Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Olyan böngészőverziót használ, amely korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Ezenkívül a folyamatos támogatás érdekében stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg az oldalt.
Egyszerre három diából álló körhinta jeleníti meg.Az Előző és a Következő gombokkal egyszerre három dián lépkedhet, vagy a végén lévő csúszkagombokkal egyszerre három dián.
Ebben a tanulmányban a flokkuláció hidrodinamikáját a turbulens áramlási sebességmező kísérleti és numerikus vizsgálatával értékeljük laboratóriumi méretű lapátos flokkulátorban.A részecskék aggregációját vagy a pelyhesedést elősegítő turbulens áramlás összetett, és ebben a cikkben két turbulenciamodell, nevezetesen az SST k-ω és az IDDES segítségével vizsgáljuk és hasonlítjuk össze.Az eredmények azt mutatják, hogy az IDDES nagyon kis javulást biztosít az SST k-ω-hoz képest, ami elegendő a lapátos flokkulátoron belüli áramlás pontos szimulálásához.Az illeszkedési pontszámot a PIV és a CFD eredmények konvergenciájának vizsgálatára, valamint az alkalmazott CFD turbulencia modell eredményeinek összehasonlítására használjuk.A tanulmány a k csúszási tényező számszerűsítésére is összpontosít, amely 0,18 alacsony, 3 és 4 ford/perc fordulatszámon, szemben a szokásos tipikus 0,25-ös értékkel.A k értékének 0,25-ről 0,18-ra való csökkentése körülbelül 27-30%-kal növeli a folyadéknak leadott teljesítményt, és körülbelül 14%-kal növeli a sebességgradienst (G).Ez azt jelenti, hogy a vártnál intenzívebb keveredés érhető el, ezáltal kevesebb energia fogy, így az ivóvíztisztító telep flokkulációs egységében is kisebb lehet az energiafelhasználás.
A víztisztítás során a koagulánsok hozzáadása destabilizálja a kis kolloid részecskéket és szennyeződéseket, amelyek azután a pelyhesedés szakaszában flokkulációt képeznek.A pelyhek lazán kötött fraktál tömegaggregátumok, amelyeket aztán ülepítéssel eltávolítanak.A részecskék tulajdonságai és a folyadékkeverési körülmények határozzák meg a flokkulációs és kezelési folyamat hatékonyságát.A flokkuláció viszonylag rövid ideig tartó lassú keverést és sok energiát igényel nagy mennyiségű víz felkeveréséhez1.
A flokkuláció során a teljes rendszer hidrodinamikája és a koaguláns-részecske kölcsönhatás kémiája határozza meg, hogy milyen sebességgel valósul meg a stacionárius részecskeméret-eloszlás2.Amikor a részecskék összeütköznek, egymáshoz tapadnak3.Oyegbile, Ay4 arról számolt be, hogy az ütközések a Brown-diffúzió flokkulációs transzportmechanizmusaitól, a folyadék nyírásától és a differenciális ülepedéstől függenek.Amikor a pelyhek összeütköznek, megnőnek és elérnek egy bizonyos mérethatárt, ami töréshez vezethet, mivel a pelyhek nem képesek ellenállni a hidrodinamikai erőknek5.Ezen törött pelyhek egy része kisebbre vagy azonos méretűre kombinálódik6.Az erős pelyhek azonban ellenállnak ennek az erőnek, megtartják méretüket, sőt még növekednek is7.Yukselen és Gregory8 a pelyhek elpusztulásával és regenerálódási képességével kapcsolatos tanulmányokról számoltak be, amelyek azt mutatják, hogy a visszafordíthatatlanság korlátozott.Bridgeman, Jefferson9 a CFD segítségével megbecsülte az átlagos áramlás és a turbulencia helyi hatását a pelyhképződésre és a helyi sebességgradienseken keresztüli fragmentációra.A rotorlapátokkal felszerelt tartályokban módosítani kell azt a sebességet, amellyel az aggregátumok ütköznek más részecskékkel, ha azok a koagulációs fázisban kellően destabilizálódnak.A CFD és az alacsonyabb, 15 ford./perc körüli forgási sebesség használatával a Vadasarukkai és a Gagnon11 G értékeket tudott elérni a kúpos lapátokkal történő flokkulációnál, ezáltal minimalizálva a keverés energiafogyasztását.A magasabb G-értékeken történő működés azonban flokkulációhoz vezethet.Vizsgálták a keverési sebesség hatását egy pilótalapátos flokkulátor átlagos sebességgradiensének meghatározására.5 ford./percnél nagyobb sebességgel forognak.
