Dankie dat jy Nature.com besoek het.Jy gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte CSS-ondersteuning.Vir die beste ervaring, beveel ons aan dat jy 'n opgedateerde blaaier gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer).Daarbenewens, om deurlopende ondersteuning te verseker, wys ons die webwerf sonder style en JavaScript.
Tipe 316Ti (UNS 31635) is 'n titaangestabiliseerde austenitiese chroom-nikkel vlekvrye staal wat molibdeen bevat.Hierdie byvoeging verhoog korrosiebestandheid, verbeter weerstand teen put chloried-ioonoplossings en verskaf verhoogde sterkte by verhoogde temperature.Eienskappe is soortgelyk aan dié van tipe 316 behalwe dat 316Ti as gevolg van sy titaniumbyvoeging by verhoogde sensitiseringstemperature gebruik kan word.Korrosiebestandheid word verbeter, veral teen swael-, sout-, asyn-, miere- en wynsteensure, suursulfate en alkaliese chloriede.
Chemiese samestelling:
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo |
| ≤ 0,08 | ≤ 1,0 | ≤ 2,0 | ≤ 0,045 | ≤ 0,03 | 16.0 - 18.0 | 10,0 - 14,0 | 2,0 - 3,0 |
Eienskappe: Uitgegloei:
Uiteindelike treksterkte: 75 KSI min (515 MPa min)
Opbrengsterkte: (0,2% afwyking) 30 KSI min (205 MPa min)
Verlenging: 40% min
Hardheid: Rb 95 maks
Sliders wat drie artikels per skyfie wys.Gebruik die terug- en volgende-knoppies om deur die skyfies te beweeg, of die skyfiebeheerknoppies aan die einde om deur elke skyfie te beweeg.
In hierdie studie word die hidrodinamika van flokkulasie geëvalueer deur eksperimentele en numeriese ondersoek van die turbulente vloeisnelheidsveld in 'n laboratoriumskaal paddle flokkulator.Die turbulente vloei wat deeltjie-aggregasie of vlok-opbreek bevorder, is kompleks en word in hierdie vraestel oorweeg en vergelyk deur twee turbulensiemodelle te gebruik, naamlik SST k-ω en IDDES.Die resultate toon dat IDDES 'n baie klein verbetering oor SST k-ω bied, wat voldoende is om vloei binne 'n roeivlokkulator akkuraat te simuleer.Die pastelling word gebruik om die konvergensie van PIV- en CFD-resultate te ondersoek, en om die resultate van die CFD-turbulensiemodel wat gebruik is, te vergelyk.Die studie fokus ook op die kwantifisering van die glipfaktor k, wat 0.18 is by lae snelhede van 3 en 4 rpm in vergelyking met die gewone tipiese waarde van 0.25.Vermindering van k van 0,25 tot 0,18 verhoog die drywing wat aan die vloeistof gelewer word met ongeveer 27-30% en verhoog die snelheidsgradiënt (G) met ongeveer 14%.Dit beteken dat meer roering verskaf word as wat verwag is, daarom word minder energie verbruik en daarom kan die energieverbruik in die flokkulasie-eenheid van die drinkwaterbehandelingsaanleg laer wees.
In watersuiwering destabiliseer die byvoeging van stollingsmiddels klein kolloïdale deeltjies en onsuiwerhede, wat dan kombineer om flokkulasie in die flokkulasiestadium te vorm.Vlokkies is losgebonde fraktale aggregate van massa, wat dan deur afsakking verwyder word.Deeltjie-eienskappe en vloeistofmengtoestande bepaal die doeltreffendheid van die flokkulasie- en behandelingsproses.Flokkulasie vereis stadige roering vir 'n relatief kort tydperk en baie energie om groot volumes water te roer1.
