316Ti špirálová rúrka z nehrdzavejúcej ocele PIV a CFD štúdia hydrodynamiky lopatkovej flokulácie pri nízkej rýchlosti otáčania

Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Používate verziu prehliadača s obmedzenou podporou CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, zobrazujeme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Typ 316Ti (UNS 31635) je titánom stabilizovaná austenitická chrómniklová nehrdzavejúca oceľ obsahujúca molybdén.Tento prídavok zvyšuje odolnosť proti korózii, zlepšuje odolnosť voči jamkovým roztokom chloridových iónov a poskytuje zvýšenú pevnosť pri zvýšených teplotách.Vlastnosti sú podobné vlastnostiam typu 316, s výnimkou toho, že 316Ti vďaka jeho prídavku titánu možno použiť pri zvýšených teplotách senzibilizácie.Zlepšuje sa odolnosť proti korózii, najmä proti kyseline sírovej, chlorovodíkovej, octovej, mravčej a vínnej, kyslým síranom a alkalickým chloridom.

Chemické zloženie:

Vlastnosti: Žíhaný：
Konečná pevnosť v ťahu: 75 KSI min (515 MPa min)
Medza klzu: (0,2% posun) 30 KSI min (205 MPa min)
Predĺženie: 40% min
Tvrdosť: Rb 95 max