Korpijärvi, Ahlstedt12 négy különböző turbulencia modellt használt az áramlási mező tanulmányozására egy tartály tesztpadon.Lézer Doppler anemométerrel és PIV-vel megmérték az áramlási mezőt és a számított eredményeket összehasonlították a mért eredményekkel.de Oliveira és Donadel13 alternatív módszert javasoltak a hidrodinamikai tulajdonságokból származó sebességgradiensek CFD segítségével történő becslésére.A javasolt módszert hat flokkulációs egységen tesztelték spirális geometria alapján.felmérte a retenciós idő hatását a flokkulálószerekre, és olyan flokkulációs modellt javasolt, amely eszközként használható a racionális sejttervezés támogatására alacsony retenciós idővel14.Zhan, You15 javasolt egy kombinált CFD és populáció egyensúlyi modellt az áramlási jellemzők és a flokk viselkedés szimulálására teljes skálájú flokkulációban.Llano-Serna, Coral-Portillo16 egy Cox-típusú hidroflokkulátor áramlási jellemzőit vizsgálta a kolumbiai Viterbóban található vízkezelő üzemben.Bár a CFD-nek megvannak az előnyei, vannak olyan korlátai is, mint például a numerikus hibák a számításokban.Ezért minden kapott számszerű eredményt alaposan meg kell vizsgálni és elemezni kell, hogy kritikus következtetéseket lehessen levonni17.A szakirodalomban kevés tanulmány található a vízszintes terelőlemezes flokkulátorok tervezéséről, míg a hidrodinamikus flokkulátorok tervezésére vonatkozó ajánlások korlátozottak18.Chen, Liao19 a polarizált fény szóródásán alapuló kísérleti elrendezést használta az egyes részecskékről származó szórt fény polarizációs állapotának mérésére.Feng, Zhang20 az Ansys-Fluent segítségével szimulálta az örvényáramok eloszlását és az örvénylést egy koagulált lemezes flokkulátor és egy hullámos flokkulátor áramlási mezőjében.Miután az Ansys-Fluent segítségével flokkulátorban turbulens folyadékáramlást szimulált, a Gavi21 felhasználta az eredményeket a flokkulátor megtervezéséhez.Vaneli és Teixeira22 arról számolt be, hogy a spirálcsöves flokkulátorok folyadékdinamikája és a flokkulációs folyamat közötti kapcsolat még mindig kevéssé ismert ahhoz, hogy alátámassza a racionális tervezést.de Oliveira és Costa Teixeira23 a spirálcsöves flokkulátor hatékonyságát és hidrodinamikai tulajdonságait vizsgálta fizikai kísérletekkel és CFD szimulációkkal.Sok kutató tanulmányozta a tekercscsöves reaktorokat vagy a tekercscsöves flokkulátorokat.Mindazonáltal még mindig hiányoznak részletes hidrodinamikai információk e reaktorok különféle tervezési és működési feltételekre adott válaszairól (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira és Teixeira26 egy spirális flokkulátor elméleti, kísérleti és CFD szimulációinak eredeti eredményeit mutatják be.Oliveira és Teixeira27 spiráltekercset javasoltak koagulációs-flokkulációs reaktorként hagyományos dekantáló rendszerrel kombinálva.Beszámolnak arról, hogy a zavarosság eltávolításának hatékonyságára kapott eredmények jelentősen eltérnek a flokkuláció értékelésére általánosan használt modellekkel kapott eredményektől, ami óvatosságra utal az ilyen modellek használatakor.Moruzzi és de Oliveira [28] modellezte a folytonos flokkulációs kamrák rendszerének viselkedését különféle működési feltételek mellett, beleértve a felhasznált kamrák számának változásait és a rögzített vagy skálázott sejtsebesség-gradiensek használatát.Romphophak, Le Men29 A pillanatnyi sebességek PIV-mérései kvázi-kétdimenziós sugártisztítókban.Erős sugár-indukált keringést találtak a flokkulációs zónában, és becsülték a helyi és pillanatnyi nyírási sebességet.
Shah, Joshi30 arról számol be, hogy a CFD érdekes alternatívát kínál a tervek javítására és a virtuális áramlási jellemzők megszerzésére.Ez segít elkerülni a kiterjedt kísérleti beállításokat.A CFD-t egyre gyakrabban használják víz- és szennyvíztisztító telepek elemzésére (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Számos kutató végzett kísérleteket konzervteszt-berendezéseken (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) és perforált lemezes flokkulátorokon31.Mások CFD-t használtak a hidroflokkulátorok értékelésére (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).A Ghawi21 arról számolt be, hogy a mechanikus flokkulátorok rendszeres karbantartást igényelnek, mivel gyakran elromlanak, és sok áramot igényelnek.
A lapátos flokkulátor teljesítménye nagymértékben függ a tározó hidrodinamikától.Az ilyen flokkulátorok áramlási sebességmezőinek kvantitatív megértésének hiánya egyértelműen fel van tüntetve a szakirodalomban (Howe, Hand38; Hendricks39).A teljes víztömeg ki van téve a flokkulátor járókerék mozgásának, így csúszás várható.A folyadék sebessége jellemzően kisebb, mint a lapát sebessége a k csúszási tényezővel, amelyet a víztest sebességének a lapátkerék sebességéhez viszonyított arányaként határoznak meg.Bhole40 arról számolt be, hogy három ismeretlen tényezőt kell figyelembe venni a flokkulátor tervezésekor, nevezetesen a sebesség gradienst, a légellenállási együtthatót és a víz relatív sebességét a lapáthoz képest.