Tydens flokkulasie bepaal die hidrodinamika van die hele sisteem en die chemie van koagulant-deeltjie-interaksie die tempo waarteen 'n stilstaande deeltjiegrootteverspreiding verkry word2.Wanneer deeltjies bots, kleef hulle aan mekaar3.Oyegbile, Ay4 het berig dat botsings afhang van die flokkulasie-vervoermeganismes van Brown-diffusie, vloeistofverskuiwing en differensiële afsakking.Wanneer die vlokkies bots, groei hulle en bereik 'n sekere groottelimiet, wat tot breek kan lei, aangesien die vlokkies nie die krag van hidrodinamiese kragte kan weerstaan nie5.Sommige van hierdie gebreekte vlokkies herkombineer in kleineres of dieselfde grootte6.Sterk vlokkies kan egter hierdie krag weerstaan en hul grootte behou en selfs groei7.Yukselen en Gregory8 het berig oor studies wat verband hou met die vernietiging van vlokkies en hul vermoë om te regenereer, wat toon dat onomkeerbaarheid beperk is.Bridgeman, Jefferson9 het CFD gebruik om die plaaslike invloed van gemiddelde vloei en turbulensie op vlokvorming en fragmentasie deur plaaslike snelheidsgradiënte te skat.In tenks wat met rotorlemme toegerus is, is dit nodig om die spoed waarteen die aggregate met ander deeltjies bots, te verander wanneer hulle voldoende gedestabiliseer word in die stollingsfase.Deur die gebruik van CFD en laer rotasie spoed van ongeveer 15 rpm, was Vadasarukkai en Gagnon11 in staat om die G-waarde vir koniese paddle flokkulasie te bereik, en sodoende kragverbruik vir roering te verminder.Werking by hoër G-waardes kan egter tot flokkulasie lei.Hulle het die effek van mengspoed op die bepaling van die gemiddelde snelheidsgradiënt van 'n vlieënierroeivlokkulator ondersoek.Hulle draai teen 'n spoed van meer as 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 het vier verskillende turbulensiemodelle gebruik om die vloeiveld op 'n tenktoetsbank te bestudeer.Hulle het die vloeiveld met 'n laser Doppler-anemometer en PIV gemeet en die berekende resultate met die gemete resultate vergelyk.de Oliveira en Donadel13 het 'n alternatiewe metode voorgestel vir die skatting van snelheidsgradiënte vanaf hidrodinamiese eienskappe deur gebruik te maak van CFD.Die voorgestelde metode is getoets op ses flokkulasie-eenhede gebaseer op heliese geometrie.die effek van retensietyd op flokkulante beoordeel en 'n flokkulasiemodel voorgestel wat as 'n instrument gebruik kan word om rasionele selontwerp met lae retensietye te ondersteun14.Zhan, You15 het 'n gekombineerde CFD- en bevolkingsbalansmodel voorgestel om vloeieienskappe en vlokgedrag in volskaalse flokkulasie te simuleer.Llano-Serna, Coral-Portillo16 het die vloeieienskappe van 'n Cox-tipe hidrovlokkulator in 'n watersuiweringsaanleg in Viterbo, Colombia, ondersoek.Alhoewel CFD sy voordele het, is daar ook beperkings soos numeriese foute in berekeninge.Daarom moet enige numeriese resultate wat verkry word noukeurig ondersoek en ontleed word om kritiese gevolgtrekkings te maak17.Daar is min studies in die literatuur oor die ontwerp van horisontale vlokkuleerders, terwyl aanbevelings vir die ontwerp van hidrodinamiese flokkuleerders beperk is18.Chen, Liao19 het 'n eksperimentele opstelling gebruik gebaseer op die verstrooiing van gepolariseerde lig om die toestand van polarisasie van verstrooide lig van individuele deeltjies te meet.Feng, Zhang20 het Ansys-Fluent gebruik om die verspreiding van wervelstrome en werveling in die vloeiveld van 'n gestolde plaatvlokkulator en 'n intergeriffelde flokkulator te simuleer.Nadat ons turbulente vloeistofvloei in 'n flokkulator met Ansys-Fluent gesimuleer het, het Gavi21 die resultate gebruik om die flokkulator te ontwerp.Vaneli en Teixeira22 het gerapporteer dat die verband tussen die vloeistofdinamika van spiraalbuisvlokkuleerders en die flokkuleringsproses steeds swak verstaan word om 'n rasionele ontwerp te ondersteun.de Oliveira en Costa Teixeira23 het die doeltreffendheid bestudeer en die hidrodinamiese eienskappe van die spiraalbuisvlokkulator deur fisika-eksperimente en CFD-simulasies gedemonstreer.Baie navorsers het opgerolde buisreaktore of opgerolde buisvlokkulators bestudeer.Gedetailleerde hidrodinamiese inligting oor die reaksie van hierdie reaktore op verskeie ontwerpe en bedryfstoestande ontbreek egter steeds (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira en Teixeira26 bied oorspronklike resultate van teoretiese, eksperimentele en CFD-simulasies van 'n spiraalflokkulator aan.Oliveira en Teixeira27 het voorgestel om 'n spiraalspoel as 'n koagulasie-flokkulasie-reaktor in kombinasie met 'n konvensionele dekanterstelsel te gebruik.Hulle rapporteer dat die resultate wat verkry is vir troebelheid verwydering doeltreffendheid aansienlik verskil van dié wat verkry word met algemeen gebruikte modelle vir die evaluering van flokkulasie, wat dui op versigtigheid wanneer sulke modelle gebruik word.Moruzzi en de Oliveira [28] het die gedrag van 'n stelsel van deurlopende flokkulasiekamers gemodelleer onder verskeie bedryfstoestande, insluitend variasies in die aantal kamers wat gebruik word en die gebruik van vaste of geskaalde selsnelheidsgradiënte.Romphophak, Le Men29 PIV-metings van oombliklike snelhede in kwasi-tweedimensionele straalskoonmakers.Hulle het sterk straalgeïnduseerde sirkulasie in die flokkulasiesone gevind en beraamde plaaslike en oombliklike skuiftempo's.
Shah, Joshi30 rapporteer dat CFD 'n interessante alternatief bied vir die verbetering van ontwerpe en die verkryging van virtuele vloei-eienskappe.Dit help om uitgebreide eksperimentele opstellings te vermy.CFD word toenemend gebruik om water- en afvalwaterbehandelingsaanlegte te ontleed (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Verskeie ondersoekers het eksperimente op blikkietoetstoerusting (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) en geperforeerde skyfvlokkings31 uitgevoer.Ander het CFD gebruik om hidrovlokkuleerders te evalueer (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 het berig dat meganiese flokkuleerders gereelde instandhouding vereis aangesien dit dikwels breek en baie elektrisiteit benodig.
