Хвала вам што сте посетили Натуре.цом.Користите верзију претраживача са ограниченом подршком за ЦСС.За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или онемогућите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у).Поред тога, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказујемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Приказује вртешку од три слајда одједном.Користите дугмад Претходно и Следеће да бисте се кретали кроз три слајда одједном или користите дугмад клизача на крају да бисте се кретали кроз три слајда одједном.
У овој студији, хидродинамика флокулације је процењена експерименталним и нумеричким испитивањем поља брзине турбулентног струјања у лопатастом флокулатору лабораторијске скале.Турбулентни ток који промовише агрегацију честица или разбијање флока је сложен и разматран је и упоређен у овом раду користећи два модела турбуленције, наиме ССТ к-ω и ИДДЕС.Резултати показују да ИДДЕС пружа веома мало побољшање у односу на ССТ к-ω, што је довољно да се прецизно симулира проток унутар флокулатора са лопатицама.Скор одговарања се користи за истраживање конвергенције ПИВ и ЦФД резултата и за поређење резултата коришћеног ЦФД модела турбуленције.Студија се такође фокусира на квантификацију фактора клизања к, који износи 0,18 при малим брзинама од 3 и 4 о/мин у поређењу са уобичајеном типичном вредношћу од 0,25.Смањење к са 0,25 на 0,18 повећава снагу која се испоручује флуиду за око 27-30% и повећава градијент брзине (Г) за око 14%.То значи да се постиже интензивније мешање од очекиваног, самим тим се троши мање енергије, а самим тим и потрошња енергије у јединици флокулације постројења за пречишћавање воде за пиће може бити мања.
У пречишћавању воде, додавање коагуланата дестабилизује мале колоидне честице и нечистоће, које се затим комбинују и формирају флокулацију у фази флокулације.Пахуљице су лабаво везани фрактални агрегати масе, који се затим уклањају таложењем.Особине честица и услови мешања течности одређују ефикасност процеса флокулације и третмана.Флокулација захтева споро мешање током релативно кратког временског периода и много енергије за агитацију великих количина воде1.
Током флокулације, хидродинамика целог система и хемија интеракције коагуланта и честица одређују брзину којом се постиже стационарна расподела величине честица2.Приликом судара честице се лепе једна за другу3.Оиегбиле, Аи4 је известио да судари зависе од механизама транспорта флокулације Браунове дифузије, смицања течности и диференцијалног таложења.Приликом судара пахуљице расту и достижу одређену границу величине, што може довести до ломљења, пошто пахуљице не могу да издрже силу хидродинамичких сила5.Неке од ових сломљених пахуљица се рекомбинују у мање или исте величине6.Међутим, јаке љуспице се могу одупрети овој сили и задржати своју величину, па чак и расти7.Иукселен и Грегори8 су известили о студијама које се односе на уништавање пахуљица и њихову способност регенерације, показујући да је неповратност ограничена.Бридгеман, Јефферсон9 су користили ЦФД да би проценили локални утицај средњег протока и турбуленције на формирање и фрагментацију флока кроз локалне градијенте брзине.У резервоарима опремљеним лопатицама ротора, потребно је мењати брзину којом се агрегати сударају са другим честицама када су довољно дестабилизовани у фази коагулације.Коришћењем ЦФД-а и нижих брзина ротације од око 15 о/мин, Вадасаруккаи и Гагнон11 су успели да постигну Г вредности за флокулацију са конусним лопатицама, чиме су минимизирали потрошњу енергије за мешање.Међутим, рад на вишим Г вредностима може довести до флокулације.Они су истраживали утицај брзине мешања на одређивање средњег градијента брзине пилот флокулатора са лопатицама.Ротирају се брзином већом од 5 обртаја у минути.