A Camp41 jelentése szerint a nagy sebességű gépek esetében a fordulatszám a rotor fordulatszámának körülbelül 24%-a, az alacsony fordulatszámú gépeknél pedig akár a 32%-a is.Septa hiányában Droste és Ger42 0,25-ös ak értéket használt, míg septa esetében a k 0 és 0,15 között változott.Howe, Hand38 azt sugallja, hogy k a 0,2 és 0,3 közötti tartományban van.Hendrix39 a szliptényezőt a forgási sebességhez viszonyította egy empirikus képlet segítségével, és arra a következtetésre jutott, hogy a csúszási tényező is a Camp41 által meghatározott tartományon belül van.A Bratby43 arról számolt be, hogy a k körülbelül 0,2 az 1,8 és 5,4 fordulat/perc közötti járókerék-fordulatszámok esetén, és 0,35-re nő a 0,9 és 3 ford./perc közötti járókerék-fordulatszámok esetén.Más kutatók a légellenállási együttható (Cd) értékeinek széles tartományáról számolnak be 1,0 és 1,8 között, és a csúszási együttható k értékeiről 0,25 és 0,40 között (Feir és Geyer44; Hyde és Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; valamint Bratby és Marais48). ).A szakirodalom nem mutat jelentős előrelépést a k meghatározásában és számszerűsítésében Camp41 munkája óta.
A flokkulációs folyamat turbulencián alapul, hogy megkönnyítse az ütközéseket, ahol a sebességgradiens (G) a turbulencia/flokkuláció mérésére szolgál.A keverés a vegyszerek gyors és egyenletes eloszlatásának folyamata a vízben.A keveredés mértékét a sebességgradiens méri:
ahol G = sebességgradiens (sec-1), P = bemeneti teljesítmény (W), V = víztérfogat (m3), μ = dinamikus viszkozitás (Pa s).
Minél nagyobb a G érték, annál kevertebb.Az egyenletes koaguláció biztosításához elengedhetetlen az alapos keverés.A szakirodalom szerint a legfontosabb tervezési paraméterek a keverési idő (t) és a sebességgradiens (G).A flokkulációs folyamat turbulencián alapul, hogy megkönnyítse az ütközéseket, ahol a sebességgradiens (G) a turbulencia/flokkuláció mérésére szolgál.A G tipikus tervezési értéke 20-70 s-1, t 15-30 perc, Gt (dimenzió nélküli) 104-105. A gyorskeverő tartályok 700-1000 G-értékekkel működnek a legjobban, időbeli tartás mellett. kb 2 perc.
ahol P az egyes flokkulátorlapátok által a folyadékra adott teljesítmény, N a forgási sebesség, b a lapát hossza, ρ a víz sűrűsége, r a sugár és k a csúszási együttható.Ezt az egyenletet minden egyes pengére külön-külön alkalmazzuk, és az eredményeket összegezve megkapjuk a flokkulátor teljes bemeneti teljesítményét.Ennek az egyenletnek a gondos tanulmányozása megmutatja a k csúszási tényező fontosságát a lapátos flokkulátor tervezési folyamatában.A szakirodalom nem közli k pontos értékét, ehelyett egy tartományt ajánl, amint azt korábban leírtuk.A P teljesítmény és a k csúszási együttható közötti összefüggés azonban köbös.Így, feltéve, hogy az összes paraméter azonos, például a k értékének 0,25-ről 0,3-ra való módosítása a folyadékhoz lapátonként átvitt teljesítmény körülbelül 20%-os csökkenéséhez vezet, a k értékének 0,25-ről 0,18-ra való csökkentése pedig növeli azt.kb. 27-30%-kal lapátonként A folyadéknak adott teljesítmény.Végső soron a k hatását a fenntartható lapátos flokkulátor tervezésre műszaki számszerűsítéssel kell megvizsgálni.
A csúszás pontos empirikus számszerűsítéséhez áramlási vizualizációra és szimulációra van szükség.Ezért fontos a lapát tangenciális sebességének leírása vízben bizonyos forgási sebesség mellett a tengelytől eltérő sugártávolságban és a vízfelszíntől eltérő mélységben, hogy értékelni lehessen a különböző lapáthelyzetek hatását.
Ebben a tanulmányban a flokkuláció hidrodinamikáját a turbulens áramlási sebességmező kísérleti és numerikus vizsgálatával értékeljük laboratóriumi méretű lapátos flokkulátorban.A PIV méréseket a flokkulátor rögzíti, így időátlagos sebességkontúrok jönnek létre, amelyek a vízrészecskék sebességét mutatják a levelek körül.Ezenkívül az ANSYS-Fluent CFD-t használták a flokkulátoron belüli örvénylő áramlás szimulálására és időátlagos sebességkontúrok létrehozására.A kapott CFD modellt a PIV és a CFD eredmények közötti megfelelés értékelésével igazoltuk.Ennek a munkának a középpontjában a k csúszási együttható mennyiségi meghatározása áll, amely egy lapátos flokkulátor dimenzió nélküli tervezési paramétere.Az itt bemutatott munka új alapot ad a k csúszási együttható számszerűsítéséhez alacsony, 3 és 4 fordulat / perc fordulatszámon.Az eredmények következményei közvetlenül hozzájárulnak a flokkulációs tartály hidrodinamikájának jobb megértéséhez.
