Terima kasih kerana melawat Nature.com.Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan CSS terhad.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau lumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer).Di samping itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami menunjukkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Memaparkan karusel tiga slaid serentak.Gunakan butang Sebelum dan Seterusnya untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa, atau gunakan butang gelangsar pada penghujung untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa.
Dalam kajian ini, hidrodinamik pemberbukuan dinilai melalui penyiasatan eksperimen dan berangka medan halaju aliran gelora dalam flokulator dayung skala makmal.Aliran gelora yang menggalakkan pengagregatan zarah atau pecahan flok adalah kompleks dan dipertimbangkan dan dibandingkan dalam kertas kerja ini menggunakan dua model turbulensi, iaitu SST k-ω dan IDDES.Keputusan menunjukkan bahawa IDDES memberikan peningkatan yang sangat kecil berbanding SST k-ω, yang mencukupi untuk mensimulasikan aliran dengan tepat dalam flokulator dayung.Skor kesesuaian digunakan untuk menyiasat penumpuan keputusan PIV dan CFD, dan untuk membandingkan keputusan model pergolakan CFD yang digunakan.Kajian ini juga memberi tumpuan kepada pengiraan faktor gelincir k, iaitu 0.18 pada kelajuan rendah 3 dan 4 rpm berbanding nilai biasa biasa 0.25.Menurun k daripada 0.25 kepada 0.18 meningkatkan kuasa yang dihantar kepada bendalir sebanyak kira-kira 27-30% dan meningkatkan kecerunan halaju (G) sebanyak kira-kira 14%.Ini bermakna bahawa pencampuran yang lebih intensif dicapai daripada yang dijangkakan, oleh itu kurang tenaga yang digunakan, dan oleh itu penggunaan tenaga dalam unit pemberbukuan loji rawatan air minuman boleh menjadi lebih rendah.
Dalam penulenan air, penambahan koagulan menjejaskan kestabilan zarah koloid dan kekotoran kecil, yang kemudiannya bergabung membentuk pemberbukuan pada peringkat pemberbukuan.Serpihan ialah agregat fraktal yang terikat secara longgar, yang kemudiannya dikeluarkan dengan mendap.Sifat zarah dan keadaan campuran cecair menentukan kecekapan pemberbukuan dan proses rawatan.Pemberbukuan memerlukan pengadukan yang perlahan untuk jangka masa yang agak singkat dan tenaga yang banyak untuk menggerakkan isipadu air yang besar1.
Semasa pemberbukuan, hidrodinamik keseluruhan sistem dan kimia interaksi koagulan-zarah menentukan kadar di mana taburan saiz zarah pegun dicapai2.Apabila zarah berlanggar, ia melekat antara satu sama lain3.Oyegbile, Ay4 melaporkan bahawa perlanggaran bergantung pada mekanisme pengangkutan pemberbukuan resapan Brownian, ricih bendalir dan pengendapan pembezaan.Apabila serpihan berlanggar, ia tumbuh dan mencapai had saiz tertentu, yang boleh menyebabkan pecah, kerana serpihan tidak dapat menahan daya daya hidrodinamik5.Sebahagian daripada kepingan patah ini bergabung semula menjadi lebih kecil atau saiz yang sama6.Walau bagaimanapun, kepingan yang kuat boleh menahan daya ini dan mengekalkan saiznya dan bahkan membesar7.Yukselen dan Gregory8 melaporkan kajian yang berkaitan dengan pemusnahan kepingan dan keupayaannya untuk menjana semula, menunjukkan bahawa ketakterbalikan adalah terhad.Bridgeman, Jefferson9 menggunakan CFD untuk menganggarkan pengaruh tempatan aliran min dan pergolakan pada pembentukan dan pemecahan flok melalui kecerunan halaju tempatan.Dalam tangki yang dilengkapi dengan bilah pemutar, adalah perlu untuk mengubah kelajuan di mana agregat berlanggar dengan zarah lain apabila ia cukup tidak stabil dalam fasa pembekuan.Dengan menggunakan CFD dan kelajuan putaran yang lebih rendah sekitar 15 rpm, Vadasarukkai dan Gagnon11 dapat mencapai nilai G untuk pemberbukuan dengan bilah kon, dengan itu meminimumkan penggunaan kuasa untuk pengadukan.Walau bagaimanapun, operasi pada nilai G yang lebih tinggi boleh menyebabkan pemberbukuan.Mereka menyiasat kesan kelajuan pencampuran ke atas menentukan kecerunan halaju purata flokulator dayung juruterbang.Mereka berputar pada kelajuan lebih daripada 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 menggunakan empat model turbulensi yang berbeza untuk mengkaji medan aliran pada bangku ujian tangki.Mereka mengukur medan aliran dengan anemometer Doppler laser dan PIV dan membandingkan keputusan yang dikira dengan keputusan yang diukur.de Oliveira dan Donadel13 telah mencadangkan kaedah alternatif untuk menganggar kecerunan halaju daripada sifat hidrodinamik