Корпијарви, Ахлстедт12 је користио четири различита модела турбуленције за проучавање поља струјања на испитном столу за резервоар.Измерили су поље протока ласерским доплер анемометром и ПИВ и упоредили израчунате резултате са измереним резултатима.де Оливеира и Донадел13 су предложили алтернативни метод за процену градијената брзине из хидродинамичких својстава користећи ЦФД.Предложена метода је тестирана на шест флокулационих јединица заснованих на спиралној геометрији.проценио је ефекат времена задржавања на флокулантима и предложио модел флокулације који се може користити као алат за подршку рационалном дизајну ћелија са малим временима задржавања14.Зхан, Иоу15 је предложио комбиновани модел ЦФД-а и равнотеже популације да би симулирао карактеристике протока и понашање флокула у пуној флокулацији.Ллано-Серна, Цорал-Портилло16 је истраживао карактеристике протока хидрофлокулатора типа Цок у постројењу за пречишћавање воде у Витербу, Колумбија.Иако ЦФД има своје предности, постоје и ограничења као што су нумеричке грешке у прорачунима.Стога, све добијене нумеричке резултате треба пажљиво испитати и анализирати како би се извукли критични закључци17.У литератури постоји неколико студија о дизајну хоризонталних преграда, док су препоруке за пројектовање хидродинамичких флокулатора ограничене18.Чен, Лиао19 је користио експерименталну поставку засновану на расејању поларизоване светлости за мерење стања поларизације расуте светлости од појединачних честица.Фенг, Зханг20 је користио Ансис-Флуент да симулира дистрибуцију вртложних струја и вртлога у пољу протока коагулисаног плочастог флокулатора и интер-валовитог флокулатора.Након симулације турбулентног тока течности у флокулатору користећи Ансис-Флуент, Гави21 је користио резултате да дизајнира флокулатор.Ванели и Теикеира22 су известили да је однос између динамике флуида флокулатора спиралне цеви и процеса флокулације још увек слабо схваћен да подржава рационални дизајн.де Оливеира и Цоста Теикеира23 су проучавали ефикасност и демонстрирали хидродинамичка својства флокулатора са спиралном цеви кроз физичке експерименте и ЦФД симулације.Многи истраживачи су проучавали реакторе са намотаним цевима или флокулаторе са намотаним цевима.Међутим, још увек недостају детаљне хидродинамичке информације о реакцији ових реактора на различите дизајне и услове рада (Сартори, Оливеира24; Оливеира, Теикеира25).Оливеира и Теикеира26 представљају оригиналне резултате из теоријских, експерименталних и ЦФД симулација спиралног флокулатора.Оливеира и Теикеира27 су предложили да се спирални калем користи као коагулационо-флокулациони реактор у комбинацији са конвенционалним системом деканте.Они наводе да се резултати добијени за ефикасност уклањања замућености значајно разликују од оних добијених са уобичајено коришћеним моделима за процену флокулације, што указује на опрез при коришћењу таквих модела.Моруци и де Оливеира [28] су моделовали понашање система континуалних флокулационих комора у различитим радним условима, укључујући варијације у броју коришћених комора и употребу фиксних или скалираних градијента брзине ћелије.Ромпхопхак, Ле Мен29 ПИВ мерења тренутних брзина у квази-дводимензионалним млазним чистачима.Пронашли су јаку циркулацију изазвану млазом у зони флокулације и проценили локалне и тренутне брзине смицања.
Схах, Јосхи30 извештава да ЦФД нуди занимљиву алтернативу за побољшање дизајна и добијање виртуелних карактеристика протока.Ово помаже да се избегну опсежна експериментална подешавања.ЦФД се све више користи за анализу постројења за пречишћавање воде и отпадних вода (Мело, Фреире31; Алалм, Наср32; Бридгеман, Јефферсон9; Самарас, Зоубоулис33; Ванг, Ву34; Зханг, Тејада-Мартинез35).Неколико истраживача је извело експерименте на опреми за тестирање лименки (Бридгеман, Јефферсон36; Бридгеман, Јефферсон5; Јарвис, Јефферсон6; Ванг, Ву34) и перфорираним диск флокулаторима31.Други су користили ЦФД за процену хидрофлокулатора (Бридгеман, Јефферсон5; Вадасаруккаи, Гагнон37).Гхави21 је известио да механички флокулатори захтевају редовно одржавање јер се често кваре и захтевају много струје.
Перформансе флокулатора са лопатицама у великој мери зависе од хидродинамике резервоара.Недостатак квантитативног разумевања поља брзине протока у таквим флокулаторима је јасно примећен у литератури (Хове, Ханд38; Хендрицкс39).Цела водена маса је подложна кретању радног кола флокулатора, па се очекује проклизавање.Типично, брзина течности је мања од брзине лопатице за фактор клизања к, који је дефинисан као однос брзине воденог тела и брзине лопатице.Бхоле40 је известио да постоје три непозната фактора која треба узети у обзир приликом дизајнирања флокулатора, а то су градијент брзине, коефицијент отпора и релативна брзина воде у односу на сечиво.
