Takk for at du besøker Nature.com.Du bruker en nettleserversjon med begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I tillegg, for å sikre kontinuerlig støtte, viser vi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Viser en karusell med tre lysbilder samtidig.Bruk Forrige og Neste-knappene for å gå gjennom tre lysbilder om gangen, eller bruk skyveknappene på slutten for å gå gjennom tre lysbilder om gangen.
I denne studien blir hydrodynamikken til flokkulering evaluert ved eksperimentell og numerisk undersøkelse av det turbulente strømningshastighetsfeltet i en padleflokkulator i laboratorieskala.Den turbulente strømmen som fremmer partikkelaggregering eller flokkoppløsning er kompleks og vurderes og sammenlignes i denne artikkelen ved å bruke to turbulensmodeller, nemlig SST k-ω og IDDES.Resultatene viser at IDDES gir en svært liten forbedring i forhold til SST k-ω, som er tilstrekkelig til å nøyaktig simulere strømning i en padleflokkulator.Tilpasningsskåren brukes til å undersøke konvergensen av PIV- og CFD-resultater, og for å sammenligne resultatene av CFD-turbulensmodellen som brukes.Studien fokuserer også på å kvantifisere slipfaktoren k, som er 0,18 ved lave hastigheter på 3 og 4 rpm sammenlignet med den vanlige typiske verdien på 0,25.Å redusere k fra 0,25 til 0,18 øker kraften som leveres til væsken med ca. 27-30 % og øker hastighetsgradienten (G) med ca. 14 %.Dette gjør at det oppnås mer intensiv blanding enn forventet, derfor forbrukes mindre energi, og derfor kan energiforbruket i flokkuleringsenheten til drikkevannsbehandlingsanlegget bli lavere.
Ved vannrensing destabiliserer tilsetning av koagulanter små kolloidale partikler og urenheter, som deretter kombineres for å danne flokkulering i flokkuleringsstadiet.Flak er løst bundne fraktale aggregater av masse, som deretter fjernes ved bunnfelling.Partikkelegenskaper og væskeblandingsforhold bestemmer effektiviteten til flokkulerings- og behandlingsprosessen.Flokkulering krever langsom omrøring i en relativt kort periode og mye energi for å agitere store mengder vann1.
Under flokkulering bestemmer hydrodynamikken til hele systemet og kjemien til koagulant-partikkel-interaksjon hastigheten som en stasjonær partikkelstørrelsesfordeling oppnås2.Når partikler kolliderer, fester de seg til hverandre3.Oyegbile, Ay4 rapporterte at kollisjoner avhenger av flokkuleringstransportmekanismene til Brownsk diffusjon, væskeskjæring og differensiell setning.Når flakene kolliderer vokser de og når en viss størrelsesgrense, noe som kan føre til brudd, siden flakene ikke tåler kraften fra hydrodynamiske krefter5.Noen av disse knuste flakene rekombineres til mindre eller samme størrelse6.Imidlertid kan sterke flak motstå denne kraften og opprettholde størrelsen og til og med vokse7.Yukselen og Gregory8 rapporterte om studier relatert til ødeleggelse av flak og deres evne til å regenerere, og viste at irreversibiliteten er begrenset.Bridgeman, Jefferson9 brukte CFD for å estimere den lokale påvirkningen av gjennomsnittlig strømning og turbulens på flokkdannelse og fragmentering gjennom lokale hastighetsgradienter.I tanker utstyrt med rotorblader er det nødvendig å variere hastigheten som aggregatene kolliderer med andre partikler når de er tilstrekkelig destabilisert i koagulasjonsfasen.Ved å bruke CFD og lavere rotasjonshastigheter på rundt 15 rpm, var Vadasarukkai og Gagnon11 i stand til å oppnå G-verdier for flokkulering med koniske blader, og derved minimere strømforbruket for agitasjon.Drift ved høyere G-verdier kan imidlertid føre til flokkulering.De undersøkte effekten av blandingshastighet på å bestemme den gjennomsnittlige hastighetsgradienten til en pilotpadleflokkulator.De roterer med en hastighet på mer enn 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 brukte fire forskjellige turbulensmodeller for å studere strømningsfeltet på en tanktestbenk.De målte strømningsfeltet med et laser-doppler-anemometer og PIV og sammenlignet de beregnede resultatene med de målte resultatene.de Oliveira og Donadel13 har foreslått en alternativ metode for å estimere hastighetsgradienter fra hydrodynamiske egenskaper ved bruk av CFD.Den foreslåtte metoden ble testet på seks flokkuleringsenheter basert på spiralgeometri.vurdert effekten av