menggunakan CFD.Kaedah yang dicadangkan telah diuji pada enam unit pemberbukuan berdasarkan geometri heliks.menilai kesan masa pengekalan ke atas flokulan dan mencadangkan model pemberbukuan yang boleh digunakan sebagai alat untuk menyokong reka bentuk sel rasional dengan masa pengekalan yang rendah14.Zhan, You15 mencadangkan gabungan CFD dan model imbangan populasi untuk mensimulasikan ciri aliran dan gelagat flok dalam pemberbukuan skala penuh.Llano-Serna, Coral-Portillo16 menyiasat ciri aliran hidroflokulator jenis Cox dalam loji rawatan air di Viterbo, Colombia.Walaupun CFD mempunyai kelebihannya, terdapat juga batasan seperti ralat berangka dalam pengiraan.Oleh itu, sebarang keputusan berangka yang diperolehi hendaklah diteliti dan dianalisis dengan teliti untuk membuat kesimpulan yang kritikal17.Terdapat beberapa kajian dalam literatur mengenai reka bentuk flokulator penyekat mendatar, manakala cadangan untuk reka bentuk flokulator hidrodinamik adalah terhad18.Chen, Liao19 menggunakan persediaan eksperimen berdasarkan penyerakan cahaya terkutub untuk mengukur keadaan polarisasi cahaya berserakan daripada zarah individu.Feng, Zhang20 menggunakan Ansys-Fluent untuk mensimulasikan taburan arus pusar dan pusaran dalam medan aliran flokulator plat terkoagulasi dan flokulator antara beralun.Selepas mensimulasikan aliran bendalir bergelora dalam flokulator menggunakan Ansys-Fluent, Gavi21 menggunakan hasilnya untuk mereka bentuk flokulator.Vaneli dan Teixeira22 melaporkan bahawa hubungan antara dinamik bendalir flokulator tiub lingkaran dan proses pemberbukuan masih kurang difahami untuk menyokong reka bentuk yang rasional.de Oliveira dan Costa Teixeira23 mengkaji kecekapan dan menunjukkan sifat hidrodinamik flokulator tiub lingkaran melalui eksperimen fizik dan simulasi CFD.Ramai penyelidik telah mengkaji reaktor tiub bergelung atau flokulator tiub bergelung.Walau bagaimanapun, maklumat hidrodinamik terperinci mengenai tindak balas reaktor ini kepada pelbagai reka bentuk dan keadaan operasi masih kurang (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira dan Teixeira26 membentangkan hasil asal daripada simulasi teori, eksperimen dan CFD bagi flokulator lingkaran.Oliveira dan Teixeira27 mencadangkan untuk menggunakan gegelung lingkaran sebagai reaktor koagulasi-flokulasi dalam kombinasi dengan sistem dekanter konvensional.Mereka melaporkan bahawa keputusan yang diperoleh untuk kecekapan penyingkiran kekeruhan adalah berbeza dengan ketara daripada yang diperoleh dengan model yang biasa digunakan untuk menilai pemberbukuan, mencadangkan berhati-hati apabila menggunakan model sedemikian.Moruzzi dan de Oliveira [28] memodelkan kelakuan sistem ruang pemberbukuan berterusan di bawah pelbagai keadaan operasi, termasuk variasi dalam bilangan ruang yang digunakan dan penggunaan kecerunan halaju sel tetap atau berskala.Romphophak, Le Men29 PIV ukuran halaju serta-merta dalam pembersih jet kuasi dua dimensi.Mereka mendapati peredaran kuat akibat jet di zon pemberbukuan dan menganggarkan kadar ricih tempatan dan serta-merta.
Shah, Joshi30 melaporkan bahawa CFD menawarkan alternatif yang menarik untuk menambah baik reka bentuk dan mendapatkan ciri aliran maya.Ini membantu untuk mengelakkan persediaan percubaan yang meluas.CFD semakin digunakan untuk menganalisis air dan loji rawatan air sisa (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Beberapa penyiasat telah melakukan eksperimen pada peralatan ujian tin (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) dan flokulator cakera berlubang31.Yang lain telah menggunakan CFD untuk menilai hidroflokulator (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 melaporkan bahawa flokulator mekanikal memerlukan penyelenggaraan yang kerap kerana ia sering rosak dan memerlukan banyak tenaga elektrik.
Prestasi flokulator dayung sangat bergantung kepada hidrodinamik takungan.Kekurangan pemahaman kuantitatif tentang medan halaju aliran dalam flokulator sedemikian jelas dinyatakan dalam kesusasteraan (Howe, Hand38; Hendricks39).Keseluruhan jisim air tertakluk kepada pergerakan pendesak flokulator, jadi gelinciran dijangka.Lazimnya, halaju bendalir adalah kurang daripada halaju bilah oleh faktor gelincir k, yang ditakrifkan sebagai nisbah halaju badan air kepada halaju roda dayung.Bhole40 melaporkan bahawa terdapat tiga faktor yang tidak diketahui untuk dipertimbangkan semasa mereka bentuk flokulator, iaitu kecerunan halaju, pekali seretan, dan halaju relatif air berbanding bilah.