Цамп41 извештава да када се разматрају машине велике брзине, брзина је око 24% брзине ротора и чак 32% за машине мале брзине.У одсуству септа, Дросте и Гер42 су користили ак вредност од 0,25, док се у случају септа к кретао од 0 до 0,15.Како, Ханд38 сугерише да је к у опсегу од 0,2 до 0,3.Хендрикс39 је повезао фактор клизања са брзином ротације користећи емпиријску формулу и закључио да је фактор клизања такође унутар опсега који је установио Цамп41.Братби43 је известио да је к око 0,2 за брзине радног кола од 1,8 до 5,4 о/мин и да се повећава на 0,35 за брзине радног кола од 0,9 до 3 о/мин.Други истраживачи наводе широк распон вредности коефицијента отпора (Цд) од 1,0 до 1,8 и коефицијента клизања к вредности од 0,25 до 0,40 (Феир и Геиер44; Хиде и Лудвиг45; Харрис, Кауфман46; ван Дуурен47; и Братби и Мараис48 ).Литература не показује значајан напредак у дефинисању и квантификацији к од рада Цамп41.
Процес флокулације се заснива на турбуленцији ради олакшавања судара, при чему се градијент брзине (Г) користи за мерење турбуленције/флокулације.Мешање је процес брзог и равномерног дисперговања хемикалија у води.Степен мешања се мери градијентом брзине:
где је Г = градијент брзине (сец-1), П = улазна снага (В), В = запремина воде (м3), μ = динамички вискозитет (Па с).
Што је већа вредност Г, то је више мешано.Темељно мешање је неопходно да би се обезбедила уједначена коагулација.Литература показује да су најважнији пројектни параметри време мешања (т) и градијент брзине (Г).Процес флокулације се заснива на турбуленцији ради олакшавања судара, при чему се градијент брзине (Г) користи за мерење турбуленције/флокулације.Типичне пројектоване вредности за Г су 20 до 70 с–1, т је 15 до 30 минута, а Гт (без димензија) је 104 до 105. Резервоари за брзо мешање најбоље раде са Г вредностима од 700 до 1000, уз задржавање времена око 2 минута.
где је П снага коју течности даје свака лопатица флокулатора, Н је брзина ротације, б је дужина лопатице, ρ је густина воде, р је полупречник, а к је коефицијент клизања.Ова једначина се примењује на сваку лопатицу појединачно и резултати се сумирају да би се добила укупна улазна снага флокулатора.Пажљиво проучавање ове једначине показује важност фактора клизања к у процесу пројектовања флокулатора са лопатицама.Литература не наводи тачну вредност к, већ уместо тога препоручује опсег као што је претходно наведено.Међутим, однос између снаге П и коефицијента клизања к је кубичан.Дакле, под условом да су сви параметри исти, на пример, промена к са 0,25 на 0,3 ће довести до смањења снаге која се преноси на течност по лопатици за око 20%, а смањење к са 0,25 на 0,18 ће је повећати.за око 27-30% по лопатици Снага која се преноси на течност.На крају, ефекат к на одрживи дизајн флокулатора са лопатицама треба да се истражи кроз техничку квантификацију.
Тачна емпиријска квантификација клизања захтева визуализацију и симулацију тока.Због тога је важно описати тангенцијалну брзину лопатице у води при одређеној брзини ротације на различитим радијалним растојањима од осовине и на различитим дубинама од површине воде како би се проценио ефекат различитих положаја лопатица.
У овој студији, хидродинамика флокулације је процењена експерименталним и нумеричким испитивањем поља брзине турбулентног струјања у лопатастом флокулатору лабораторијске скале.ПИВ мерења се снимају на флокулатору, стварајући временско просечне контуре брзине које показују брзину честица воде око листова.Поред тога, АНСИС-Флуент ЦФД је коришћен за симулацију вртложног тока унутар флокулатора и креирање временски усредњених контура брзине.Добијени ЦФД модел је потврђен проценом кореспонденције између ПИВ и ЦФД резултата.Фокус овог рада је на квантификацији коефицијента клизања к, који је бездимензионални параметар дизајна флокулатора са лопатицама.Рад који је овде представљен даје нову основу за квантификацију коефицијента клизања к при малим брзинама од 3 о/мин и 4 о/мин.Импликације резултата директно доприносе бољем разумевању хидродинамике резервоара за флокулацију.