retensjonstid på flokkuleringsmidler og foreslo en flokkuleringsmodell som kan brukes som et verktøy for å støtte rasjonell celledesign med lave retensjonstider14.Zhan, You15 foreslo en kombinert CFD- og populasjonsbalansemodell for å simulere strømningsegenskaper og flokkadferd i fullskala flokkulering.Llano-Serna, Coral-Portillo16 undersøkte strømningsegenskapene til en hydroflokkulator av Cox-typen i et vannbehandlingsanlegg i Viterbo, Colombia.Selv om CFD har sine fordeler, er det også begrensninger som tallfeil i beregninger.Derfor bør alle oppnådde numeriske resultater undersøkes nøye og analyseres for å trekke kritiske konklusjoner17.Det er få studier i litteraturen om design av horisontale baffelflokkulatorer, mens anbefalinger for design av hydrodynamiske flokkulatorer er begrenset18.Chen, Liao19 brukte et eksperimentelt oppsett basert på spredning av polarisert lys for å måle polariseringstilstanden til spredt lys fra individuelle partikler.Feng, Zhang20 brukte Ansys-Fluent for å simulere fordelingen av virvelstrømmer og virvler i strømningsfeltet til en koagulert plateflokkulator og en interkorrugert flokkulator.Etter å ha simulert turbulent væskestrøm i en flokkulator ved bruk av Ansys-Fluent, brukte Gavi21 resultatene til å designe flokkulatoren.Vaneli og Teixeira22 rapporterte at forholdet mellom væskedynamikken til spiralrørsflokkulatorer og flokkuleringsprosessen fortsatt er dårlig forstått for å støtte en rasjonell design.de Oliveira og Costa Teixeira23 studerte effektiviteten og demonstrerte de hydrodynamiske egenskapene til spiralrørflokkulatoren gjennom fysikkeksperimenter og CFD-simuleringer.Mange forskere har studert kveilrørreaktorer eller kveilrørflokkulatorer.Imidlertid mangler fortsatt detaljert hydrodynamisk informasjon om responsen til disse reaktorene på ulike design og driftsforhold (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira og Teixeira26 presenterer originale resultater fra teoretiske, eksperimentelle og CFD-simuleringer av en spiralflokkulator.Oliveira og Teixeira27 foreslo å bruke en spiralspiral som en koagulasjons-flokkuleringsreaktor i kombinasjon med et konvensjonelt dekanteringssystem.De rapporterer at resultatene oppnådd for effektiviteten til fjerning av turbiditet er betydelig forskjellig fra de oppnådd med vanlige modeller for evaluering av flokkulering, noe som tyder på forsiktighet ved bruk av slike modeller.Moruzzi og de Oliveira [28] modellerte oppførselen til et system av kontinuerlige flokkuleringskamre under forskjellige driftsforhold, inkludert variasjoner i antall kamre som ble brukt og bruken av faste eller skalerte cellehastighetsgradienter.Romphophak, Le Men29 PIV-målinger av øyeblikkelige hastigheter i kvasi-todimensjonale jetrensere.De fant sterk jet-indusert sirkulasjon i flokkuleringssonen og estimerte lokale og øyeblikkelige skjærhastigheter.
Shah, Joshi30 rapporterer at CFD tilbyr et interessant alternativ for å forbedre design og oppnå virtuelle flytegenskaper.Dette bidrar til å unngå omfattende eksperimentelle oppsett.CFD blir i økende grad brukt til å analysere vann- og avløpsvannbehandlingsanlegg (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Flere etterforskere har utført eksperimenter på bokstestutstyr (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) og flokkulatorer med perforerte skiver31.Andre har brukt CFD for å evaluere hydroflokkulatorer (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 rapporterte at mekaniske flokkulatorer krever regelmessig vedlikehold da de ofte går i stykker og krever mye strøm.
Ytelsen til en padleflokkulator er svært avhengig av hydrodynamikken til reservoaret.Mangelen på kvantitativ forståelse av strømningshastighetsfeltene i slike flokkulatorer er tydelig bemerket i litteraturen (Howe, Hand38; Hendricks39).Hele vannmassen er underlagt bevegelsen til flokkulatorhjulet, så det forventes glidning.Vanligvis er væskehastigheten mindre enn bladhastigheten med slipfaktoren k, som er definert som forholdet mellom hastigheten til vannmassen og hastigheten til skovlhjulet.Bhole40 rapporterte at det er tre ukjente faktorer å vurdere når man designer en flokkulator, nemlig hastighetsgradienten, luftmotstandskoeffisienten og den relative hastigheten til vannet i forhold til bladet.