Die werkverrigting van 'n paddle flokkulator is hoogs afhanklik van die hidrodinamika van die reservoir.Die gebrek aan kwantitatiewe begrip van die vloeisnelheidsvelde in sulke flokkuleerders word duidelik in die literatuur opgemerk (Howe, Hand38; Hendricks39).Die hele watermassa is onderhewig aan die beweging van die flocculator-waaier, so glip word verwag.Tipies is die vloeistofsnelheid minder as die lemsnelheid deur die glipfaktor k, wat gedefinieer word as die verhouding van die snelheid van die watermassa tot die snelheid van die spaanwiel.Bhole40 het gerapporteer dat daar drie onbekende faktore is om in ag te neem wanneer 'n flokkulator ontwerp word, naamlik die snelheidsgradiënt, die sleepkoëffisiënt en die relatiewe snelheid van die water relatief tot die lem.
Camp41 berig dat wanneer hoëspoedmasjiene oorweeg word, die spoed ongeveer 24% van die rotorspoed is en so hoog as 32% vir laespoedmasjiene.In die afwesigheid van septa het Droste en Ger42 'n ak-waarde van 0.25 gebruik, terwyl k in die geval van septa van 0 tot 0.15 gewissel het.Howe, Hand38 stel voor dat k in die reeks van 0,2 tot 0,3 is.Hendrix39 het die glipfaktor met rotasiespoed in verband gebring deur 'n empiriese formule te gebruik en tot die gevolgtrekking gekom dat die glipfaktor ook binne die reeks was wat deur Camp41 vasgestel is.Bratby43 het berig dat k ongeveer 0,2 is vir waaierspoed van 1,8 tot 5,4 rpm en verhoog na 0,35 vir waaierspoed van 0,9 tot 3 rpm.Ander navorsers rapporteer 'n wye reeks sleurkoëffisiënt (Cd)-waardes van 1.0 tot 1.8 en glipkoëffisiënt k-waardes van 0.25 tot 0.40 (Feir en Geyer44; Hyde en Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; en Bratby en Marais48 ).Die literatuur toon nie beduidende vordering in die definiëring en kwantifisering van k sedert Camp41 se werk nie.
Die flokkulasieproses is gebaseer op turbulensie om botsings te vergemaklik, waar die snelheidsgradiënt (G) gebruik word om turbulensie/flokkulasie te meet.Meng is die proses om chemikalieë vinnig en eweredig in water te versprei.Die mate van vermenging word gemeet deur die snelheidsgradiënt:
waar G = snelheidsgradiënt (sek-1), P = kragtoevoer (W), V = volume water (m3), μ = dinamiese viskositeit (Pa s).
Hoe hoër die G-waarde, hoe meer gemeng.Deeglike vermenging is noodsaaklik om eenvormige stolling te verseker.Die literatuur dui aan dat die belangrikste ontwerpparameters mengtyd (t) en snelheidsgradiënt (G) is.Die flokkulasieproses is gebaseer op turbulensie om botsings te vergemaklik, waar die snelheidsgradiënt (G) gebruik word om turbulensie/flokkulasie te meet.Tipiese ontwerpwaardes vir G is 20 tot 70 s–1, t is 15 tot 30 minute, en Gt (dimensieloos) is 104 tot 105. Vinnige mengtenks werk die beste met G-waardes van 700 tot 1000, met tydverblyf sowat 2 minute.
waar P die drywing is wat deur elke flokkulatorlem aan die vloeistof verleen word, N die rotasiespoed is, b die lemlengte is, ρ die waterdigtheid is, r die radius is en k die glipkoëffisiënt is.Hierdie vergelyking word individueel op elke lem toegepas en die resultate word opgetel om die totale kragtoevoer van die flokkulator te gee.'n Noukeurige studie van hierdie vergelyking toon die belangrikheid van die glipfaktor k in die ontwerpproses van 'n roei-flokkulator.Die literatuur gee nie die presiese waarde van k aan nie, maar beveel eerder 'n reeks aan soos voorheen genoem.Die verwantskap tussen die drywing P en die glipkoëffisiënt k is egter kubies.Dus, mits alle parameters dieselfde is, sal die verandering van k van 0,25 na 0,3 byvoorbeeld lei tot 'n afname in die krag wat na die vloeistof per lem oorgedra word met ongeveer 20%, en die vermindering van k van 0,25 na 0,18 sal haar verhoog.met ongeveer 27-30% per waaier Die krag wat aan die vloeistof oorgedra word.Uiteindelik moet die effek van k op volhoubare paddle flokkulator-ontwerp deur tegniese kwantifisering ondersoek word.
Akkurate empiriese kwantifisering van glip vereis vloeivisualisering en simulasie.Daarom is dit belangrik om die tangensiële spoed van die lem in water te beskryf teen 'n sekere rotasiespoed op verskillende radiale afstande vanaf die as en op verskillende dieptes vanaf die wateroppervlak om die effek van verskillende lemposisies te evalueer.