Лабораторијски флокулатор се састоји од правоугаоне кутије са отвореним врхом укупне висине 147 цм, висине 39 цм, укупне ширине 118 цм и укупне дужине од 138 цм (Сл. 1).Главни критеријуми дизајна које је развио Цамп49 коришћени су за пројектовање флокулатора са лопатицама у лабораторијској скали и за примену принципа димензионалне анализе.Експериментални објекат је изграђен у Лабораторији за инжењерство животне средине Либано-америчког универзитета (Библос, Либан).
Хоризонтална оса се налази на висини од 60 цм од дна и на њој се налазе два лопатица.Сваки точак са веслом се састоји од 4 весла са 3 весла на сваком веслу за укупно 12 весла.Флокулација захтева нежно мешање при малој брзини од 2 до 6 обртаја у минути.Најчешће брзине мешања у флокулаторима су 3 о/мин и 4 о/мин.Проток флокулатора у лабораторијској скали је дизајниран да представља проток у одељку резервоара за флокулацију постројења за пречишћавање воде за пиће.Снага се израчунава коришћењем традиционалне једначине 42 .За обе брзине ротације, градијент брзине \(\стацкрел{\матхрм{-}}{\тект{Г}}\) је већи од 10 \({\тект{сец}}^{-{1}}\) , Рејнолдсов број означава турбулентно струјање (табела 1).
ПИВ се користи за постизање тачних и квантитативних мерења вектора брзине флуида истовремено у веома великом броју тачака50.Експериментална поставка је укључивала флокулатор са лопатицама у лабораторији, ЛаВисион ПИВ систем (2017) и Ардуино спољни ласерски сензор окидача.Да би се креирали временски просечни профили брзине, ПИВ слике су снимљене узастопно на истој локацији.ПИВ систем је калибрисан тако да је циљна област на средини дужине сваке од три лопатице одређене руке весла.Спољни окидач се састоји од ласера који се налази на једној страни ширине флокулатора и сензорског пријемника на другој страни.Сваки пут када рука флокулатора блокира путању ласера, сигнал се шаље ПИВ систему за снимање слике помоћу ПИВ ласера и камере која је синхронизована са програмибилном јединицом за мерење времена.На сл.2 приказује инсталацију ПИВ система и процес аквизиције слике.
Снимање ПИВ је започето након што је флокулатор радио 5-10 минута да би се нормализовао проток и узео у обзир исто поље индекса преламања.Калибрација се постиже коришћењем калибрационе плоче која је уроњена у флокулатор и постављена на средину дужине сечива од интереса.Подесите положај ПИВ ласера како бисте формирали раван светлосни лист директно изнад калибрационе плоче.Забележите измерене вредности за сваку брзину ротације сваке лопатице, а брзине ротације одабране за експеримент су 3 о/мин и 4 о/мин.
За све ПИВ снимке, временски интервал између два ласерска импулса је постављен у опсегу од 6900 до 7700 µс, што је омогућило минимално померање честица од 5 пиксела.Пилот тестови су спроведени на броју слика потребних за добијање тачних временски усредњених мерења.Векторска статистика је упоређена за узорке који садрже 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 и 280 слика.Утврђено је да величина узорка од 240 слика даје стабилне временско усредњене резултате с обзиром да се свака слика састоји од два оквира.
Пошто је ток у флокулатору турбулентан, потребан је мали прозор за испитивање и велики број честица да би се разрешиле мале турбулентне структуре.Примењује се неколико итерација смањења величине заједно са алгоритмом унакрсне корелације да би се обезбедила тачност.Почетну величину прозора за гласање од 48×48 пиксела са 50% преклапања и једним процесом прилагођавања пратила је коначна величина прозора за гласање од 32×32 пиксела са 100% преклапања и два процеса прилагођавања.Поред тога, стаклене шупље сфере су коришћене као честице семена у току, што је дозвољавало најмање 10 честица по прозору за испитивање.ПИВ снимање покреће извор окидача у програмираној јединици времена (ПТУ), која је одговорна за рад и синхронизацију ласерског извора и камере.