A laboratóriumi flokkulátor egy nyitott tetejű téglalap alakú dobozból áll, amelynek teljes magassága 147 cm, magassága 39 cm, teljes szélessége 118 cm és teljes hossza 138 cm (1. ábra).A Camp49 által kidolgozott fő tervezési kritériumok alapján egy laboratóriumi méretű lapátos flokkulátort terveztek és alkalmazták a méretelemzés elveit.A kísérleti létesítmény a Libanoni Amerikai Egyetem (Byblos, Libanon) Környezetmérnöki Laboratóriumában épült.
A vízszintes tengely az aljától 60 cm magasságban helyezkedik el, és két lapátkeréknek ad helyet.Minden lapátkerék 4 lapátból áll, mindegyik lapáton 3 lapáttal, összesen 12 lapáttal.A flokkuláció enyhe keverést igényel alacsony, 2-6 fordulat/perc sebességgel.A flokkulátorokban a leggyakoribb keverési sebesség a 3 fordulat/perc és a 4 fordulat/perc.A laboratóriumi méretű flokkulátor áramlását úgy tervezték, hogy az ivóvíztisztító telep flokkuláló tartály rekeszében lévő áramlást reprezentálja.A teljesítmény kiszámítása a hagyományos 42 egyenlet segítségével történik.Mindkét forgási sebességnél a \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) sebességgradiens nagyobb, mint 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , a Reynolds-szám turbulens áramlást jelez (1. táblázat).
A PIV-t a folyadéksebesség vektorok pontos és kvantitatív mérésére használják egyidejűleg nagyon sok ponton50.A kísérleti összeállítás tartalmazott egy laboratóriumi méretű lapátos flokkulátort, egy LaVision PIV rendszert (2017) és egy Arduino külső lézeres érzékelő triggert.Az időátlagos sebességprofilok létrehozásához a PIV-képeket sorban rögzítették ugyanazon a helyen.A PIV rendszer úgy van kalibrálva, hogy a célterület egy adott lapátkar három lapátja hosszának felezőpontjában legyen.A külső trigger a flokkulátor szélességének egyik oldalán elhelyezett lézerből és a másik oldalon egy érzékelő vevőből áll.Minden alkalommal, amikor a flokkulátor kar blokkolja a lézer útját, egy jelet küld a PIV rendszernek, hogy képet készítsen a PIV lézerrel és egy programozható időzítő egységgel szinkronizált kamerával.ábrán.A 2. ábra a PIV rendszer telepítését és a képfelvételi folyamatot mutatja be.
A PIV rögzítését a flokkulátor 5-10 perces működtetése után kezdtük meg, hogy normalizáljuk az áramlást és figyelembe vegyük ugyanazt a törésmutató-mezőt.A kalibrálást a flokkulátorba mártott és a kívánt penge hosszának felezőpontjában elhelyezett kalibráló lemez használatával végezzük.Állítsa be a PIV lézer helyzetét úgy, hogy lapos fénylapot képezzen közvetlenül a kalibráló lemez felett.Jegyezze fel a mért értékeket minden egyes penge forgási sebességére, és a kísérlethez választott forgási sebesség 3 ford./perc és 4 ford./perc.
Minden PIV-felvételnél a két lézerimpulzus közötti időintervallumot 6900 és 7700 µs közötti tartományba állítottuk, ami lehetővé tette a minimális részecskeeltolódást 5 pixelben.A pontos időátlagos mérésekhez szükséges számú képen kísérleti teszteket végeztek.A 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 és 280 képet tartalmazó minták vektorstatisztikáit hasonlították össze.A 240 képből álló mintaméret stabil időátlagos eredményeket adott, mivel minden kép két képkockából áll.
Mivel a flokkulátorban az áramlás turbulens, kis lekérdezési ablakra és nagyszámú részecskére van szükség a kis turbulens szerkezetek feloldásához.A méretcsökkentés számos iterációját alkalmazzák, valamint egy keresztkorrelációs algoritmust a pontosság biztosítása érdekében.A kezdeti 48×48 pixeles lekérdezési ablakot 50%-os átfedéssel és egy adaptációs folyamattal egy 32×32 pixeles végső lekérdezési ablak követte 100%-os átfedéssel és két adaptációs folyamat.Ezenkívül üreges üveggömböket használtak magrészecskékként az áramlásban, amely lehetővé tette legalább 10 részecskét lekérdezési ablakonként.A PIV-felvételt a programozható időzítő egység (PTU) triggerforrása indítja el, amely a lézerforrás és a kamera működéséért és szinkronizálásáért felelős.