Camp41 melaporkan bahawa apabila mempertimbangkan mesin kelajuan tinggi, kelajuan adalah kira-kira 24% daripada kelajuan rotor dan setinggi 32% untuk mesin kelajuan rendah.Dalam ketiadaan septa, Droste dan Ger42 menggunakan nilai ak 0.25, manakala dalam kes septa, k berkisar antara 0 hingga 0.15.Howe, Hand38 mencadangkan bahawa k berada dalam julat 0.2 hingga 0.3.Hendrix39 mengaitkan faktor gelincir dengan kelajuan putaran menggunakan formula empirikal dan membuat kesimpulan bahawa faktor gelinciran juga berada dalam julat yang ditetapkan oleh Camp41.Bratby43 melaporkan bahawa k adalah kira-kira 0.2 untuk kelajuan pendesak dari 1.8 hingga 5.4 rpm dan meningkat kepada 0.35 untuk kelajuan pendesak dari 0.9 hingga 3 rpm.Penyelidik lain melaporkan pelbagai nilai pekali seretan (Cd) dari 1.0 hingga 1.8 dan nilai pekali gelincir k dari 0.25 hingga 0.40 (Feir dan Geyer44; Hyde dan Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; dan Bratby dan Marais48 ).Kesusasteraan tidak menunjukkan kemajuan yang ketara dalam mentakrif dan mengukur k sejak kerja Camp41.
Proses pemberbukuan adalah berdasarkan pergolakan untuk memudahkan perlanggaran, di mana kecerunan halaju (G) digunakan untuk mengukur pergolakan/flokulasi.Pencampuran ialah proses penyebaran bahan kimia dengan cepat dan sekata di dalam air.Tahap pencampuran diukur dengan kecerunan halaju:
di mana G = kecerunan halaju (sec-1), P = input kuasa (W), V = isipadu air (m3), μ = kelikatan dinamik (Pa s).
Semakin tinggi nilai G, semakin bercampur.Pencampuran menyeluruh adalah penting untuk memastikan pembekuan seragam.Literatur menunjukkan bahawa parameter reka bentuk yang paling penting ialah masa pencampuran (t) dan kecerunan halaju (G).Proses pemberbukuan adalah berdasarkan pergolakan untuk memudahkan perlanggaran, di mana kecerunan halaju (G) digunakan untuk mengukur pergolakan/flokulasi.Nilai reka bentuk biasa untuk G ialah 20 hingga 70 s–1, t ialah 15 hingga 30 minit, dan Gt (tanpa dimensi) ialah 104 hingga 105. Tangki campuran pantas berfungsi paling baik dengan nilai G 700 hingga 1000, dengan masa tinggal lebih kurang 2 minit.
di mana P ialah kuasa yang diberikan kepada cecair oleh setiap bilah flokulator, N ialah kelajuan putaran, b ialah panjang bilah, ρ ialah ketumpatan air, r ialah jejari, dan k ialah pekali gelincir.Persamaan ini digunakan untuk setiap bilah secara individu dan hasilnya dijumlahkan untuk memberikan jumlah input kuasa flokulator.Kajian teliti persamaan ini menunjukkan kepentingan faktor gelincir k dalam proses reka bentuk flokulator dayung.Kesusasteraan tidak menyatakan nilai tepat k, sebaliknya mengesyorkan julat seperti yang dinyatakan sebelum ini.Walau bagaimanapun, hubungan antara kuasa P dan pekali gelinciran k adalah padu.Oleh itu, dengan syarat bahawa semua parameter adalah sama, sebagai contoh, menukar k daripada 0.25 kepada 0.3 akan membawa kepada penurunan kuasa yang dihantar ke cecair setiap bilah sebanyak kira-kira 20%, dan mengurangkan k daripada 0.25 kepada 0.18 akan meningkatkannya.sebanyak kira-kira 27-30% setiap ram Kuasa yang diberikan kepada bendalir.Akhirnya, kesan k pada reka bentuk flokulator dayung lestari perlu disiasat melalui kuantifikasi teknikal.
Kuantifikasi empirikal yang tepat bagi gelinciran memerlukan visualisasi aliran dan simulasi.Oleh itu, adalah penting untuk menerangkan kelajuan tangen bilah dalam air pada kelajuan putaran tertentu pada jarak jejarian yang berbeza dari aci dan pada kedalaman yang berbeza dari permukaan air untuk menilai kesan kedudukan bilah yang berbeza.
Dalam kajian ini, hidrodinamik pemberbukuan dinilai melalui penyiasatan eksperimen dan berangka medan halaju aliran gelora dalam flokulator dayung skala makmal.Pengukuran PIV direkodkan pada flokulator, menghasilkan kontur halaju purata masa yang menunjukkan halaju zarah air di sekeliling daun.Selain itu, ANSYS-Fluent CFD telah digunakan untuk mensimulasikan aliran berpusar di dalam flokulator dan mencipta kontur halaju purata masa.Model CFD yang terhasil telah disahkan dengan menilai kesesuaian antara keputusan PIV dan CFD.Fokus kerja ini adalah untuk mengukur pekali gelinciran k, yang merupakan parameter reka bentuk tanpa dimensi bagi flokulator dayung.Kerja yang dibentangkan di sini menyediakan asas baharu untuk mengukur pekali gelinciran k pada kelajuan rendah 3 rpm dan 4 rpm.Implikasi keputusan secara langsung menyumbang kepada pemahaman yang lebih baik tentang hidrodinamik tangki pemberbukuan.