In hierdie studie word die hidrodinamika van flokkulasie geëvalueer deur eksperimentele en numeriese ondersoek van die turbulente vloeisnelheidsveld in 'n laboratoriumskaal paddle flokkulator.Die PIV-metings word op die flokkulator aangeteken, wat tydgemiddelde snelheidskontoere skep wat die snelheid van waterdeeltjies rondom die blare toon.Daarbenewens is ANSYS-Fluent CFD gebruik om die wervelende vloei binne-in die flokkulator te simuleer en om tydgemiddelde snelheidskontoere te skep.Die gevolglike CFD-model is bevestig deur die ooreenstemming tussen die PIV- en CFD-resultate te evalueer.Die fokus van hierdie werk is op die kwantifisering van die glipkoëffisiënt k, wat 'n dimensielose ontwerpparameter van 'n paddle flokkulator is.Die werk wat hier aangebied word, verskaf 'n nuwe basis vir die kwantifisering van die glipkoëffisiënt k by lae snelhede van 3 rpm en 4 rpm.Die implikasies van die resultate dra direk by tot 'n beter begrip van die hidrodinamika van die flokkulasietenk.
Die laboratoriumvlokkulator bestaan uit 'n oopdak-reghoekige boks met 'n algehele hoogte van 147 cm, 'n hoogte van 39 cm, 'n algehele breedte van 118 cm en 'n algehele lengte van 138 cm (Fig. 1).Die hoofontwerpkriteria wat deur Camp49 ontwikkel is, is gebruik om 'n laboratoriumskaal-roeivlokkulator te ontwerp en die beginsels van dimensionele analise toe te pas.Die eksperimentele fasiliteit is gebou by die Environmental Engineering Laboratory van die Libanese American University (Byblos, Libanon).
Die horisontale as is op 'n hoogte van 60 cm vanaf die onderkant geleë en akkommodeer twee roeiwiele.Elke spane bestaan uit 4 spane met 3 spane op elke span vir ‘n totaal van 12 spane.Flokkulasie vereis sagte roering teen 'n lae spoed van 2 tot 6 rpm.Die mees algemene mengspoed in flokkuleerders is 3 rpm en 4 rpm.Die flokkulatorvloei op laboratoriumskaal is ontwerp om die vloei in die flokkulasietenkkompartement van 'n drinkwaterbehandelingsaanleg voor te stel.Drywing word bereken deur die tradisionele vergelyking 42 te gebruik.Vir beide rotasiesnelhede is die spoedgradiënt \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) groter as 10 \({\text{sek}}^{-{1}}\) , dui die Reynolds-getal turbulente vloei aan (Tabel 1).
PIV word gebruik om akkurate en kwantitatiewe metings van vloeistofsnelheidsvektore gelyktydig by 'n baie groot aantal punte50 te bereik.Die eksperimentele opstelling het 'n laboratoriumskaal-roeivlokkulator, 'n LaVision PIV-stelsel (2017) en 'n Arduino eksterne lasersensor-sneller ingesluit.Om tydgemiddelde snelheidsprofiele te skep, is PIV-beelde opeenvolgend op dieselfde plek opgeneem.Die PIV-stelsel is so gekalibreer dat die teikenarea op die middelpunt van die lengte van elk van die drie lemme van 'n spesifieke roeiarm is.Die eksterne sneller bestaan uit 'n laser wat aan die een kant van die flokkulatorwydte geleë is en 'n sensorontvanger aan die ander kant.Elke keer as die flokkulatorarm die laserpad blokkeer, word 'n sein na die PIV-stelsel gestuur om 'n beeld vas te vang met die PIV-laser en kamera gesinchroniseer met 'n programmeerbare tydsberekeningseenheid.Op fig.2 toon die installering van die PIV-stelsel en die beeldverkrygingsproses.
Die opname van PIV is begin nadat die flokkulator vir 5-10 min gebruik is om die vloei te normaliseer en dieselfde brekingsindeksveld in ag te neem.Kalibrasie word bereik deur 'n kalibrasieplaat te gebruik wat in die flokkulator gedompel is en op die middelpunt van die lengte van die lem van belang geplaas word.Pas die posisie van die PIV-laser aan om 'n plat ligvel direk bokant die kalibrasieplaat te vorm.Teken die gemete waardes vir elke rotasiespoed van elke lem aan, en die rotasiespoed wat vir die eksperiment gekies is, is 3 rpm en 4 rpm.
Vir alle PIV-opnames is die tydinterval tussen twee laserpulse ingestel in die reeks van 6900 tot 7700 µs, wat 'n minimum deeltjieverplasing van 5 pixels toegelaat het.Loodstoetse is uitgevoer op die aantal beelde wat benodig word om akkurate tydgemiddelde metings te verkry.Vektorstatistieke is vergelyk vir monsters wat 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 en 280 beelde bevat.Daar is gevind dat 'n steekproefgrootte van 240 beelde stabiele tydgemiddelde resultate gee, aangesien elke beeld uit twee rame bestaan.