A 3D modell fejlesztéséhez és az alapvető áramlási egyenletek megoldásához az ANSYS Fluent v 19.1 kereskedelmi CFD csomagot használták.
Az ANSYS-Fluent segítségével egy laboratóriumi méretű lapátos flokkulátor 3D-s modellje készült.A modell téglalap alakú doboz formájában készült, amely két vízszintes tengelyre szerelt lapátkerékből áll, mint a laboratóriumi modell.A szabadoldal nélküli modell 108 cm magas, 118 cm széles és 138 cm hosszú.Vízszintes hengeres sík került a keverő köré.A hengeres sík generálásnak végre kell hajtania a teljes keverő forgását a telepítési fázis során, és szimulálnia kell a flokkulátoron belüli forgó áramlási mezőt, amint az a 3a. ábrán látható.
3D ANSYS-fluent és modellgeometriai diagram, ANSYS-fluent flokkulátortest háló a vizsgált síkon, ANSYS-fluent diagram a vizsgált síkon.
A modell geometriája két régióból áll, amelyek mindegyike folyadék.Ezt a logikai kivonás funkcióval érjük el.Először vonja le a hengert (beleértve a keverőt is) a dobozból, hogy képviselje a folyadékot.Ezután vonja ki a keverőt a hengerből, ami két tárgyat eredményez: a keverőt és a folyadékot.Végül egy csúszó interfészt alkalmaztunk a két terület között: egy henger-henger interfész és egy henger-keverő interfész (3a. ábra).
A megszerkesztett modellek hálózása a numerikus szimulációk futtatásához használt turbulencia modellek követelményeinek megfelelően elkészült.Strukturálatlan hálót használtak, amely a szilárd felület közelében kiterjedt rétegekkel rendelkezik.Hozzon létre tágulási rétegeket az összes falhoz 1,2-es növekedési sebességgel, hogy biztosítsa az összetett áramlási minták rögzítését, az első réteg vastagsága pedig \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m annak biztosítására, hogy \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).A test méretét tetraéder illesztési módszerrel állítjuk be.Létrejön egy két interfész elülső oldala 2,5 × \({10}^{-3}\) m elemmérettel, és egy keverőfront mérete 9 × \({10}^{-3}\ ) m kerül alkalmazásra.Az eredetileg generált háló 2144409 elemből állt (3b. ábra).
Kiindulási alapmodellnek egy kétparaméteres k–ε turbulenciamodellt választottam.A flokkulátoron belüli örvénylő áramlás pontos szimulálására egy számítási szempontból költségesebb modellt választottak.A flokkulátoron belüli turbulens örvénylő áramlást numerikusan vizsgáltuk két CFD modell segítségével: SST k–ω51 és IDDES52.Mindkét modell eredményeit összehasonlítottuk kísérleti PIV eredményekkel a modellek validálása érdekében.Először is, az SST k-ω turbulencia modell egy kétegyenletből álló turbulens viszkozitási modell folyadékdinamikai alkalmazásokhoz.Ez egy hibrid modell, amely egyesíti a Wilcox k-ω és k-ε modelleket.A keverő funkció aktiválja a Wilcox modellt a fal közelében és a k-ε modellt a szembejövő áramlásban.Ez biztosítja, hogy a megfelelő modellt használják az áramlási mezőben.Pontosan megjósolja az áramlás elválasztását a kedvezőtlen nyomásgradiensek miatt.Másodszor, az Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) módszert választották, amelyet széles körben használnak az egyéni örvényszimulációs (DES) modellben az SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) modellel.Az IDDES egy hibrid RANS-LES (nagy örvényes szimuláció) modell, amely rugalmasabb és felhasználóbarátabb felbontás-skálázási (SRS) szimulációs modellt biztosít.A LES modellen alapul a nagy örvények feloldására, és visszatér az SST k-ω-re a kis léptékű örvények szimulálására.A modell validálása érdekében az SST k–ω és IDDES szimulációk eredményeinek statisztikai elemzését összehasonlítottuk a PIV eredményekkel.