Fokulator makmal terdiri daripada kotak segi empat tepat atas terbuka dengan ketinggian keseluruhan 147 cm, ketinggian 39 cm, lebar keseluruhan 118 cm, dan panjang keseluruhan 138 cm (Rajah 1).Kriteria reka bentuk utama yang dibangunkan oleh Camp49 digunakan untuk mereka bentuk flokulator dayung skala makmal dan menggunakan prinsip analisis dimensi.Kemudahan eksperimen itu dibina di Makmal Kejuruteraan Alam Sekitar Universiti Amerika Lubnan (Byblos, Lubnan).
Paksi mendatar terletak pada ketinggian 60 cm dari bawah dan memuatkan dua roda dayung.Setiap roda dayung terdiri daripada 4 dayung dengan 3 dayung pada setiap dayung dengan jumlah keseluruhan 12 dayung.Flokulasi memerlukan pengadukan lembut pada kelajuan rendah 2 hingga 6 rpm.Kelajuan pencampuran yang paling biasa dalam flokulator ialah 3 rpm dan 4 rpm.Aliran flokulator skala makmal direka bentuk untuk mewakili aliran dalam petak tangki pemberbukuan loji rawatan air minuman.Kuasa dikira menggunakan persamaan tradisional 42 .Untuk kedua-dua kelajuan putaran, kecerunan kelajuan \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) adalah lebih besar daripada 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , nombor Reynolds menunjukkan aliran gelora (Jadual 1).
PIV digunakan untuk mencapai ukuran tepat dan kuantitatif bagi vektor halaju bendalir secara serentak pada bilangan mata yang sangat besar50.Persediaan eksperimen termasuk flokulator dayung skala makmal, sistem LaVision PIV (2017) dan pencetus sensor laser luaran Arduino.Untuk mencipta profil halaju purata masa, imej PIV telah dirakam secara berurutan di lokasi yang sama.Sistem PIV ditentukur supaya kawasan sasaran berada pada titik tengah panjang setiap tiga bilah lengan dayung tertentu.Pencetus luaran terdiri daripada laser yang terletak pada satu sisi lebar flokulator dan penerima sensor di sisi lain.Setiap kali lengan flokulator menghalang laluan laser, isyarat dihantar ke sistem PIV untuk menangkap imej dengan laser PIV dan kamera disegerakkan dengan unit pemasaan boleh atur cara.Pada rajah.2 menunjukkan pemasangan sistem PIV dan proses pemerolehan imej.
Rakaman PIV telah dimulakan selepas flokulator dikendalikan selama 5-10 minit untuk menormalkan aliran dan mengambil kira medan indeks biasan yang sama.Penentukuran dicapai dengan menggunakan plat penentukuran yang direndam dalam flokulator dan diletakkan pada titik tengah panjang bilah yang diminati.Laraskan kedudukan laser PIV untuk membentuk kepingan cahaya rata tepat di atas plat penentukuran.Catatkan nilai yang diukur untuk setiap kelajuan putaran setiap bilah, dan kelajuan putaran yang dipilih untuk eksperimen ialah 3 rpm dan 4 rpm.
Untuk semua rakaman PIV, selang masa antara dua denyutan laser ditetapkan dalam julat dari 6900 hingga 7700 µs, yang membenarkan anjakan zarah minimum 5 piksel.Ujian rintis telah dijalankan ke atas bilangan imej yang diperlukan untuk mendapatkan ukuran purata masa yang tepat.Statistik vektor dibandingkan untuk sampel yang mengandungi 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 dan 280 imej.Saiz sampel sebanyak 240 imej didapati memberikan hasil purata masa yang stabil memandangkan setiap imej terdiri daripada dua bingkai.
Oleh kerana aliran dalam flokulator bergelora, tetingkap soal siasat kecil dan sejumlah besar zarah diperlukan untuk menyelesaikan struktur gelora kecil.Beberapa lelaran pengurangan saiz digunakan bersama-sama dengan algoritma korelasi silang untuk memastikan ketepatan.Saiz tetingkap pengundian awal 48×48 piksel dengan pertindihan 50% dan satu proses penyesuaian diikuti dengan saiz tetingkap undian akhir 32×32 piksel dengan pertindihan 100% dan dua proses penyesuaian.Di samping itu, sfera berongga kaca digunakan sebagai zarah benih dalam aliran, yang membenarkan sekurang-kurangnya 10 zarah setiap tetingkap pengundian.Rakaman PIV dicetuskan oleh sumber pencetus dalam Unit Pemasa Boleh Aturcara (PTU), yang bertanggungjawab untuk mengendalikan dan menyegerakkan sumber laser dan kamera.