За развој 3Д модела и решавање основних једначина тока коришћен је комерцијални ЦФД пакет АНСИС Флуент в 19.1.
Користећи АНСИС-Флуент, креиран је 3Д модел флокулатора са лопатицама у лабораторијским размерама.Модел је направљен у облику правоугаоне кутије, која се састоји од два лопатица постављена на хоризонталној оси, као и лабораторијски модел.Модел без надводног бока је висок 108 цм, широк 118 цм и дугачак 138 цм.Око миксера је додата хоризонтална цилиндрична раван.Генерисање цилиндричне равни треба да реализује ротацију целе мешалице током фазе инсталације и симулира ротирајуће поље протока унутар флокулатора, као што је приказано на слици 3а.
3Д АНСИС-флуентни дијаграм и дијаграм геометрије модела, АНСИС-флуентна мрежа флокулатора у равни од интереса, АНСИС-флуент дијаграм на равни од интереса.
Геометрија модела се састоји од два региона, од којих је сваки флуид.Ово се постиже помоћу функције логичког одузимања.Прво одузмите цилиндар (укључујући миксер) из кутије да бисте представили течност.Затим одузмите миксер од цилиндра, што резултира два објекта: миксер и течност.Коначно, примењен је клизни интерфејс између две области: интерфејс цилиндар-цилиндар и интерфејс цилиндар-мешалица (слика 3а).
Повезивање конструисаних модела је завршено како би се испунили захтеви модела турбуленције који ће се користити за извођење нумеричких симулација.Коришћена је неструктурирана мрежа са проширеним слојевима у близини чврсте површине.Направите слојеве експанзије за све зидове са стопом раста од 1,2 како бисте осигурали да су сложени обрасци протока ухваћени, са дебљином првог слоја од \(7\матхрм{ к }{10}^{-4}\) м да бисте осигурали да \ ( {\тект {и))^{+}\ле 1.0\).Величина тела се подешава методом уклапања тетраедра.Величина предње стране два интерфејса са величином елемента од 2,5 × \({10}^{-3}\) м је креирана и предња страна миксера величине 9 × \({10}^{-3}\) м се примењује.Почетна генерисана мрежа састојала се од 2144409 елемената (слика 3б).
Као почетни основни модел изабран је двопараметарски к–ε модел турбуленције.Да би се прецизно симулирао вртложни ток унутар флокулатора, изабран је рачунарски скупљи модел.Турбулентни вртложни ток унутар флокулатора нумерички је испитан коришћењем два ЦФД модела: ССТ к–ω51 и ИДДЕС52.Резултати оба модела су упоређени са експерименталним ПИВ резултатима ради валидације модела.Прво, ССТ к-ω модел турбуленције је модел турбулентног вискозитета са две једначине за примене у динамици флуида.Ово је хибридни модел који комбинује Вилцок к-ω и к-ε моделе.Функција мешања активира Вилцок модел у близини зида и к-ε модел у надолазећем току.Ово осигурава да се исправан модел користи у целом пољу протока.Он прецизно предвиђа раздвајање протока због неповољних градијента притиска.Друго, одабрана је метода Адванцед Деферред Едди Симулатион (ИДДЕС), која се широко користи у моделу Индивидуал Едди Симулатион (ДЕС) са моделом ССТ к-ω РАНС (Реинолдс-Аверагед Навиер-Стокес).ИДДЕС је хибридни РАНС-ЛЕС (симулација великих вртлога) модел који пружа флексибилнији и лакши за корисника симулациони модел скалирања резолуције (СРС).Заснован је на ЛЕС моделу за решавање великих вртлога и враћа се на ССТ к-ω за симулацију вртлога малих размера.Статистичке анализе резултата из ССТ к–ω и ИДДЕС симулација су упоређене са ПИВ резултатима да би се потврдио модел.