Kiindulási alapmodellnek egy kétparaméteres k–ε turbulenciamodellt választottam.A flokkulátoron belüli örvénylő áramlás pontos szimulálására egy számítási szempontból költségesebb modellt választottak.A flokkulátoron belüli turbulens örvénylő áramlást numerikusan vizsgáltuk két CFD modell segítségével: SST k–ω51 és IDDES52.Mindkét modell eredményeit összehasonlítottuk kísérleti PIV eredményekkel a modellek validálása érdekében.Először is, az SST k-ω turbulencia modell egy kétegyenletből álló turbulens viszkozitási modell folyadékdinamikai alkalmazásokhoz.Ez egy hibrid modell, amely egyesíti a Wilcox k-ω és k-ε modelleket.A keverő funkció aktiválja a Wilcox modellt a fal közelében és a k-ε modellt a szembejövő áramlásban.Ez biztosítja, hogy a megfelelő modellt használják az áramlási mezőben.Pontosan megjósolja az áramlás elválasztását a kedvezőtlen nyomásgradiensek miatt.Másodszor, az Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) módszert választották, amelyet széles körben használnak az egyéni örvényszimulációs (DES) modellben az SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) modellel.Az IDDES egy hibrid RANS-LES (nagy örvényes szimuláció) modell, amely rugalmasabb és felhasználóbarátabb felbontás-skálázási (SRS) szimulációs modellt biztosít.A LES modellen alapul a nagy örvények feloldására, és visszatér az SST k-ω-re a kis léptékű örvények szimulálására.A modell validálása érdekében az SST k–ω és IDDES szimulációk eredményeinek statisztikai elemzését összehasonlítottuk a PIV eredményekkel.
Használjon nyomásalapú tranziens megoldót, és használja a gravitációt Y irányban.A forgást úgy érjük el, hogy egy hálómozgást rendelünk a keverőhöz, ahol a forgástengely kezdőpontja a vízszintes tengely középpontjában, a forgástengely iránya pedig a Z irányban van.Mindkét modellgeometriai interfészhez létrejön egy mesh interfész, ami két határolókeret élt eredményez.A kísérleti technikához hasonlóan a forgási sebesség 3 és 4 fordulatnak felel meg.
A keverő és a flokkulátor falának peremfeltételeit a fal, a flokkulátor felső nyílását pedig a nulla túlnyomásos kimenet állította be (3c. ábra).EGYSZERŰ nyomás-sebesség kommunikációs séma, másodrendű függvények gradiensterének diszkretizálása minden paraméterrel a legkisebb négyzetek elemei alapján.Az összes áramlási változó konvergenciakritériuma a skálázott maradék 1 x \({10}^{-3}\).Az iterációk maximális száma időlépésenként 20, az időlépés mérete pedig 0,5°-os elforgatásnak felel meg.A megoldás konvergál a 8. iterációnál az SST k–ω modellnél és a 12. iterációnál IDDES használatával.Ezenkívül az időlépések számát úgy számítottuk ki, hogy a keverő legalább 12 fordulatot tegyen.Alkalmazzon adatmintavételezést az időstatisztikához 3 forgatás után, amely lehetővé teszi az áramlás normalizálását, hasonlóan a kísérleti eljáráshoz.A fordulatszám-hurkok teljesítményének összehasonlítása minden fordulatnál pontosan ugyanazt az eredményt kapja az utolsó négy fordulatnál, jelezve, hogy az állandósult állapotot elértük.Az extra fordulatszám nem javította a közepes sebességű kontúrokat.
Az időlépés a forgási sebességhez viszonyítva van meghatározva, 3 ford./perc vagy 4 ford./perc.Az időlépést a keverő 0,5°-os elforgatásához szükséges időre finomítják.Ez elegendőnek bizonyul, mivel a megoldás könnyen konvergál, ahogy azt az előző részben leírtuk.Így az összes numerikus számítást mindkét turbulenciamodellre 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) módosított időlépéssel végeztük 3 ford./percnél, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 ford./perc.Egy adott finomítási időlépésnél egy cella Courant-száma mindig kisebb, mint 1,0.
A modell-háló függőség feltárása érdekében először az eredeti 2,14 M hálót, majd a finomított 2,88 M hálót használtuk.A rács finomítása a keverőtest cellaméretének 9 × \({10}^{-3}\) m-ről 7 × \({10}^{-3}\) m-re történő csökkentésével érhető el.A két modell turbulencia eredeti és finomított hálójához a penge körül különböző helyeken lévő sebességmodulok átlagértékeit hasonlították össze.Az eredmények közötti százalékos eltérés az SST k–ω modellnél 1,73%, az IDDES modellnél 3,51%.Az IDDES nagyobb százalékos eltérést mutat, mivel ez egy hibrid RANS-LES modell.Ezeket a különbségeket jelentéktelennek tekintettük, ezért a szimulációt az eredeti hálóval, 2,14 millió elemmel és 0,5°-os forgatási időlépéssel végeztük.
A kísérleti eredmények reprodukálhatóságát a hat kísérlet mindegyikének másodszori elvégzésével és az eredmények összehasonlításával vizsgáltuk.Hasonlítsa össze a sebességértékeket a penge közepén két kísérletsorozatban.Az átlagos százalékos eltérés a két kísérleti csoport között 3,1% volt.A PIV rendszert minden kísérlethez függetlenül újrakalibráltuk.Hasonlítsa össze az analitikailag számított sebességet az egyes pengék közepén az ugyanazon a helyen lévő PIV sebességgel.Ez az összehasonlítás az 1. penge maximális százalékos 6,5%-os hibájával mutatja a különbséget.