Camp41 rapporterer at når man vurderer høyhastighetsmaskiner, er hastigheten omtrent 24 % av rotorhastigheten og så høy som 32 % for lavhastighetsmaskiner.I fravær av septa brukte Droste og Ger42 en ak-verdi på 0,25, mens i tilfellet med septa varierte k fra 0 til 0,15.Imidlertid antyder Hand38 at k er i området 0,2 til 0,3.Hendrix39 relaterte slippfaktoren til rotasjonshastigheten ved hjelp av en empirisk formel og konkluderte med at sklifaktoren også var innenfor området etablert av Camp41.Bratby43 rapporterte at k er omtrent 0,2 for impellerhastigheter fra 1,8 til 5,4 rpm og øker til 0,35 for impellerhastigheter fra 0,9 til 3 rpm.Andre forskere rapporterer et bredt spekter av luftmotstandskoeffisient (Cd)-verdier fra 1,0 til 1,8 og sklikoeffisient k-verdier fra 0,25 til 0,40 (Feir og Geyer44; Hyde og Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; og Bratby og Marais48 ).Litteraturen viser ikke betydelig fremgang i å definere og kvantifisere k siden Camp41s arbeid.
Flokkuleringsprosessen er basert på turbulens for å lette kollisjoner, hvor hastighetsgradienten (G) brukes til å måle turbulens/flokkulering.Blanding er prosessen med å raskt og jevnt fordele kjemikalier i vann.Graden av blanding måles ved hastighetsgradienten:
hvor G = hastighetsgradient (sek-1), P = effekttilførsel (W), V = vannvolum (m3), μ = dynamisk viskositet (Pa s).
Jo høyere G-verdi, jo mer blandet.Grundig blanding er avgjørende for å sikre jevn koagulering.Litteraturen indikerer at de viktigste designparametrene er blandetid (t) og hastighetsgradient (G).Flokkuleringsprosessen er basert på turbulens for å lette kollisjoner, hvor hastighetsgradienten (G) brukes til å måle turbulens/flokkulering.Typiske designverdier for G er 20 til 70 s–1, t er 15 til 30 minutter, og Gt (dimensjonsløs) er 104 til 105. Hurtigblandingstanker fungerer best med G-verdier på 700 til 1000, med tidsopphold ca 2 minutter.
der P er kraften som gis til væsken av hvert flokkulatorblad, N er rotasjonshastigheten, b er bladlengden, ρ er vannetettheten, r er radiusen og k er glidekoeffisienten.Denne ligningen brukes på hvert blad individuelt, og resultatene summeres for å gi flokkulatorens totale effekttilførsel.En nøye studie av denne ligningen viser viktigheten av slipfaktoren k i designprosessen til en padleflokkulator.Litteraturen oppgir ikke nøyaktig verdi av k, men anbefaler i stedet et område som tidligere angitt.Forholdet mellom potensen P og slipkoeffisienten k er imidlertid kubikk.Forutsatt at alle parametere er like, for eksempel, vil endring av k fra 0,25 til 0,3 føre til en reduksjon i kraften som overføres til væsken per blad med omtrent 20 %, og å redusere k fra 0,25 til 0,18 vil øke henne.med ca. 27-30 % per vinge Kraften som tildeles til væsken.Til syvende og sist må effekten av k på bærekraftig padleflokkulatordesign undersøkes gjennom teknisk kvantifisering.
Nøyaktig empirisk kvantifisering av glidning krever flytvisualisering og simulering.Derfor er det viktig å beskrive den tangentielle hastigheten til bladet i vann ved en viss rotasjonshastighet ved forskjellige radielle avstander fra akselen og ved forskjellige dybder fra vannoverflaten for å evaluere effekten av forskjellige bladposisjoner.
I denne studien blir hydrodynamikken til flokkulering evaluert ved eksperimentell og numerisk undersøkelse av det turbulente strømningshastighetsfeltet i en padleflokkulator i laboratorieskala.PIV-målingene registreres på flokkulatoren, og skaper tidsgjennomsnittlige hastighetskonturer som viser hastigheten til vannpartikler rundt bladene.I tillegg ble ANSYS-Fluent CFD brukt til å simulere den virvlende strømmen inne i flokkulatoren og lage tidsgjennomsnittlige hastighetskonturer.Den resulterende CFD-modellen ble bekreftet ved å evaluere samsvaret mellom PIV- og CFD-resultatene.Fokuset i dette arbeidet er å kvantifisere slippkoeffisienten k, som er en dimensjonsløs designparameter for en padleflokkulator.Arbeidet som presenteres her gir et nytt grunnlag for å kvantifisere slippkoeffisienten k ved lave hastigheter på 3 rpm og 4 rpm.Implikasjonene av resultatene bidrar direkte til en bedre forståelse av hydrodynamikken til flokkuleringstanken.