Aangesien die vloei in die flokkulator turbulent is, word 'n klein ondervragingsvenster en 'n groot aantal deeltjies benodig om klein turbulente strukture op te los.Verskeie iterasies van groottevermindering word toegepas saam met 'n kruiskorrelasie-algoritme om akkuraatheid te verseker.'n Aanvanklike peilingsvenstergrootte van 48×48 pixels met 50% oorvleueling en een aanpassingsproses is gevolg deur 'n finale peilingsvenstergrootte van 32×32 pixels met 100% oorvleueling en twee aanpassingsprosesse.Daarbenewens is hol glasbolletjies as saaddeeltjies in die vloei gebruik, wat ten minste 10 deeltjies per stemvenster toegelaat het.Die PIV-opname word geïnisieer deur 'n snellerbron binne 'n Programmeerbare Tydeenheid (PTU), wat verantwoordelik is vir die bedryf en sinchronisering van die laserbron en die kamera.
Die kommersiële CFD-pakket ANSYS Fluent v 19.1 is gebruik om die 3D-model te ontwikkel en die basiese vloeivergelykings op te los.
Deur ANSYS-Fluent te gebruik, is 'n 3D-model van 'n laboratoriumskaal-roeivlokkulator geskep.Die model is gemaak in die vorm van 'n reghoekige boks, wat bestaan uit twee roeiwiele wat op 'n horisontale as gemonteer is, soos die laboratoriummodel.Die model sonder vryboord is 108 cm hoog, 118 cm breed en 138 cm lank.'n Horisontale silindriese vlak is om die menger bygevoeg.Silindriese vlakgenerering moet die rotasie van die hele menger tydens die installasiefase implementeer en die roterende vloeiveld binne die flokkulator simuleer, soos in Fig. 3a getoon.
3D ANSYS-vloeiende en modelmeetkundediagram, ANSYS-vloeiende flokkulator-liggaamgaas op die vlak van belang, ANSYS-vloeiende diagram op die vlak van belang.
Die modelgeometrie bestaan uit twee streke, wat elk 'n vloeistof is.Dit word bereik met behulp van die logiese aftrekfunksie.Trek eers die silinder (insluitend menger) van die boks af om die vloeistof voor te stel.Trek dan die menger van die silinder af, wat twee voorwerpe tot gevolg het: die menger en die vloeistof.Laastens is 'n gly-koppelvlak tussen die twee areas toegepas: 'n silinder-silinder-koppelvlak en 'n silinder-menger-koppelvlak (Fig. 3a).
Die samevoeging van die gekonstrueerde modelle is voltooi om aan die vereistes van die turbulensiemodelle te voldoen wat gebruik sal word om die numeriese simulasies uit te voer.'n Ongestruktureerde gaas met uitgebreide lae naby die soliede oppervlak is gebruik.Skep uitsettingslae vir alle mure met 'n groeitempo van 1.2 om te verseker dat komplekse vloeipatrone vasgelê word, met 'n eerste laagdikte van \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m om te verseker dat \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).Die liggaamsgrootte word aangepas deur die tetraëderpasmetode te gebruik.'n Voorkantgrootte van twee koppelvlakke met 'n elementgrootte van 2,5 × \({10}^{-3}\) m word geskep, en 'n mengervoorgrootte van 9 × \({10}^{-3}\ ) m toegepas word.Die aanvanklike gegenereerde maas het uit 2144409 elemente bestaan (Fig. 3b).
’n Twee-parameter k–ε turbulensiemodel is as die aanvanklike basismodel gekies.Om die kolkende vloei binne-in die flokkulator akkuraat te simuleer, is 'n meer berekeningsduur model gekies.Die turbulente wervelvloei binne die flokkulator is numeries ondersoek met behulp van twee CFD-modelle: SST k–ω51 en IDDES52.Die resultate van beide modelle is vergelyk met eksperimentele PIV resultate om die modelle te valideer.Eerstens, die SST k-ω turbulensie model is 'n twee-vergelyking turbulente viskositeit model vir vloeistof dinamika toepassings.Dit is 'n hibriede model wat die Wilcox k-ω- en k-ε-modelle kombineer.Die mengfunksie aktiveer die Wilcox-model naby die muur en die k-ε-model in die aankomende vloei.Dit verseker dat die korrekte model regdeur die vloeiveld gebruik word.Dit voorspel vloeiskeiding akkuraat as gevolg van ongunstige drukgradiënte.Tweedens is die Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) metode, wyd gebruik in die Individual Eddy Simulation (DES) model met die SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) model, gekies.IDDES is 'n hibriede RANS-LES (groot eddy simulation) model wat 'n meer buigsame en gebruikersvriendelike resolusie-skaal (SRS) simulasiemodel bied.Dit is gebaseer op die LES-model om groot werwels op te los en keer terug na SST k-ω om kleinskaalse werwels te simuleer.Statistiese ontledings van die resultate van die SST k–ω en IDDES simulasies is vergelyk met die PIV resultate om die model te valideer.