A csúszási tényező számszerűsítése előtt tudományosan meg kell érteni a csúszás fogalmát egy lapátos flokkulátorban, ami megköveteli a flokkulátor lapátjai körüli áramlási szerkezet tanulmányozását.Elvileg a csúszási együttható a lapátos flokkulátorok kialakításába van beépítve, hogy figyelembe vegye a lapátok vízhez viszonyított sebességét.A szakirodalom azt javasolja, hogy ez a sebesség a fűrészlap fordulatszámának 75%-a legyen, ezért a legtöbb kivitelnél jellemzően ak 0,25-öt használnak ennek a beállításnak a figyelembevételére.Ehhez a PIV-kísérletekből származó sebességi áramvonalak használatára van szükség, hogy teljes mértékben megértsük az áramlási sebességmezőt és tanulmányozzuk ezt a csúszást.Az 1. penge a tengelyhez legközelebb eső legbelső penge, a 3. penge a legkülső penge, a 2. penge pedig a középső penge.
Az 1 lapát sebességi áramvonalai közvetlen forgó áramlást mutatnak a lapát körül.Ezek az áramlási minták a lapát jobb oldalán, a rotor és a lapát közötti pontból származnak.A 4a. ábrán a piros pontozott négyzet által jelzett területet tekintve érdekes azonosítani a recirkulációs áramlás egy másik aspektusát a penge felett és körül.Az áramlási vizualizáció kevés áramlást mutat a recirkulációs zónába.Ez az áramlás a penge jobb oldaláról közelít a penge végétől kb. 6 cm magasságban, valószínűleg a pengét megelőző kéz első pengéjének hatása miatt, ami a képen látható.Az áramlási vizualizáció 4 ford/percnél ugyanezt a viselkedést és szerkezetet mutatja, nyilvánvalóan nagyobb sebességgel.
Három lapát sebességmező- és áramgrafikonja két forgási sebességnél, 3 és 4 ford./perc.A három lapát maximális átlagsebessége 3 ford/percnél 0,15 m/s, 0,20 m/s és 0,16 m/s, a maximális átlagsebesség 4 ford/percnél 0,15 m/s, 0,22 m/s és 0,22 m/s. s, ill.három lapon.
A spirális áramlás egy másik formáját találtuk az 1. és 2. lapátok között. A vektormező jól mutatja, hogy a vízáramlás a 2. lapát aljától felfelé halad, amint azt a vektor iránya jelzi.Amint azt a 4b. ábrán a pontozott doboz mutatja, ezek a vektorok nem függőlegesen mennek felfelé a penge felületétől, hanem jobbra fordulnak és fokozatosan lefelé haladnak.Az 1 lapát felületén lefelé irányuló vektorok különböztethetők meg, amelyek mindkét lapátot megközelítik és a közöttük kialakuló recirkulációs áramlástól körülveszik.Ugyanazt az áramlási szerkezetet határoztuk meg mindkét forgási sebességnél magasabb, 4 ford./perc fordulatszám-amplitúdóval.
A 3 lapát sebességmezeje nem járul hozzá jelentős mértékben a 3 lapát alatti áramláshoz csatlakozó előző lapát sebességvektorához. A 3 lapát alatti fő áramlás a vízzel együtt emelkedő függőleges sebességvektornak köszönhető.
A 3 lapát felületén lévő sebességvektorok három csoportra oszthatók, amint az a 4c. ábrán látható.Az első készlet a penge jobb szélén található.Az áramlási szerkezet ebben a helyzetben egyenesen jobbra és felfelé (azaz a 2. lapát felé) áll.A második csoport a penge közepe.Ennek a pozíciónak a sebességvektora egyenesen felfelé irányul, minden eltérés és forgás nélkül.A sebességérték csökkenését a penge vége feletti magasság növekedésével határoztuk meg.A harmadik csoportnál, amely a lapátok bal szélén található, az áramlás azonnal balra, azaz a flokkulátor falára irányul.A sebességvektor által reprezentált áramlás nagy része felfelé, egy része pedig vízszintesen lefelé megy.
Két turbulenciamodellt, az SST k–ω-t és az IDDES-t használtuk az időátlagolt sebességprofilok létrehozására 3 ford./perc és 4 ford./perc esetén a lapát átlaghosszának síkjában.Amint az 5. ábrán látható, az állandósult állapotot úgy érjük el, hogy abszolút hasonlóságot érünk el a négy egymást követő forgatás által létrehozott sebességkontúrok között.Ezen kívül az IDDES által generált időátlagos sebességkontúrok a 6a. ábrán, míg az SST k – ω által generált időátlagos sebességprofilok a 6a. ábrán láthatók.6b.
Az IDDES és az SST k–ω által generált időátlagos sebességhurkok felhasználásával az IDDES-ben nagyobb arányban fordulnak elő sebességhurkok.
Óvatosan vizsgálja meg az IDDES-sel létrehozott sebességprofilt 3 ford./percnél a 7. ábrán látható módon. A keverő az óramutató járásával megegyező irányban forog, és az áramlást a bemutatott megjegyzések szerint tárgyalja.