Laboratorieflokkulatoren består av en rektangulær boks med åpen topp med en total høyde på 147 cm, en høyde på 39 cm, en total bredde på 118 cm og en total lengde på 138 cm (fig. 1).De viktigste designkriteriene utviklet av Camp49 ble brukt til å designe en padleflokkulator i laboratorieskala og anvende prinsippene for dimensjonsanalyse.Eksperimentanlegget ble bygget ved Environmental Engineering Laboratory ved Lebanese American University (Byblos, Libanon).
Den horisontale aksen er plassert i en høyde på 60 cm fra bunnen og har plass til to skovlhjul.Hvert årehjul består av 4 årer med 3 årer på hver åre for totalt 12 årer.Flokkulering krever forsiktig omrøring ved lav hastighet på 2 til 6 rpm.De vanligste blandehastighetene i flokkulatorer er 3 rpm og 4 rpm.Flokkulatorstrømmen i laboratorieskala er designet for å representere strømmen i flokkulasjonstankrommet til et drikkevannsbehandlingsanlegg.Effekt beregnes ved å bruke den tradisjonelle ligningen 42 .For begge rotasjonshastighetene er hastighetsgradienten \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) større enn 10 \({\text{sek}}^{-{1}}\) , indikerer Reynolds-tallet turbulent strømning (tabell 1).
PIV brukes til å oppnå nøyaktige og kvantitative målinger av væskehastighetsvektorer samtidig på et veldig stort antall punkter50.Det eksperimentelle oppsettet inkluderte en padleflokkulator i laboratorieskala, et LaVision PIV-system (2017) og en ekstern Arduino lasersensorutløser.For å lage tidsgjennomsnittlige hastighetsprofiler ble PIV-bilder tatt opp sekvensielt på samme sted.PIV-systemet er kalibrert slik at målområdet er i midtpunktet av lengden til hvert av de tre bladene til en bestemt årearm.Den eksterne triggeren består av en laser plassert på den ene siden av flokkulatorbredden og en sensormottaker på den andre siden.Hver gang flokkulatorarmen blokkerer laserbanen, sendes et signal til PIV-systemet for å ta et bilde med PIV-laseren og kameraet synkronisert med en programmerbar tidsenhet.På fig.2 viser installasjonen av PIV-systemet og bildeinnsamlingsprosessen.
Registreringen av PIV ble startet etter at flokkulatoren ble drevet i 5–10 minutter for å normalisere strømmen og ta hensyn til det samme brytningsindeksfeltet.Kalibrering oppnås ved å bruke en kalibreringsplate nedsenket i flokkulatoren og plassert i midten av lengden på bladet av interesse.Juster posisjonen til PIV-laseren for å danne et flatt lysark rett over kalibreringsplaten.Registrer de målte verdiene for hver rotasjonshastighet for hvert blad, og rotasjonshastighetene valgt for eksperimentet er 3 rpm og 4 rpm.
For alle PIV-opptak ble tidsintervallet mellom to laserpulser satt i området fra 6900 til 7700 µs, noe som tillot en minimum partikkelforskyvning på 5 piksler.Pilottester ble utført på antall bilder som kreves for å oppnå nøyaktige tidsgjennomsnittlige målinger.Vektorstatistikk ble sammenlignet for prøver som inneholdt 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 og 280 bilder.En prøvestørrelse på 240 bilder ble funnet å gi stabile tidsgjennomsnittlige resultater gitt at hvert bilde består av to rammer.
Siden strømmen i flokkulatoren er turbulent, kreves det et lite spørrevindu og et stort antall partikler for å løse små turbulente strukturer.Flere iterasjoner av størrelsesreduksjon brukes sammen med en krysskorrelasjonsalgoritme for å sikre nøyaktighet.En innledende pollingvindustørrelse på 48×48 piksler med 50 % overlapping og en tilpasningsprosess ble fulgt av en endelig pollingvindustørrelse på 32×32 piksler med 100 % overlapping og to tilpasningsprosesser.I tillegg ble det brukt hule glasskuler som frøpartikler i strømmen, noe som tillot minst 10 partikler per undersøkelsesvindu.PIV-opptak utløses av en triggerkilde i en Programmerbar tidsenhet (PTU), som er ansvarlig for drift og synkronisering av laserkilden og kameraet.
Den kommersielle CFD-pakken ANSYS Fluent v 19.1 ble brukt til å utvikle 3D-modellen og løse de grunnleggende flytlikningene.