’n Twee-parameter k–ε turbulensiemodel is as die aanvanklike basismodel gekies.Om die kolkende vloei binne-in die flokkulator akkuraat te simuleer, is 'n meer berekeningsduur model gekies.Die turbulente wervelvloei binne die flokkulator is numeries ondersoek met behulp van twee CFD-modelle: SST k–ω51 en IDDES52.Die resultate van beide modelle is vergelyk met eksperimentele PIV resultate om die modelle te valideer.Eerstens, die SST k-ω turbulensie model is 'n twee-vergelyking turbulente viskositeit model vir vloeistof dinamika toepassings.Dit is 'n hibriede model wat die Wilcox k-ω- en k-ε-modelle kombineer.Die mengfunksie aktiveer die Wilcox-model naby die muur en die k-ε-model in die aankomende vloei.Dit verseker dat die korrekte model regdeur die vloeiveld gebruik word.Dit voorspel vloeiskeiding akkuraat as gevolg van ongunstige drukgradiënte.Tweedens is die Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) metode, wyd gebruik in die Individual Eddy Simulation (DES) model met die SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) model, gekies.IDDES is 'n hibriede RANS-LES (groot eddy simulation) model wat 'n meer buigsame en gebruikersvriendelike resolusie-skaal (SRS) simulasiemodel bied.Dit is gebaseer op die LES-model om groot werwels op te los en keer terug na SST k-ω om kleinskaalse werwels te simuleer.Statistiese ontledings van die resultate van die SST k–ω en IDDES simulasies is vergelyk met die PIV resultate om die model te valideer.
Gebruik 'n druk-gebaseerde verbygaande oplosser en gebruik swaartekrag in die Y-rigting.Rotasie word bereik deur 'n maasbeweging aan die menger toe te ken, waar die oorsprong van die rotasie-as in die middel van die horisontale as is en die rigting van die rotasie-as in die Z-rigting is.'n Maas-koppelvlak word vir beide modelgeometrie-koppelvlakke geskep, wat lei tot twee grenskasrande.Soos in die eksperimentele tegniek stem die rotasiespoed ooreen met 3 en 4 omwentelinge.
Die grensvoorwaardes vir die mure van die menger en die flokkulator is deur die muur gestel, en die boonste opening van die flokkulator is deur die uitlaat gestel met nulmeterdruk (Fig. 3c).EENVOUDIGE druk-snelheid kommunikasieskema, diskretisering van die gradiëntruimte van tweede-orde funksies met alle parameters gebaseer op kleinste vierkante elemente.Die konvergensiekriterium vir alle vloeiveranderlikes is die geskaalde oorblywende 1 x \({10}^{-3}\).Die maksimum aantal iterasies per tydstap is 20, en die tydstapgrootte stem ooreen met 'n rotasie van 0,5°.Die oplossing konvergeer by die 8ste iterasie vir die SST k–ω model en by die 12de iterasie met behulp van IDDES.Daarbenewens is die aantal tydstappe bereken sodat die menger ten minste 12 omwentelinge gemaak het.Pas datasteekproefneming toe vir tydstatistieke na 3 rotasies, wat normalisering van die vloei moontlik maak, soortgelyk aan die eksperimentele prosedure.Vergelyking van die uitset van die spoedlusse vir elke omwenteling gee presies dieselfde resultate vir die laaste vier omwentelinge, wat aandui dat 'n bestendige toestand bereik is.Die ekstra toere het nie die mediumspoedkontoere verbeter nie.
Die tydstap word gedefinieer in verhouding tot die rotasiespoed, 3 rpm of 4 rpm.Die tydstap word verfyn tot die tyd wat nodig is om die menger met 0,5° te draai.Dit blyk voldoende te wees, aangesien die oplossing maklik konvergeer, soos beskryf in die vorige afdeling.Dus, alle numeriese berekeninge vir beide turbulensiemodelle is uitgevoer met behulp van 'n gewysigde tydstap van 0.02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) vir 3 rpm, 0.0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.Vir 'n gegewe verfyningstydstap is die Courant-nommer van 'n sel altyd minder as 1.0.
Om model-maas afhanklikheid te verken, is resultate eers verkry deur die oorspronklike 2.14M maas en dan die verfynde 2.88M maas te gebruik.Roosterverfyning word verkry deur die selgrootte van die mengerliggaam van 9 × \({10}^{-3}\) m tot 7 × \({10}^{-3}\) m te verminder.Vir die oorspronklike en verfynde maas van die twee modelle turbulensie, is die gemiddelde waardes van die snelheidsmodules op verskillende plekke rondom die lem vergelyk.Die persentasie verskil tussen die resultate is 1.73% vir die SST k–ω model en 3.51% vir die IDDES model.IDDES toon 'n hoër persentasie verskil omdat dit 'n baster RANS-LES model is.Hierdie verskille is as onbeduidend beskou, dus is die simulasie uitgevoer met behulp van die oorspronklike maas met 2,14 miljoen elemente en 'n rotasietydstap van 0,5°.
Die reproduceerbaarheid van die eksperimentele resultate is ondersoek deur elk van die ses eksperimente 'n tweede keer uit te voer en die resultate te vergelyk.Vergelyk die spoedwaardes in die middel van die lem in twee reekse eksperimente.Die gemiddelde persentasie verskil tussen die twee eksperimentele groepe was 3,1%.Die PIV-stelsel is ook onafhanklik herkalibreer vir elke eksperiment.Vergelyk die analities berekende spoed in die middel van elke lem met die PIV-spoed op dieselfde plek.Hierdie vergelyking toon die verskil met 'n maksimum persentasie fout van 6,5% vir lem 1.
