gebiet hat neat te krijen mei de swirljende stream yn 'e paddle-flocculator, om't de swirljende beweging kin wurde identifisearre.Dit is yn tsjinstelling ta kwadranten I en II dêr't der in dúdlike skieding tusken ynterne stream en folsleine rotational flow.
As werjûn yn fig.6, fergelykje de resultaten fan IDDES en SST k-ω, it wichtichste ferskil tusken de snelheid kontoeren is de grutte fan 'e snelheid direkt ûnder blade 3. De SST k-ω model dúdlik sjen litte dat útwreide hege-snelheid stream wurdt droegen troch blade 3. ferlike mei IDDES.
In oar ferskil kin fûn wurde yn kwadrant III.Fan 'e IDDES, lykas earder neamd, waard rotational flow skieding tusken de flocculator earms opmurken.Lykwols, dizze posysje wurdt sterk beynfloede troch de lege snelheid stream fan 'e hoeken en it ynterieur fan' e earste blêd.Fanút SST k–ω foar deselde lokaasje litte de kontoerlinen relatyf hegere snelheden sjen yn ferliking mei IDDES, om't der gjin gearrinnende stream is út oare regio's.
In kwalitatyf begryp fan de snelheid vector fjilden en streamlines is nedich foar in korrekt begripe de stream gedrach en struktuer.Jûn dat elk blêd 5 sm breed is, waarden sân snelheidspunten oer de breedte keazen om in represintatyf snelheidsprofyl te jaan.Dêrnjonken is in kwantitatyf begryp fan 'e grutte fan' e snelheid as funksje fan 'e hichte boppe it blêd oerflak nedich troch it plotten fan it snelheidsprofyl direkt oer elk blêdflak en oer in trochgeande ôfstân fan 2,5 sm fertikaal oant in hichte fan 10 sm.Sjoch S1, S2 en S3 yn de figuer foar mear ynformaasje.Taheakke A. figuer 8 toant de oerienkomst fan it oerflak snelheid ferdieling fan elk blade (Y = 0,0) krigen mei help fan PIV eksperiminten en ANSYS-Fluent analyze mei help fan IDDES en SST k-ω.Beide numerike modellen meitsje it mooglik om sekuer simulearje de stream struktuer op it oerflak fan de flocculator blêden.
Velocity distribúsjes PIV, IDDES en SST k–ω op it blêd oerflak.De x-as stiet foar de breedte fan elk blêd yn millimeters, mei de oarsprong (0 mm) dy't de linker perifery fan it blêd stiet en it ein (50 mm) de rjochterperiphery fan it blêd.
It is dúdlik te sjen dat de snelheid ferdielingen fan de blêden 2 en 3 wurde werjûn yn Fig. 8 en Fig.S2 en S3 yn taheakke A toant ferlykbere trends mei hichte, wylst blade 1 feroaret ûnôfhinklik.De snelheidsprofilen fan blêden 2 en 3 wurde perfekt rjocht en hawwe deselde amplitude op in hichte fan 10 sm fan 'e ein fan it blêd.Dit betsjut dat de stream op dit punt unifoarm wurdt.Dit is dúdlik te sjen fan 'e PIV-resultaten, dy't goed wurde reprodusearre troch IDDES.Underwilens litte de resultaten fan SST k–ω wat ferskillen sjen, benammen by 4 rpm.
It is wichtich om te merken dat blade 1 behâldt deselde foarm fan de snelheid profyl yn alle posysjes en wurdt net normalisearre yn hichte, sûnt de swirl foarme yn it sintrum fan 'e mixer befettet de earste blade fan alle earms.Ek, yn fergeliking mei IDDES, lieten PIV-bladsnelheidsprofilen 2 en 3 wat hegere snelheidswearden sjen op de measte lokaasjes oant se hast gelyk wiene op 10 sm boppe it blêd oerflak.
Post tiid: Dec-27-2022