Ved å bruke ANSYS-Fluent ble det laget en 3D-modell av en padleflokkulator i laboratorieskala.Modellen er laget i form av en rektangulær boks, bestående av to skovlhjul montert på en horisontal akse, som laboratoriemodellen.Modellen uten fribord er 108 cm høy, 118 cm bred og 138 cm lang.Et horisontalt sylindrisk plan er lagt rundt blanderen.Generering av sylindrisk plan bør implementere rotasjonen av hele blanderen under installasjonsfasen og simulere det roterende strømningsfeltet inne i flokkulatoren, som vist i fig. 3a.
3D ANSYS-flytende og modellgeometridiagram, ANSYS-flytende flokkulatorkroppsnett på interesseplanet, ANSYS-flytende diagram på interesseplanet.
Modellgeometrien består av to regioner, som hver er en væske.Dette oppnås ved å bruke den logiske subtraksjonsfunksjonen.Trekk først sylinderen (inkludert mikseren) fra boksen for å representere væsken.Trekk deretter mikseren fra sylinderen, noe som resulterer i to objekter: mikseren og væsken.Til slutt ble et glidende grensesnitt brukt mellom de to områdene: et sylinder-sylinder-grensesnitt og et sylinder-mikser-grensesnitt (fig. 3a).
Sammenkoblingen av de konstruerte modellene er fullført for å møte kravene til turbulensmodellene som skal brukes til å kjøre de numeriske simuleringene.Et ustrukturert nett med utvidede lag nær den faste overflaten ble brukt.Lag ekspansjonslag for alle vegger med en veksthastighet på 1,2 for å sikre at komplekse strømningsmønstre fanges opp, med en første lagtykkelse på \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m for å sikre at \ ( {\tekst {y))^{+}\le 1.0\).Kroppsstørrelsen justeres ved hjelp av tetraedertilpasningsmetoden.En frontsidestørrelse på to grensesnitt med en elementstørrelse på 2,5 × \({10}^{-3}\) m opprettes, og en mikserfrontstørrelse på 9 × \({10}^{-3}\ ) m påføres.Det opprinnelige genererte nettet besto av 2144409 elementer (fig. 3b).
En to-parameter k–ε turbulensmodell ble valgt som den første basismodellen.For nøyaktig å simulere den virvlende strømmen inne i flokkulatoren, ble en mer beregningsmessig kostbar modell valgt.Den turbulente virvlende strømmen inne i flokkulatoren ble numerisk undersøkt ved bruk av to CFD-modeller: SST k–ω51 og IDDES52.Resultatene fra begge modellene ble sammenlignet med eksperimentelle PIV-resultater for å validere modellene.For det første er SST k-ω-turbulensmodellen en turbulent viskositetsmodell med to likninger for fluiddynamikkapplikasjoner.Dette er en hybridmodell som kombinerer Wilcox k-ω- og k-ε-modellene.Blandefunksjonen aktiverer Wilcox-modellen nær veggen og k-ε-modellen i den motgående strømmen.Dette sikrer at riktig modell brukes i hele strømningsfeltet.Den forutsier nøyaktig strømningsseparasjon på grunn av ugunstige trykkgradienter.For det andre ble metoden Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), mye brukt i Individual Eddy Simulation (DES)-modellen med SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)-modellen, valgt.IDDES er en hybrid RANS-LES (large eddy simulation) modell som gir en mer fleksibel og brukervennlig simuleringsmodell for oppløsningsskalering (SRS).Den er basert på LES-modellen for å løse store virvler og går tilbake til SST k-ω for å simulere små virvler.Statistiske analyser av resultatene fra SST k–ω- og IDDES-simuleringene ble sammenlignet med PIV-resultatene for å validere modellen.
En to-parameter k–ε turbulensmodell ble valgt som den første basismodellen.For nøyaktig å simulere den virvlende strømmen inne i flokkulatoren, ble en mer beregningsmessig kostbar modell valgt.Den turbulente virvlende strømmen inne i flokkulatoren ble numerisk undersøkt ved bruk av to CFD-modeller: SST k–ω51 og IDDES52.Resultatene fra begge modellene ble sammenlignet med eksperimentelle PIV-resultater for å validere modellene.For det første er SST k-ω-turbulensmodellen en turbulent viskositetsmodell med to likninger for fluiddynamikkapplikasjoner.Dette er en hybridmodell som kombinerer Wilcox k-ω- og k-ε-modellene.Blandefunksjonen aktiverer Wilcox-modellen nær veggen og k-ε-modellen i den motgående strømmen.Dette sikrer at riktig modell brukes i hele strømningsfeltet.Den forutsier nøyaktig strømningsseparasjon på grunn av ugunstige trykkgradienter.For det andre ble metoden Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), mye brukt i Individual Eddy Simulation (DES)-modellen med SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)-modellen, valgt.IDDES er en hybrid RANS-LES (large eddy simulation) modell som gir en mer fleksibel og brukervennlig simuleringsmodell for oppløsningsskalering (SRS).Den er basert på LES-modellen for å løse store virvler og går tilbake til SST k-ω for å simulere små virvler.Statistiske analyser av resultatene fra SST k–ω- og IDDES-simuleringene ble sammenlignet med PIV-resultatene for å validere modellen.