Voordat die glipfaktor gekwantifiseer word, is dit nodig om die konsep van glip in 'n roei-vlokkulator wetenskaplik te verstaan, wat vereis dat die vloeistruktuur rondom die roeispane van die flokkulator bestudeer word.Konseptueel is die glipkoëffisiënt ingebou in die ontwerp van paddle flokkuleerders om die spoed van die lemme relatief tot die water in ag te neem.Die literatuur beveel aan dat hierdie spoed 75% van die lemspoed is, dus gebruik die meeste ontwerpe tipies ak van 0.25 om vir hierdie aanpassing rekening te hou.Dit vereis die gebruik van snelheidsstroomlyne afgelei van PIV-eksperimente om die vloeisnelheidsveld ten volle te verstaan en hierdie glip te bestudeer.Lem 1 is die binneste lem naaste aan die skag, lem 3 is die buitenste lem en lem 2 is die middelste lem.
Die snelheidsstroomlyne op lem 1 toon 'n direkte roterende vloei om die lem.Hierdie vloeipatrone kom vanaf 'n punt aan die regterkant van die lem, tussen die rotor en die lem.As ons na die area kyk wat deur die rooi stippelblokkie in Figuur 4a aangedui word, is dit interessant om nog 'n aspek van die hersirkulasievloei bo en om die lem te identifiseer.Vloeivisualisering toon min vloei in die hersirkulasiesone.Hierdie vloei nader vanaf die regterkant van die lem op 'n hoogte van ongeveer 6 cm vanaf die punt van die lem, moontlik as gevolg van die invloed van die eerste lem van die hand wat die lem voorafgaan, wat in die beeld sigbaar is.Vloeivisualisering by 4 rpm toon dieselfde gedrag en struktuur, blykbaar met hoër snelhede.
Snelheidsveld- en stroomgrafieke van drie lemme teen twee rotasiesnelhede van 3 rpm en 4 rpm.Die maksimum gemiddelde spoed van die drie lemme by 3 rpm is onderskeidelik 0,15 m/s, 0,20 m/s en 0,16 m/s, en die maksimum gemiddelde spoed by 4 rpm is 0,15 m/s, 0,22 m/s en 0,22 m/ s, onderskeidelik.op drie velle.
Nog 'n vorm van heliese vloei is gevind tussen wieke 1 en 2. Die vektorveld wys duidelik dat die watervloei opwaarts beweeg vanaf die onderkant van vinyl 2, soos aangedui deur die rigting van die vektor.Soos getoon deur die stippelblokkie in Fig. 4b, gaan hierdie vektore nie vertikaal opwaarts vanaf die lemoppervlak nie, maar draai na regs en daal geleidelik.Op die oppervlak van die lem 1 word afwaartse vektore onderskei, wat beide lemme nader en hulle omring vanaf die hersirkulasievloei wat tussen hulle gevorm word.Dieselfde vloeistruktuur is bepaal by beide rotasie spoed met 'n hoër spoed amplitude van 4 rpm.
Die snelheidsveld van lem 3 lewer nie 'n beduidende bydrae van die snelheidsvektor van die vorige lem wat by die vloei onder lem 3 aansluit nie. Die hoofvloei onder lem 3 is as gevolg van die vertikale snelheidsvektor wat saam met die water styg.
Die snelheidsvektore oor die oppervlak van die lem 3 kan in drie groepe verdeel word, soos getoon in Fig. 4c.Die eerste stel is die stel aan die regterkant van die lem.Die vloeistruktuur in hierdie posisie is reguit na regs en op (dws na lem 2).Die tweede groep is die middel van die lem.Die snelheidsvektor vir hierdie posisie is reguit opwaarts gerig, sonder enige afwyking en sonder rotasie.Die afname in die snelheidswaarde is bepaal met 'n toename in die hoogte bokant die punt van die lem.Vir die derde groep, geleë op die linkeromtrek van die lemme, word die vloei onmiddellik na links gerig, dit wil sê na die wand van die flokkulator.Die meeste van die vloei wat deur die snelheidsvektor voorgestel word, gaan op, en 'n deel van die vloei gaan horisontaal af.
Twee turbulensiemodelle, SST k–ω en IDDES, is gebruik om tydgemiddelde snelheidsprofiele vir 3 rpm en 4 rpm in die lem se gemiddelde lengtevlak te konstrueer.Soos getoon in Figuur 5, word bestendige toestand bereik deur die bereiking van absolute ooreenkoms tussen die snelheidskontoere wat deur vier opeenvolgende rotasies geskep word.Daarbenewens word die tydgemiddelde snelheidskontoere gegenereer deur IDDES in Fig. 6a getoon, terwyl die tydgemiddelde snelheidsprofiele gegenereer deur SST k – ω in Fig. 6a getoon word.6b.
Deur IDDES en tydgemiddelde snelheidslusse te gebruik wat deur SST k–ω gegenereer word, het IDDES 'n hoër proporsie snelheidslusse.