Pakej CFD komersial ANSYS Fluent v 19.1 telah digunakan untuk membangunkan model 3D dan menyelesaikan persamaan aliran asas.
Menggunakan ANSYS-Fluent, model 3D flokulator dayung skala makmal telah dicipta.Model ini dibuat dalam bentuk kotak segi empat tepat, terdiri daripada dua roda dayung yang dipasang pada paksi mendatar, seperti model makmal.Model tanpa papan bebas adalah 108 cm tinggi, 118 cm lebar dan 138 cm panjang.Satah silinder mendatar telah ditambah di sekeliling pengadun.Penjanaan satah silinder harus melaksanakan putaran keseluruhan pengadun semasa fasa pemasangan dan mensimulasikan medan aliran berputar di dalam flokulator, seperti ditunjukkan dalam Rajah 3a.
Gambar rajah geometri ANSYS-fasih dan model 3D, jejaring badan flokulator ANSYS-fasih pada satah minat, gambar rajah ANSYS-fasih pada satah yang diminati.
Geometri model terdiri daripada dua kawasan, setiap satunya adalah bendalir.Ini dicapai menggunakan fungsi tolak logik.Mula-mula tolak silinder (termasuk pengadun) dari kotak untuk mewakili cecair.Kemudian tolak pengadun daripada silinder, menghasilkan dua objek: pengadun dan cecair.Akhir sekali, antara muka gelongsor digunakan antara dua kawasan: antara muka silinder-silinder dan antara muka pembancuh silinder (Rajah 3a).
Siratan model yang dibina telah disiapkan untuk memenuhi keperluan model turbulensi yang akan digunakan untuk menjalankan simulasi berangka.Mesh tidak berstruktur dengan lapisan berkembang berhampiran permukaan pepejal digunakan.Buat lapisan pengembangan untuk semua dinding dengan kadar pertumbuhan 1.2 untuk memastikan corak aliran kompleks ditangkap, dengan ketebalan lapisan pertama \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m untuk memastikan bahawa \ ( {\teks {y))^{+}\le 1.0\).Saiz badan dilaraskan menggunakan kaedah pemasangan tetrahedron.Saiz sisi hadapan dua antara muka dengan saiz elemen 2.5 × \({10}^{-3}\) m dicipta dan saiz hadapan pengadun 9 × \({10}^{-3}\ ) m digunakan.Mesh yang dihasilkan awal terdiri daripada 2144409 elemen (Rajah 3b).
Model pergolakan k–ε dua parameter telah dipilih sebagai model asas awal.Untuk mensimulasikan aliran berpusar di dalam flokulator dengan tepat, model yang lebih mahal dari segi pengiraan telah dipilih.Aliran berpusar bergelora di dalam flokulator telah disiasat secara berangka menggunakan dua model CFD: SST k–ω51 dan IDDES52.Keputusan kedua-dua model telah dibandingkan dengan keputusan PIV eksperimen untuk mengesahkan model.Pertama, model pergolakan k-ω SST ialah model kelikatan pergolakan dua persamaan untuk aplikasi dinamik bendalir.Ini ialah model hibrid yang menggabungkan model Wilcox k-ω dan k-ε.Fungsi pencampuran mengaktifkan model Wilcox berhampiran dinding dan model k-ε dalam aliran yang akan datang.Ini memastikan bahawa model yang betul digunakan di seluruh medan aliran.Ia meramalkan pemisahan aliran dengan tepat akibat kecerunan tekanan buruk.Kedua, kaedah Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), yang digunakan secara meluas dalam model Individual Eddy Simulation (DES) dengan model SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes), telah dipilih.IDDES ialah model RANS-LES hibrid (simulasi pusaran besar) yang menyediakan model simulasi penskalaan resolusi (SRS) yang lebih fleksibel dan mesra pengguna.Ia berdasarkan model LES untuk menyelesaikan pusaran besar dan kembali kepada SST k-ω untuk mensimulasikan pusaran skala kecil.Analisis statistik keputusan daripada simulasi SST k–ω dan IDDES dibandingkan dengan keputusan PIV untuk mengesahkan model.
Model pergolakan k–ε dua parameter telah dipilih sebagai model asas awal.Untuk mensimulasikan aliran berpusar di dalam flokulator dengan tepat, model yang lebih mahal dari segi pengiraan telah dipilih.Aliran berpusar bergelora di dalam flokulator telah disiasat secara berangka menggunakan dua model CFD: SST k–ω51 dan IDDES52.Keputusan kedua-dua model telah dibandingkan dengan keputusan PIV eksperimen untuk mengesahkan model.Pertama, model pergolakan k-ω SST ialah model kelikatan pergolakan dua persamaan untuk aplikasi dinamik bendalir.Ini ialah model hibrid yang menggabungkan model Wilcox k-ω dan k-ε.Fungsi pencampuran mengaktifkan model Wilcox berhampiran dinding dan model k-ε dalam aliran yang akan datang.Ini memastikan bahawa model yang betul digunakan di seluruh medan aliran.Ia meramalkan pemisahan aliran dengan tepat akibat kecerunan tekanan buruk.Kedua, kaedah Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), yang digunakan secara meluas dalam model Individual Eddy Simulation (DES) dengan model SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes), telah dipilih.IDDES ialah model RANS-LES hibrid (simulasi pusaran besar) yang menyediakan model simulasi penskalaan resolusi (SRS) yang lebih fleksibel dan mesra pengguna.Ia berdasarkan model LES untuk menyelesaikan pusaran besar dan kembali kepada SST k-ω untuk mensimulasikan pusaran skala kecil.Analisis statistik keputusan daripada simulasi SST k–ω dan IDDES dibandingkan dengan keputusan PIV untuk mengesahkan model.