Као почетни основни модел изабран је двопараметарски к–ε модел турбуленције.Да би се прецизно симулирао вртложни ток унутар флокулатора, изабран је рачунарски скупљи модел.Турбулентни вртложни ток унутар флокулатора нумерички је испитан коришћењем два ЦФД модела: ССТ к–ω51 и ИДДЕС52.Резултати оба модела су упоређени са експерименталним ПИВ резултатима ради валидације модела.Прво, ССТ к-ω модел турбуленције је модел турбулентног вискозитета са две једначине за примене у динамици флуида.Ово је хибридни модел који комбинује Вилцок к-ω и к-ε моделе.Функција мешања активира Вилцок модел у близини зида и к-ε модел у надолазећем току.Ово осигурава да се исправан модел користи у целом пољу протока.Он прецизно предвиђа раздвајање протока због неповољних градијента притиска.Друго, одабрана је метода Адванцед Деферред Едди Симулатион (ИДДЕС), која се широко користи у моделу Индивидуал Едди Симулатион (ДЕС) са моделом ССТ к-ω РАНС (Реинолдс-Аверагед Навиер-Стокес).ИДДЕС је хибридни РАНС-ЛЕС (симулација великих вртлога) модел који пружа флексибилнији и лакши за корисника симулациони модел скалирања резолуције (СРС).Заснован је на ЛЕС моделу за решавање великих вртлога и враћа се на ССТ к-ω за симулацију вртлога малих размера.Статистичке анализе резултата из ССТ к–ω и ИДДЕС симулација су упоређене са ПИВ резултатима да би се потврдио модел.
Користите прелазни решавач заснован на притиску и користите гравитацију у правцу И.Ротација се постиже додељивањем мрежастог кретања мешалици, где је почетак осе ротације у центру хоризонталне осе, а смер осе ротације је у З смеру.Мрежни интерфејс је креиран за оба интерфејса геометрије модела, што резултира две ивице граничне кутије.Као иу експерименталној техници, брзина ротације одговара 3 и 4 обртаја.
Граничне услове за зидове мешалице и флокулатора је постављао зид, а горњи отвор флокулатора је био постављен на излазу са нултим мано-притиском (сл. 3ц).ЈЕДНОСТАВНА комуникациона шема притисак-брзина, дискретизација простора градијента функција другог реда са свим параметрима заснованим на елементима најмањих квадрата.Критеријум конвергенције за све варијабле протока је скалирани резидуал 1 к \({10}^{-3}\).Максималан број итерација по временском кораку је 20, а величина временског корака одговара ротацији од 0,5°.Решење конвергира на 8. итерацији за ССТ к–ω модел и на 12. итерацији користећи ИДДЕС.Поред тога, израчунат је број временских корака тако да је миксер направио најмање 12 обртаја.Примените узорковање података за временску статистику након 3 ротације, што омогућава нормализацију протока, слично експерименталној процедури.Поређење излаза петљи брзине за сваки обрт даје потпуно исте резултате за последња четири обртаја, што указује да је постигнуто стабилно стање.Додатни обртаји нису побољшали контуре средње брзине.
Временски корак је дефинисан у односу на брзину ротације, 3 о/мин или 4 о/мин.Временски корак је побољшан на време потребно да се миксер окрене за 0,5°.Испоставило се да је ово довољно, пошто решење лако конвергира, као што је описано у претходном одељку.Дакле, сви нумерички прорачуни за оба модела турбуленције су изведени коришћењем модификованог временског корака од 0,02 \(\стацкрел{\матхрм{-}}{7}\) за 3 о/мин, 0,0208 \(\стацкрел{ \матхрм{-} {3}\) 4 о/мин.За дати временски корак прецизирања, Курантов број ћелије је увек мањи од 1,0.
Да би се истражила зависност модела од мреже, резултати су прво добијени коришћењем оригиналне мреже од 2,14М, а затим рафинисане мреже од 2,88М.Рафинирање мреже се постиже смањењем величине ћелије тела миксера са 9 × \({10}^{-3}\) м на 7 × \({10}^{-3}\) м.За оригиналне и префињене мреже два модела турбуленције, упоређене су просечне вредности модула брзине на различитим местима око лопатице.Процентуална разлика између резултата је 1,73% за ССТ к–ω модел и 3,51% за ИДДЕС модел.ИДДЕС показује већу процентуалну разлику јер је у питању хибридни РАНС-ЛЕС модел.Ове разлике су сматране безначајним, па је симулација изведена коришћењем оригиналне мреже са 2,14 милиона елемената и временским кораком ротације од 0,5°.