ábrán.A 7. ábrán látható, hogy a 3 lapát felületén az I. kvadránsban az áramlás szétválása látható, mivel az áramlás a felső lyuk jelenléte miatt nincs korlátozva.A II. kvadránsban nem figyelhető meg az áramlás szétválása, mivel az áramlást teljesen korlátozzák a flokkulátor falai.A III. kvadránsban a víz sokkal kisebb vagy kisebb sebességgel forog, mint az előző kvadránsokban.Az I. és II. kvadránsban lévő vizet a keverő lefelé mozgatja (azaz elforgatja vagy kinyomja).A III. kvadránsban pedig a vizet a keverő lapátjai nyomják ki.Nyilvánvaló, hogy ezen a helyen a víztömeg ellenáll a közeledő flokkulátor hüvelynek.Ebben a kvadránsban a forgó áramlás teljesen el van választva.A IV. kvadráns esetében a 3. lapát feletti légáramlás nagy része a flokkulátor fala felé irányul, és fokozatosan elveszíti méretét, ahogy a felső nyílás magassága nő.
Ezenkívül a központi hely összetett áramlási mintákat foglal magában, amelyek a III. és IV. kvadránsban dominálnak, amint azt a kék pontozott ellipszisek mutatják.Ennek a megjelölt területnek semmi köze a lapátos flokkulátorban lévő örvénylő áramláshoz, mivel az örvénylő mozgás azonosítható.Ez ellentétben áll az I. és II. kvadránssal, ahol egyértelmű elválasztás van a belső áramlás és a teljes forgó áramlás között.
ábrán látható módon.A 6. ábrán az IDDES és az SST k-ω eredményeit összehasonlítva a sebességkontúrok közötti fő különbség a 3. lapát alatti sebesség nagysága. Az SST k-ω modell egyértelműen mutatja, hogy a kiterjesztett nagy sebességű áramlást a 3 lapát hordozza. az IDDES-hez képest.
Egy másik különbség a III. kvadránsban található.Az IDDES-ből, amint azt korábban említettük, a flokkulátorkarok közötti forgó áramlási szétválást figyelték meg.Ezt a pozíciót azonban erősen befolyásolja a sarkokból és az első penge belsejéből érkező kis sebességű áramlás.SST k–ω-tól ugyanarra a helyre a szintvonalak viszonylag nagyobb sebességet mutatnak az IDDES-hez képest, mivel nincs összefolyó áramlás más régiókból.
A sebességvektor mezők és áramvonalak minőségi megértése szükséges az áramlás viselkedésének és szerkezetének helyes megértéséhez.Tekintettel arra, hogy mindegyik lapát 5 cm széles, hét sebességpontot választottunk a szélességben, hogy reprezentatív sebességprofilt kapjunk.Ezenkívül a sebesség nagyságának a lapátfelület feletti magasság függvényében történő kvantitatív megértésére van szükség úgy, hogy a sebességprofilt közvetlenül az egyes pengefelületeken és 2,5 cm-es folytonos távolságban függőlegesen 10 cm magasságig ábrázoljuk.További információért lásd az S1, S2 és S3 ábrát.A. függelék. A 8. ábra az egyes lapátok felületi sebesség-eloszlásának hasonlóságát mutatja (Y = 0,0), amelyet PIV-kísérletekkel és ANSYS-Fluent-analízissel, IDDES és SST k-ω alkalmazásával kaptunk.Mindkét numerikus modell lehetővé teszi az áramlási szerkezet pontos szimulálását a flokkulátorlapátok felületén.
Sebességeloszlások PIV, IDDES és SST k–ω a pengefelületen.Az x tengely az egyes lapok szélességét mutatja milliméterben, az origó (0 mm) a lap bal szélét, a vége (50 mm) pedig a lap jobb szélét.
Jól látható, hogy a 2 és 3 lapátok sebességeloszlását a 8. és 8. ábra mutatja.Az A függelékben szereplő S2 és S3 hasonló tendenciákat mutat a magassággal, míg az 1. lapát egymástól függetlenül változik.A 2-es és 3-as lapátok sebességprofilja tökéletesen egyenes lesz, és amplitúdója megegyezik a penge végétől számított 10 cm-es magasságban.Ez azt jelenti, hogy az áramlás ezen a ponton egyenletessé válik.Ez egyértelműen látszik a PIV eredményekből, amelyeket az IDDES jól reprodukál.Eközben az SST k–ω eredmények némi eltérést mutatnak, különösen 4 ford./percnél.
Fontos megjegyezni, hogy az 1. lapát sebességprofiljának alakját minden helyzetben megőrzi, és magassága nincs normalizálva, mivel a keverő közepén kialakult örvény tartalmazza az összes kar első lapátját.Ezenkívül az IDDES-hez képest a PIV 2-es és 3-as pengesebesség-profilok a legtöbb helyen valamivel magasabb sebességértékeket mutattak, mígnem 10 cm-rel a penge felülete felett közel azonosak voltak.
Feladás időpontja: 2022. december 27