Gunakan penyelesai sementara berasaskan tekanan dan gunakan graviti dalam arah Y.Putaran dicapai dengan memberikan gerakan mesh kepada pengadun, di mana asal paksi putaran berada di tengah paksi mendatar dan arah paksi putaran berada dalam arah Z.Antara muka mesh dicipta untuk kedua-dua antara muka geometri model, menghasilkan dua tepi kotak terikat.Seperti dalam teknik eksperimen, kelajuan putaran sepadan dengan 3 dan 4 pusingan.
Keadaan sempadan untuk dinding pengadun dan flokulator ditetapkan oleh dinding, dan pembukaan atas flokulator ditetapkan oleh alur keluar dengan tekanan tolok sifar (Rajah 3c).Skim komunikasi halaju tekanan yang MUDAH, pendiskretan ruang kecerunan fungsi tertib kedua dengan semua parameter berdasarkan elemen kuasa dua terkecil.Kriteria penumpuan untuk semua pembolehubah aliran ialah baki berskala 1 x \({10}^{-3}\).Bilangan maksimum lelaran setiap langkah masa ialah 20, dan saiz langkah masa sepadan dengan putaran 0.5°.Penyelesaian menumpu pada lelaran ke-8 untuk model SST k–ω dan pada lelaran ke-12 menggunakan IDDES.Di samping itu, bilangan langkah masa dikira supaya pengadun membuat sekurang-kurangnya 12 pusingan.Gunakan pensampelan data untuk statistik masa selepas 3 putaran, yang membolehkan aliran normalisasi, serupa dengan prosedur percubaan.Membandingkan output gelung kelajuan untuk setiap revolusi memberikan keputusan yang sama untuk empat pusingan terakhir, menunjukkan bahawa keadaan mantap telah dicapai.Putaran tambahan tidak meningkatkan kontur kelajuan sederhana.
Langkah masa ditakrifkan berhubung dengan kelajuan putaran, 3 rpm atau 4 rpm.Langkah masa diperhalusi kepada masa yang diperlukan untuk memutarkan pengadun sebanyak 0.5°.Ini ternyata mencukupi, kerana penyelesaiannya menumpu dengan mudah, seperti yang diterangkan dalam bahagian sebelumnya.Oleh itu, semua pengiraan berangka untuk kedua-dua model pergolakan telah dijalankan menggunakan langkah masa yang diubah suai sebanyak 0.02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) untuk 3 rpm, 0.0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.Untuk langkah masa penghalusan tertentu, nombor Courant sel sentiasa kurang daripada 1.0.
Untuk meneroka pergantungan model-mesh, keputusan pertama kali diperoleh menggunakan mesh 2.14M asal dan kemudian mesh 2.88M yang ditapis.Penapisan grid dicapai dengan mengurangkan saiz sel badan pengadun daripada 9 × \({10}^{-3}\) m kepada 7 × \({10}^{-3}\) m.Untuk jerat asli dan halus bagi kedua-dua model turbulence, nilai purata modul halaju di tempat yang berbeza di sekeliling bilah telah dibandingkan.Perbezaan peratusan antara keputusan ialah 1.73% untuk model SST k–ω dan 3.51% untuk model IDDES.IDDES menunjukkan perbezaan peratusan yang lebih tinggi kerana ia adalah model RANS-LES hibrid.Perbezaan ini dianggap tidak ketara, jadi simulasi dilakukan menggunakan mesh asal dengan 2.14 juta elemen dan langkah masa putaran 0.5°.
Kebolehulangan keputusan eksperimen telah diperiksa dengan melakukan setiap enam eksperimen untuk kali kedua dan membandingkan hasilnya.Bandingkan nilai kelajuan di tengah bilah dalam dua siri eksperimen.Perbezaan peratusan purata antara kedua-dua kumpulan eksperimen ialah 3.1%.Sistem PIV juga telah ditentukur semula secara bebas untuk setiap eksperimen.Bandingkan kelajuan yang dikira secara analitik di tengah setiap bilah dengan kelajuan PIV di lokasi yang sama.Perbandingan ini menunjukkan perbezaan dengan peratusan ralat maksimum 6.5% untuk bilah 1.