Репродуцибилност експерименталних резултата испитана је извођењем сваког од шест експеримената по други пут и поређењем резултата.Упоредите вредности брзине у центру сечива у две серије експеримената.Просечна процентуална разлика између две експерименталне групе износила је 3,1%.ПИВ систем је такође независно поново калибрисан за сваки експеримент.Упоредите аналитички израчунату брзину у центру сваке оштрице са ПИВ брзином на истој локацији.Ово поређење показује разлику са максималном процентуалном грешком од 6,5% за сечиво 1.
Пре квантификације фактора клизања, неопходно је научно разумети концепт клизања у лопатичном флокулатору, што захтева проучавање структуре протока око лопатица флокулатора.Концептуално, коефицијент клизања је уграђен у дизајн флокулатора са лопатицама како би се узела у обзир брзина лопатица у односу на воду.Литература препоручује да ова брзина буде 75% брзине сечива, тако да већина дизајна обично користи ак од 0,25 да би се урачунало ово подешавање.Ово захтева употребу струјних линија брзине изведених из ПИВ експеримената да би се у потпуности разумело поље брзине протока и проучавало ово клизање.Сечиво 1 је најунутрашње сечиво најближе осовини, сечиво 3 је најудаљеније сечиво, а сечиво 2 је средње сечиво.
Струјне линије брзине на лопатици 1 показују директан ротирајући ток око лопатице.Ови обрасци тока потичу из тачке на десној страни лопатице, између ротора и лопатице.Гледајући област означену црвеном тачкастом кутијом на слици 4а, занимљиво је идентификовати још један аспект рециркулацијског тока изнад и око лопатице.Визуелизација протока показује мали проток у зону рециркулације.Овај ток се приближава са десне стране сечива на висини од око 6 цм од краја сечива, вероватно због утицаја прве оштрице шаке која претходи сечиву, што је видљиво на слици.Визуелизација протока при 4 о/мин показује исто понашање и структуру, очигледно са већим брзинама.
График поља брзине и струје три лопатице при две брзине ротације од 3 о/мин и 4 о/мин.Максимална просечна брзина три лопатице при 3 о/мин је 0,15 м/с, 0,20 м/с и 0,16 м/с респективно, а максимална просечна брзина при 4 о/мин је 0,15 м/с, 0,22 м/с и 0,22 м/с. с, респективно.на три листа.
Други облик спиралног струјања пронађен је између лопатица 1 и 2. Векторско поље јасно показује да се ток воде креће нагоре од дна лопатице 2, као што је назначено смером вектора.Као што је приказано тачкастим оквиром на слици 4б, ови вектори не иду вертикално нагоре од површине сечива, већ се окрећу удесно и постепено се спуштају.На површини лопатице 1 разликују се вектори надоле, који се приближавају обе лопатице и окружују их од рециркулацијског тока који се формира између њих.Иста структура протока је одређена при обе брзине ротације са већом амплитудом брзине од 4 о/мин.
Поље брзине лопатице 3 не даје значајан допринос вектору брзине претходне лопатице који спаја ток испод лопатице 3. Главни ток испод лопатице 3 настаје због вертикалног вектора брзине који расте са водом.
Вектори брзине преко површине лопатице 3 могу се поделити у три групе, као што је приказано на слици 4ц.Први сет је онај на десној ивици сечива.Структура тока у овом положају је право удесно и нагоре (тј. према лопатици 2).Друга група је средина сечива.Вектор брзине за ову позицију је усмерен право нагоре, без икаквог одступања и без ротације.Смањење вредности брзине утврђено је повећањем висине изнад краја сечива.За трећу групу, која се налази на левој периферији лопатица, ток се одмах усмерава лево, односно на зид флокулатора.Већина протока представљеног вектором брзине иде горе, а део тока иде хоризонтално наниже.
Два модела турбуленције, ССТ к–ω и ИДДЕС, коришћена су за конструисање временски усредњених профила брзине за 3 рпм и 4 рпм у равни средње дужине лопатице.Као што је приказано на слици 5, стабилно стање се постиже постизањем апсолутне сличности између контура брзине створених четири узастопне ротације.Поред тога, временски усредњене контуре брзине које генерише ИДДЕС приказане су на слици 6а, док су временски усредњени профили брзине генерисани помоћу ССТ к – ω приказани на слици 6а.6б.
Користећи ИДДЕС и временско усредњене петље брзине које генерише ССТ к–ω, ИДДЕС има већи удео петљи брзине.