Bruk en trykkbasert transientløser og bruk tyngdekraften i Y-retningen.Rotasjon oppnås ved å tilordne en maskebevegelse til blanderen, hvor origo til rotasjonsaksen er i sentrum av den horisontale aksen og retningen til rotasjonsaksen er i Z-retningen.Et mesh-grensesnitt opprettes for begge modellgeometri-grensesnittene, noe som resulterer i to avgrensende bokskanter.Som i den eksperimentelle teknikken tilsvarer rotasjonshastigheten 3 og 4 omdreininger.
Grensebetingelsene for veggene til blanderen og flokkulatoren ble satt av veggen, og toppåpningen til flokkulatoren ble satt av utløpet med null manometertrykk (fig. 3c).ENKEL trykkhastighetskommunikasjonsskjema, diskretisering av gradientrommet til andreordens funksjoner med alle parametere basert på minste kvadraters elementer.Konvergenskriteriet for alle flytvariabler er skalert residual 1 x \({10}^{-3}\).Maksimalt antall iterasjoner per tidstrinn er 20, og tidstrinnstørrelsen tilsvarer en rotasjon på 0,5°.Løsningen konvergerer ved 8. iterasjon for SST k–ω-modellen og ved 12. iterasjon ved bruk av IDDES.I tillegg ble antall tidstrinn beregnet slik at blanderen gjorde minst 12 omdreininger.Bruk datasampling for tidsstatistikk etter 3 rotasjoner, noe som tillater normalisering av flyten, lik den eksperimentelle prosedyren.Sammenligning av utgangen av hastighetssløyfene for hver omdreining gir nøyaktig de samme resultatene for de siste fire omdreiningene, noe som indikerer at en stabil tilstand er nådd.De ekstra turtallene forbedret ikke konturene med middels hastighet.
Tidstrinnet er definert i forhold til rotasjonshastigheten, 3 rpm eller 4 rpm.Tidstrinnet avgrenses til tiden som kreves for å rotere blanderen med 0,5°.Dette viser seg å være tilstrekkelig, siden løsningen lett konvergerer, som beskrevet i forrige avsnitt.Dermed ble alle numeriske beregninger for begge turbulensmodellene utført ved bruk av et modifisert tidstrinn på 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) for 3 rpm, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.For et gitt avgrensningstidstrinn er Courant-nummeret til en celle alltid mindre enn 1,0.
For å utforske modell-mesh-avhengighet, ble resultater først oppnådd ved å bruke den originale 2,14M mesh og deretter den raffinerte 2,88M mesh.Rutenettforfining oppnås ved å redusere cellestørrelsen til blanderkroppen fra 9 × \({10}^{-3}\) m til 7 × \({10}^{-3}\) m.For de originale og raffinerte maskene til de to modellenes turbulens, ble gjennomsnittsverdiene til hastighetsmodulene på forskjellige steder rundt bladet sammenlignet.Den prosentvise forskjellen mellom resultatene er 1,73 % for SST k–ω-modellen og 3,51 % for IDDES-modellen.IDDES viser en høyere prosentvis forskjell fordi det er en hybrid RANS-LES-modell.Disse forskjellene ble ansett som ubetydelige, så simuleringen ble utført ved bruk av originalnettet med 2,14 millioner elementer og et rotasjonstidstrinn på 0,5°.
Reproduserbarheten til de eksperimentelle resultatene ble undersøkt ved å utføre hvert av de seks eksperimentene en gang til og sammenligne resultatene.Sammenlign hastighetsverdiene i midten av bladet i to serier med eksperimenter.Den gjennomsnittlige prosentvise forskjellen mellom de to forsøksgruppene var 3,1 %.PIV-systemet ble også uavhengig rekalibrert for hvert eksperiment.Sammenlign den analytisk beregnede hastigheten i midten av hvert blad med PIV-hastigheten på samme sted.Denne sammenligningen viser forskjellen med en maksimal prosentvis feil på 6,5 % for blad 1.