Sebelum mengukur faktor gelincir, adalah perlu untuk memahami secara saintifik konsep gelinciran dalam flokulator dayung, yang memerlukan kajian struktur aliran di sekeliling dayung flokulator.Secara konsep, pekali gelinciran dibina ke dalam reka bentuk flokulator dayung untuk mengambil kira kelajuan bilah berbanding dengan air.Literatur mengesyorkan bahawa kelajuan ini ialah 75% daripada kelajuan bilah, jadi kebanyakan reka bentuk biasanya menggunakan ak 0.25 untuk mengambil kira pelarasan ini.Ini memerlukan penggunaan garis arus halaju yang diperoleh daripada eksperimen PIV untuk memahami sepenuhnya medan halaju aliran dan mengkaji gelinciran ini.Bilah 1 ialah bilah paling dalam yang paling hampir dengan aci, bilah 3 ialah bilah paling luar, dan bilah 2 ialah bilah tengah.
Aliran halaju pada bilah 1 menunjukkan aliran berputar terus di sekeliling bilah.Corak aliran ini terpancar dari satu titik di sebelah kanan bilah, antara rotor dan bilah.Melihat kawasan yang ditunjukkan oleh kotak bertitik merah dalam Rajah 4a, adalah menarik untuk mengenal pasti satu lagi aspek aliran edaran semula di atas dan di sekeliling bilah.Visualisasi aliran menunjukkan sedikit aliran ke dalam zon edaran semula.Aliran ini menghampiri dari sebelah kanan bilah pada ketinggian kira-kira 6 cm dari hujung bilah, mungkin disebabkan oleh pengaruh bilah pertama tangan mendahului bilah, yang boleh dilihat dalam imej.Visualisasi aliran pada 4 rpm menunjukkan tingkah laku dan struktur yang sama, nampaknya dengan kelajuan yang lebih tinggi.
Medan halaju dan graf semasa bagi tiga bilah pada dua kelajuan putaran 3 rpm dan 4 rpm.Kelajuan purata maksimum bagi tiga bilah pada 3 rpm ialah 0.15 m/s, 0.20 m/s dan 0.16 m/s masing-masing, dan purata kelajuan maksimum pada 4 rpm ialah 0.15 m/s, 0.22 m/s dan 0.22 m/ s, masing-masing.pada tiga helaian.
Satu lagi bentuk aliran heliks ditemui di antara ram 1 dan 2. Medan vektor jelas menunjukkan bahawa aliran air bergerak ke atas dari bahagian bawah ram 2, seperti yang ditunjukkan oleh arah vektor.Seperti yang ditunjukkan oleh kotak bertitik dalam Rajah 4b, vektor ini tidak pergi secara menegak ke atas dari permukaan bilah, tetapi berpusing ke kanan dan secara beransur-ansur menurun.Pada permukaan bilah 1, vektor ke bawah dibezakan, yang menghampiri kedua-dua bilah dan mengelilinginya daripada aliran edaran semula yang terbentuk di antara mereka.Struktur aliran yang sama ditentukan pada kedua-dua kelajuan putaran dengan amplitud kelajuan yang lebih tinggi iaitu 4 rpm.
Medan halaju bilah 3 tidak memberi sumbangan yang ketara daripada vektor halaju bilah sebelumnya yang bergabung dengan aliran di bawah bilah 3. Aliran utama di bawah bilah 3 adalah disebabkan oleh vektor halaju menegak yang meningkat bersama air.
Vektor halaju di atas permukaan bilah 3 boleh dibahagikan kepada tiga kumpulan, seperti ditunjukkan dalam Rajah 4c.Set pertama ialah yang berada di tepi kanan bilah.Struktur aliran dalam kedudukan ini adalah lurus ke kanan dan ke atas (iaitu ke arah bilah 2).Kumpulan kedua ialah bahagian tengah bilah.Vektor halaju untuk kedudukan ini diarahkan lurus ke atas, tanpa sebarang sisihan dan tanpa putaran.Penurunan nilai halaju ditentukan dengan peningkatan ketinggian di atas hujung bilah.Untuk kumpulan ketiga, terletak di pinggir kiri bilah, aliran segera diarahkan ke kiri, iaitu ke dinding flokulator.Kebanyakan aliran yang diwakili oleh vektor halaju naik, dan sebahagian daripada aliran turun secara mendatar.
Dua model pergolakan, SST k–ω dan IDDES, digunakan untuk membina profil halaju purata masa untuk 3 rpm dan 4 rpm dalam satah panjang min bilah.Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5, keadaan mantap dicapai dengan mencapai persamaan mutlak antara kontur halaju yang dicipta oleh empat putaran berturut-turut.Di samping itu, kontur halaju purata masa yang dijana oleh IDDES ditunjukkan dalam Rajah 6a, manakala profil halaju purata masa yang dijana oleh SST k – ω ditunjukkan dalam Rajah 6a.6b.
Menggunakan IDDES dan gelung halaju purata masa yang dijana oleh SST k–ω, IDDES mempunyai perkadaran gelung halaju yang lebih tinggi.
Periksa dengan teliti profil kelajuan yang dicipta dengan IDDES pada 3 rpm seperti ditunjukkan dalam Rajah 7. Pengadun berputar mengikut arah jam dan aliran dibincangkan mengikut nota yang ditunjukkan.