Ondersoek noukeurig die spoedprofiel geskep met IDDES by 3 rpm soos in Figuur 7 getoon. Die menger draai kloksgewys en die vloei word bespreek volgens die aantekeninge wat getoon word.
Op fig.7 kan gesien word dat daar op die oppervlak van die lem 3 in die I-kwadrant 'n skeiding van die vloei is, aangesien die vloei nie beperk word as gevolg van die teenwoordigheid van die boonste gat nie.In kwadrant II word geen skeiding van die vloei waargeneem nie, aangesien die vloei heeltemal deur die wande van die flokkulator beperk word.In kwadrant III roteer die water teen 'n baie laer of laer spoed as in die vorige kwadrante.Die water in kwadrante I en II word afwaarts beweeg (dws geroteer of uitgestoot) deur die aksie van die menger.En in kwadrant III word die water deur die lemme van die roerder uitgedruk.Dit is duidelik dat die watermassa op hierdie plek die naderende flokkulator-mou weerstaan.Die kolkende vloei in hierdie kwadrant is heeltemal geskei.Vir kwadrant IV word die meeste van die lugvloei bokant vaan 3 na die flokkulatorwand gerig en verloor dit geleidelik sy grootte namate die hoogte na die boonste opening toeneem.
Daarbenewens sluit die sentrale ligging komplekse vloeipatrone in wat kwadrante III en IV oorheers, soos getoon deur die blou stippelellipse.Hierdie gemerkte area het niks te doen met die warrelvloei in die paddle flokkulator nie, aangesien die warrelende beweging geïdentifiseer kan word.Dit is in teenstelling met kwadrante I en II waar daar 'n duidelike skeiding tussen interne vloei en volle rotasievloei is.
Soos in fig.6, wat die resultate van IDDES en SST k-ω vergelyk, is die hoofverskil tussen die snelheidskontoere die grootte van die snelheid direk onder lem 3. Die SST k-ω-model toon duidelik dat uitgebreide hoësnelheidsvloei deur lem 3 gedra word in vergelyking met IDDES.
Nog 'n verskil kan gevind word in kwadrant III.Uit die IDDES, soos vroeër genoem, is rotasievloeiskeiding tussen die flokkulatorarms opgemerk.Hierdie posisie word egter sterk beïnvloed deur die lae snelheidsvloei vanaf die hoeke en die binnekant van die eerste lem.Vanaf SST k–ω vir dieselfde ligging toon die kontoerlyne relatief hoër snelhede in vergelyking met IDDES omdat daar geen samevloeiende vloei vanaf ander streke is nie.
'n Kwalitatiewe begrip van die snelheidsvektorvelde en stroomlyne word vereis vir 'n korrekte begrip van die vloeigedrag en struktuur.Gegewe dat elke lem 5 cm breed is, is sewe snelheidspunte oor die breedte gekies om 'n verteenwoordigende snelheidsprofiel te verskaf.Daarbenewens word 'n kwantitatiewe begrip van die grootte van snelheid as 'n funksie van hoogte bokant die lemoppervlak vereis deur die snelheidsprofiel direk oor elke lemoppervlak en oor 'n aaneenlopende afstand van 2,5 cm vertikaal tot 'n hoogte van 10 cm te plot.Sien S1, S2 en S3 in die figuur vir meer inligting.Bylaag A. Figuur 8 toon die ooreenkoms van die oppervlaksnelheidsverspreiding van elke lem (Y = 0.0) wat verkry is deur gebruik te maak van PIV-eksperimente en ANSYS-Vloeiende analise met behulp van IDDES en SST k-ω.Beide numeriese modelle maak dit moontlik om die vloeistruktuur op die oppervlak van die flokkulatorlemme akkuraat te simuleer.
Snelheidsverdelings PIV, IDDES en SST k–ω op die lemoppervlak.Die x-as verteenwoordig die breedte van elke vel in millimeter, met die oorsprong (0 mm) wat die linkeromtrek van die vel verteenwoordig en die einde (50 mm) wat die regteromtrek van die vel verteenwoordig.
Dit word duidelik gesien dat die spoedverdelings van die lemme 2 en 3 in Fig.8 en Fig.8 getoon word.S2 en S3 in Bylaag A toon soortgelyke tendense met hoogte, terwyl lem 1 onafhanklik verander.Die snelheidsprofiele van lemme 2 en 3 word perfek reguit en het dieselfde amplitude op 'n hoogte van 10 cm vanaf die punt van die lem.Dit beteken dat die vloei op hierdie punt uniform word.Dit word duidelik gesien uit die PIV-resultate, wat goed deur IDDES weergegee word.Intussen toon die SST k–ω resultate 'n paar verskille, veral by 4 rpm.
Dit is belangrik om daarop te let dat lem 1 dieselfde vorm van die snelheidsprofiel in alle posisies behou en nie in hoogte genormaliseer word nie, aangesien die werveling wat in die middel van die menger gevorm word, die eerste lem van alle arms bevat.Ook, in vergelyking met IDDES, het PIV-lemspoedprofiele 2 en 3 effens hoër spoedwaardes op die meeste plekke getoon totdat hulle byna gelyk was op 10 cm bo die lemoppervlak.
Plaas tyd: Feb-26-2023