Før man kvantifiserer slipfaktoren, er det nødvendig å vitenskapelig forstå konseptet med slip i en padle-flokkulator, som krever å studere strømningsstrukturen rundt padleårene til flokkulatoren.Konseptuelt er sklikoeffisienten innebygd i utformingen av padleflokkulatorer for å ta hensyn til hastigheten til bladene i forhold til vannet.Litteraturen anbefaler at denne hastigheten er 75 % av bladhastigheten, så de fleste design bruker vanligvis ak på 0,25 for å ta hensyn til denne justeringen.Dette krever bruk av hastighetsstrømlinjer avledet fra PIV-eksperimenter for å forstå strømningshastighetsfeltet fullt ut og studere denne slipingen.Blad 1 er det innerste bladet nærmest skaftet, blad 3 er det ytterste bladet, og blad 2 er det midterste bladet.
Hastighetsstrømlinjene på bladet 1 viser en direkte roterende strømning rundt bladet.Disse strømningsmønstrene kommer fra et punkt på høyre side av bladet, mellom rotoren og bladet.Ser vi på området som er indikert av den røde stiplede boksen i figur 4a, er det interessant å identifisere et annet aspekt ved resirkulasjonsstrømmen over og rundt bladet.Strømningsvisualisering viser liten strømning inn i resirkulasjonssonen.Denne strømmen nærmer seg fra høyre side av bladet i en høyde på ca. 6 cm fra enden av bladet, muligens på grunn av påvirkningen fra det første bladet på hånden som går foran bladet, som er synlig på bildet.Strømningsvisualisering ved 4 rpm viser samme oppførsel og struktur, tilsynelatende med høyere hastigheter.
Hastighetsfelt og strømgrafer for tre blader ved to rotasjonshastigheter på 3 rpm og 4 rpm.Maksimal gjennomsnittshastighet for de tre bladene ved 3 rpm er henholdsvis 0,15 m/s, 0,20 m/s og 0,16 m/s, og maksimal gjennomsnittshastighet ved 4 rpm er 0,15 m/s, 0,22 m/s og 0,22 m/ s, henholdsvis.på tre ark.
En annen form for spiralstrøm ble funnet mellom skovl 1 og 2. Vektorfeltet viser tydelig at vannstrømmen beveger seg oppover fra bunnen av vinge 2, som indikert av vektorens retning.Som vist med den stiplede boksen i fig. 4b, går disse vektorene ikke vertikalt oppover fra bladoverflaten, men dreier til høyre og går gradvis nedover.På overflaten av bladet 1 skilles det ut nedadgående vektorer som nærmer seg begge bladene og omgir dem fra resirkulasjonsstrømmen som dannes mellom dem.Den samme strømningsstrukturen ble bestemt ved begge rotasjonshastighetene med en høyere hastighetsamplitude på 4 rpm.
Hastighetsfeltet til blad 3 gir ikke et vesentlig bidrag fra at hastighetsvektoren til det forrige bladet går sammen med strømmen under blad 3. Hovedstrømmen under blad 3 skyldes at den vertikale hastighetsvektoren stiger med vannet.
Hastighetsvektorene over overflaten av bladet 3 kan deles inn i tre grupper, som vist i fig. 4c.Det første settet er det på høyre kant av bladet.Strømningsstrukturen i denne posisjonen er rett til høyre og opp (dvs. mot blad 2).Den andre gruppen er midten av bladet.Hastighetsvektoren for denne posisjonen er rettet rett opp, uten noen avvik og uten rotasjon.Nedgangen i hastighetsverdien ble bestemt med en økning i høyden over enden av bladet.For den tredje gruppen, plassert på venstre periferi av bladene, blir strømmen umiddelbart rettet mot venstre, dvs. til veggen til flokkulatoren.Det meste av strømmen representert av hastighetsvektoren går opp, og en del av strømmen går horisontalt ned.
To turbulensmodeller, SST k–ω og IDDES, ble brukt til å konstruere tidsgjennomsnittlige hastighetsprofiler for 3 rpm og 4 rpm i bladets gjennomsnittlige lengdeplan.Som vist i figur 5, oppnås stabil tilstand ved å oppnå absolutt likhet mellom hastighetskonturene skapt av fire påfølgende rotasjoner.I tillegg er de tidsgjennomsnittlige hastighetskonturene generert av IDDES vist i fig. 6a, mens de tidsgjennomsnittlige hastighetsprofilene generert av SST k – ω er vist i fig. 6a.6b.
Ved å bruke IDDES og tidsgjennomsnittlige hastighetsløkker generert av SST k–ω, har IDDES en høyere andel hastighetsløkker.
Undersøk nøye hastighetsprofilen opprettet med IDDES ved 3 rpm som vist i figur 7. Blanderen roterer med klokken og flyten diskuteres i henhold til notene som vises.