Pada rajah.7 dapat dilihat bahawa pada permukaan bilah 3 dalam kuadran I terdapat pemisahan aliran, kerana aliran tidak dikekang kerana kehadiran lubang atas.Dalam kuadran II tiada pemisahan aliran diperhatikan, kerana aliran itu dihadkan sepenuhnya oleh dinding flokulator.Dalam kuadran III, air berputar pada kelajuan yang jauh lebih rendah atau lebih rendah daripada kuadran sebelumnya.Air dalam kuadran I dan II digerakkan (iaitu diputar atau ditolak keluar) ke bawah oleh tindakan pengadun.Dan dalam kuadran III, air ditolak keluar oleh bilah pengaduk.Adalah jelas bahawa jisim air di tempat ini menentang lengan flokulator yang menghampiri.Aliran putaran dalam kuadran ini dipisahkan sepenuhnya.Untuk kuadran IV, kebanyakan aliran udara di atas ram 3 diarahkan ke arah dinding flokulator dan secara beransur-ansur kehilangan saiznya apabila ketinggian meningkat ke bukaan atas.
Di samping itu, lokasi pusat termasuk corak aliran kompleks yang mendominasi kuadran III dan IV, seperti yang ditunjukkan oleh elips bertitik biru.Kawasan bertanda ini tiada kaitan dengan aliran berpusar dalam flokulator dayung, kerana gerakan berpusing boleh dikenal pasti.Ini berbeza dengan kuadran I dan II di mana terdapat pemisahan yang jelas antara aliran dalaman dan aliran putaran penuh.
Seperti yang ditunjukkan dalam rajah.6, membandingkan keputusan IDDES dan SST k-ω, perbezaan utama antara kontur halaju ialah magnitud halaju serta-merta di bawah bilah 3. Model SST k-ω jelas menunjukkan bahawa aliran halaju tinggi yang dilanjutkan dibawa oleh bilah 3 berbanding IDDES.
Perbezaan lain boleh didapati dalam kuadran III.Daripada IDDES, seperti yang dinyatakan sebelum ini, pemisahan aliran putaran antara lengan flocculator telah diperhatikan.Walau bagaimanapun, kedudukan ini sangat dipengaruhi oleh aliran halaju rendah dari sudut dan bahagian dalam bilah pertama.Dari SST k–ω untuk lokasi yang sama, garisan kontur menunjukkan halaju yang agak tinggi berbanding IDDES kerana tiada aliran konfluen dari kawasan lain.
Pemahaman kualitatif tentang medan dan garisan vektor halaju diperlukan untuk pemahaman yang betul tentang tingkah laku dan struktur aliran.Memandangkan setiap bilah adalah 5 cm lebar, tujuh titik halaju telah dipilih merentasi lebar untuk memberikan profil halaju yang mewakili.Di samping itu, pemahaman kuantitatif tentang magnitud halaju sebagai fungsi ketinggian di atas permukaan bilah diperlukan dengan memplot profil halaju terus ke atas setiap permukaan bilah dan pada jarak berterusan 2.5 cm secara menegak sehingga ketinggian 10 cm.Lihat S1, S2 dan S3 dalam rajah untuk maklumat lanjut.Lampiran A. Rajah 8 menunjukkan persamaan taburan halaju permukaan setiap bilah (Y = 0.0) yang diperoleh menggunakan eksperimen PIV dan analisis ANSYS-Fluent menggunakan IDDES dan SST k-ω.Kedua-dua model berangka membolehkan untuk mensimulasikan struktur aliran pada permukaan bilah flokulator dengan tepat.
Pengagihan halaju PIV, IDDES dan SST k–ω pada permukaan bilah.Paksi-x mewakili lebar setiap helaian dalam milimeter, dengan asalan (0 mm) mewakili pinggir kiri helaian dan hujung (50 mm) mewakili pinggir kanan helaian.
Jelas dilihat bahawa taburan kelajuan bilah 2 dan 3 ditunjukkan dalam Rajah.8 dan Rajah.8.S2 dan S3 dalam Lampiran A menunjukkan arah aliran yang sama dengan ketinggian, manakala bilah 1 berubah secara bebas.Profil halaju bilah 2 dan 3 menjadi lurus sempurna dan mempunyai amplitud yang sama pada ketinggian 10 cm dari hujung bilah.Ini bermakna aliran menjadi seragam pada ketika ini.Ini jelas dilihat daripada keputusan PIV, yang dihasilkan semula dengan baik oleh IDDES.Sementara itu, keputusan SST k–ω menunjukkan beberapa perbezaan, terutamanya pada 4 rpm.
Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa bilah 1 mengekalkan bentuk profil halaju yang sama dalam semua kedudukan dan ketinggiannya tidak dinormalkan, kerana pusaran yang terbentuk di tengah pengadun mengandungi bilah pertama semua lengan.Selain itu, berbanding dengan IDDES, profil kelajuan bilah PIV 2 dan 3 menunjukkan nilai kelajuan yang lebih tinggi sedikit di kebanyakan lokasi sehingga ia hampir sama pada 10 cm di atas permukaan bilah.
Masa siaran: Dis-27-2022