Пажљиво испитајте профил брзине креиран са ИДДЕС-ом на 3 обртаја у минути као што је приказано на слици 7. Мешалица се ротира у смеру казаљке на сату, а проток се разматра у складу са приказаним напоменама.
На сл.7 види се да на површини лопатице 3 у И квадранту постоји одвајање тока, пошто проток није ограничен због присуства горње рупе.У квадранту ИИ се не примећује раздвајање тока, пошто је проток потпуно ограничен зидовима флокулатора.У квадранту ИИИ, вода се окреће много мањом или мањом брзином него у претходним квадрантима.Вода у квадрантима И и ИИ се помера (тј. ротира или истискује) надоле под дејством мешалице.А у квадранту ИИИ, вода се истискује лопатицама мешалице.Очигледно је да се водена маса на овом месту одупире приближавању рукава флокулатора.Ротациони ток у овом квадранту је потпуно одвојен.За квадрант ИВ, највећи део протока ваздуха изнад лопатице 3 је усмерен ка зиду флокулатора и постепено губи своју величину како се висина повећава до горњег отвора.
Поред тога, централна локација укључује сложене обрасце тока који доминирају квадрантима ИИИ и ИВ, као што је приказано плавим тачкама елипсама.Ово обележено подручје нема никакве везе са вртложним током у флокулатору лопатице, јер се вртложно кретање може идентификовати.Ово је у супротности са квадрантима И и ИИ где постоји јасно раздвајање између унутрашњег тока и пуног ротационог тока.
Као што је приказано на сл.6, упоређујући резултате ИДДЕС и ССТ к-ω, главна разлика између контура брзине је величина брзине непосредно испод лопатице 3. ССТ к-ω модел јасно показује да проширени проток велике брзине носи лопатица 3 у поређењу са ИДДЕС-ом.
Друга разлика се може наћи у квадранту ИИИ.Из ИДДЕС-а, као што је раније поменуто, примећено је ротационо раздвајање протока између кракова флокулатора.Међутим, на ову позицију снажно утиче ниска брзина струјања из углова и унутрашњости прве лопатице.Од ССТ к–ω за исту локацију, контурне линије показују релативно веће брзине у поређењу са ИДДЕС јер нема конфлуентног тока из других региона.
Квалитативно разумевање векторских поља брзине и струјних линија потребно је за правилно разумевање понашања и структуре струјања.С обзиром да је свака лопатица широка 5 цм, одабрано је седам тачака брзине по ширини да би се обезбедио репрезентативни профил брзине.Поред тога, потребно је квантитативно разумевање величине брзине као функције висине изнад површине сечива исцртавањем профила брзине директно преко сваке површине сечива и на непрекидној удаљености од 2,5 цм вертикално до висине од 10 цм.Погледајте С1, С2 и С3 на слици за више информација.Додатак А. Слика 8 приказује сличност расподеле површинске брзине сваке лопатице (И = 0,0) добијену коришћењем ПИВ експеримената и АНСИС-Флуент анализе коришћењем ИДДЕС и ССТ к-ω.Оба нумеричка модела омогућавају прецизну симулацију структуре протока на површини лопатица флокулатора.
Расподеле брзине ПИВ, ИДДЕС и ССТ к–ω на површини сечива.Кс-оса представља ширину сваког листа у милиметрима, при чему почетак (0 мм) представља леву периферију листа, а крај (50 мм) десну периферију листа.
Јасно се види да су расподеле брзине лопатица 2 и 3 приказане на сл.8 и сл.8.С2 и С3 у Додатку А показују сличне трендове са висином, док се оштрица 1 мења независно.Профили брзине лопатица 2 и 3 постају савршено равни и имају исту амплитуду на висини од 10 цм од краја сечива.То значи да ток у овом тренутку постаје равномеран.Ово се јасно види из ПИВ резултата, које ИДДЕС добро репродукује.У међувремену, резултати ССТ к–ω показују неке разлике, посебно при 4 о/мин.
Важно је напоменути да лопатица 1 задржава исти облик профила брзине у свим позицијама и није нормализована по висини, пошто вртлог формиран у центру мешалице садржи прву лопатицу свих кракова.Такође, у поређењу са ИДДЕС-ом, профили брзине сечива ПИВ 2 и 3 су показали нешто веће вредности брзине на већини локација све док нису биле скоро једнаке на 10 цм изнад површине сечива.
Време поста: 27.12.2022