På fig.7 kan det sees at på overflaten av bladet 3 i I-kvadranten er det en separasjon av strømmen, siden strømmen ikke er begrenset på grunn av tilstedeværelsen av det øvre hullet.I kvadrant II observeres ingen separasjon av strømmen, siden strømmen er fullstendig begrenset av flokkulatorens vegger.I kvadrant III roterer vannet med mye lavere eller lavere hastighet enn i de foregående kvadrantene.Vannet i kvadrant I og II flyttes (dvs. roteres eller skyves ut) nedover ved påvirkning av blanderen.Og i kvadrant III blir vannet skjøvet ut av bladene på agitatoren.Det er åpenbart at vannmassen på dette stedet motstår den nærmer seg flokkulatorhylsen.Den roterende strømmen i denne kvadranten er fullstendig separert.For kvadrant IV er det meste av luftstrømmen over vinge 3 rettet mot flokkulatorveggen og mister gradvis sin størrelse når høyden øker til toppåpningen.
I tillegg inkluderer den sentrale plasseringen komplekse strømningsmønstre som dominerer kvadrantene III og IV, som vist av de blå prikkede ellipsene.Dette markerte området har ingenting å gjøre med den virvlende strømmen i padleflokkulatoren, da den virvlende bevegelsen kan identifiseres.Dette i motsetning til kvadrant I og II hvor det er et klart skille mellom indre strømning og full rotasjonsstrøm.
Som vist i fig.6, sammenligner resultatene av IDDES og SST k-ω, er hovedforskjellen mellom hastighetskonturene størrelsen på hastigheten rett under blad 3. SST k-ω-modellen viser tydelig at utvidet høyhastighetsstrøm bæres av blad 3 sammenlignet med IDDES.
En annen forskjell kan finnes i kvadrant III.Fra IDDES ble, som nevnt tidligere, rotasjonsstrømseparasjon mellom flokkulatorarmene notert.Imidlertid er denne posisjonen sterkt påvirket av lavhastighetsstrømmen fra hjørnene og det indre av det første bladet.Fra SST k–ω for samme plassering viser konturlinjene relativt høyere hastigheter sammenlignet med IDDES fordi det ikke er sammenflytende strøm fra andre regioner.
En kvalitativ forståelse av hastighetsvektorfeltene og strømlinjene er nødvendig for en korrekt forståelse av strømningsoppførselen og strukturen.Gitt at hvert blad er 5 cm bredt, ble syv hastighetspunkter valgt over bredden for å gi en representativ hastighetsprofil.I tillegg kreves det en kvantitativ forståelse av størrelsen på hastigheten som funksjon av høyden over bladoverflaten ved å plotte hastighetsprofilen direkte over hver bladflate og over en kontinuerlig avstand på 2,5 cm vertikalt opp til en høyde på 10 cm.Se S1, S2 og S3 i figuren for mer informasjon.Vedlegg A. Figur 8 viser likheten mellom overflatehastighetsfordelingen til hvert blad (Y = 0,0) oppnådd ved bruk av PIV-eksperimenter og ANSYS-Flytende analyse ved bruk av IDDES og SST k-ω.Begge numeriske modellene gjør det mulig å nøyaktig simulere strømningsstrukturen på overflaten av flokkulatorbladene.
Hastighetsfordelinger PIV, IDDES og SST k–ω på bladoverflaten.X-aksen representerer bredden på hvert ark i millimeter, med origo (0 mm) som representerer venstre periferi av arket og enden (50 mm) representerer høyre periferi av arket.
Det er tydelig at hastighetsfordelingene til bladene 2 og 3 er vist i fig. 8 og fig. 8.S2 og S3 i vedlegg A viser lignende trender med høyde, mens blad 1 endres uavhengig.Hastighetsprofilene til bladene 2 og 3 blir helt rette og har samme amplitude i en høyde på 10 cm fra enden av bladet.Dette betyr at strømmen blir jevn på dette tidspunktet.Dette er tydelig sett fra PIV-resultatene, som er godt gjengitt av IDDES.I mellomtiden viser SST k–ω-resultatene noen forskjeller, spesielt ved 4 rpm.
Det er viktig å merke seg at bladet 1 beholder samme form av hastighetsprofilen i alle posisjoner og ikke er normalisert i høyden, siden virvelen dannet i midten av blanderen inneholder det første bladet av alle armer.Sammenlignet med IDDES, viste PIV-bladhastighetsprofilene 2 og 3 litt høyere hastighetsverdier på de fleste steder inntil de var nesten like ved 10 cm over bladoverflaten.
Innleggstid: 27. desember 2022