Posuvníky zobrazujúce tri články na snímke.Na posúvanie medzi snímkami použite tlačidlá späť a ďalej, na posúvanie sa po jednotlivých snímkach použite tlačidlá ovládača posúvania na konci.
V tejto štúdii je hydrodynamika flokulácie hodnotená experimentálnym a numerickým skúmaním turbulentného poľa rýchlosti prúdenia v laboratórnom lopatkovom flokulátore.Turbulentné prúdenie, ktoré podporuje agregáciu častíc alebo rozpad vločiek, je zložité a v tomto článku sa uvažuje a porovnáva pomocou dvoch modelov turbulencie, konkrétne SST k-ω a IDDES.Výsledky ukazujú, že IDDES poskytuje veľmi malé zlepšenie oproti SST k-ω, čo je dostatočné na presnú simuláciu toku v lopatkovom vločkovacom zariadení.Fit skóre sa používa na skúmanie konvergencie výsledkov PIV a CFD a na porovnanie výsledkov použitého modelu turbulencie CFD.Štúdia sa zameriava aj na kvantifikáciu súčiniteľa sklzu k, ktorý je 0,18 pri nízkych otáčkach 3 a 4 ot./min. v porovnaní s obvyklou typickou hodnotou 0,25.Zníženie k z 0,25 na 0,18 zvyšuje výkon dodávaný kvapaline o približne 27 až 30 % a zvyšuje gradient rýchlosti (G) približne o 14 %.To znamená, že dochádza k väčšiemu miešaniu, ako sa očakávalo, preto sa spotrebuje menej energie, a preto môže byť spotreba energie vo flokulačnej jednotke úpravne pitnej vody nižšia.
Pri čistení vody pridávanie koagulantov destabilizuje malé koloidné častice a nečistoty, ktoré sa potom spájajú a vytvárajú flokuláciu v štádiu flokulácie.Vločky sú voľne viazané fraktálne zhluky hmoty, ktoré sa potom odstránia usadzovaním.Vlastnosti častíc a podmienky miešania kvapalín určujú účinnosť procesu flokulácie a úpravy.Flokulácia vyžaduje pomalé miešanie počas relatívne krátkej doby a veľa energie na miešanie veľkých objemov vody1.
Počas flokulácie určuje hydrodynamika celého systému a chémia interakcie koagulant-častica rýchlosť, ktorou sa dosiahne stacionárna distribúcia veľkosti častíc2.Keď sa častice zrazia, prilepia sa k sebe3.Oyegbile, Ay4 uviedol, že zrážky závisia od mechanizmov flokulačného transportu Brownovej difúzie, šmyku tekutín a diferenciálneho usadzovania.Keď sa vločky zrazia, rastú a dosahujú určitú hranicu veľkosti, čo môže viesť k rozbitiu, pretože vločky nedokážu odolať sile hydrodynamických síl5.Niektoré z týchto rozbitých vločiek sa rekombinujú na menšie alebo rovnakej veľkosti6.Silné vločky však môžu odolať tejto sile a udržať si svoju veľkosť a dokonca rásť7.Yukselen a Gregory8 informovali o štúdiách súvisiacich s ničením vločiek a ich schopnosťou regenerovať sa, čo ukazuje, že nezvratnosť je obmedzená.Bridgeman, Jefferson9 použili CFD na odhad miestneho vplyvu stredného prietoku a turbulencie na tvorbu vločiek a fragmentáciu prostredníctvom miestnych gradientov rýchlosti.V nádržiach vybavených rotorovými listami je potrebné meniť rýchlosť, pri ktorej sa agregáty zrážajú s inými časticami, keď sú dostatočne destabilizované vo fáze koagulácie.Použitím CFD a nižších rýchlostí otáčania okolo 15 ot./min. boli Vadasarukkai a Gagnon11 schopní dosiahnuť hodnotu G pre kužeľovú lopatkovú flokuláciu, čím sa minimalizovala spotreba energie na miešanie.Prevádzka pri vyšších hodnotách G však môže viesť k flokulácii.Skúmali vplyv rýchlosti miešania na určenie priemerného rýchlostného gradientu pilotného lopatkového flokulátora.Otáčajú sa rýchlosťou vyššou ako 5 ot./min.
Korpijärvi, Ahlstedt12 použili štyri rôzne modely turbulencie na štúdium prietokového poľa na skúšobnej stolici nádrže.Prietokové pole merali laserovým dopplerovským anemometrom a PIV a vypočítané výsledky porovnávali s nameranými výsledkami.de Oliveira a Donadel13 navrhli alternatívnu metódu na odhadovanie gradientov rýchlosti z hydrodynamických vlastností pomocou CFD.Navrhnutá metóda bola testovaná na šiestich flokulačných jednotkách založených na helikálnej geometrii.posúdili vplyv retenčného času na flokulanty a navrhli flokulačný model, ktorý možno použiť ako nástroj na podporu racionálneho bunkového dizajnu s nízkymi retenčnými časmi14.Zhan, You15 navrhol kombinovaný model CFD a populačnej bilancie na simuláciu charakteristík toku a správania vločiek pri flokulácii v plnom rozsahu.Llano-Serna, Coral-Portillo16 skúmal prietokové charakteristiky hydroflokulátora typu Cox v úpravni vody vo Viterbe v Kolumbii.Hoci CFD má svoje výhody, existujú aj obmedzenia, ako sú numerické chyby vo výpočtoch.Akékoľvek získané číselné výsledky by sa preto mali starostlivo preskúmať a analyzovať, aby bolo možné vyvodiť kritické závery17.V literatúre je málo štúdií o dizajne horizontálnych usmerňovačov vločkovačov, zatiaľ čo odporúčania pre dizajn hydrodynamických vločkovačov sú obmedzené18.Chen, Liao19 použili experimentálne nastavenie založené na rozptyle polarizovaného svetla na meranie stavu polarizácie rozptýleného svetla z jednotlivých častíc.Feng, Zhang20 použil Ansys-Fluent na simuláciu distribúcie vírivých prúdov a vírenia v prietokovom poli koagulovaného doskového flokulátora a medzivlnitého flokulátora.Po simulácii turbulentného prúdenia tekutiny vo flokulátore pomocou Ansys-Fluent použil Gavi21 výsledky na návrh flokulátora.Vaneli a Teixeira22 uviedli, že vzťah medzi dynamikou kvapalín špirálových flokulátorov a flokulačným procesom je stále nedostatočne pochopený na podporu racionálneho dizajnu.de Oliveira a Costa Teixeira23 študovali účinnosť a demonštrovali hydrodynamické vlastnosti špirálového trubicového flokulátora prostredníctvom fyzikálnych experimentov a CFD simulácií.Mnoho výskumníkov študovalo špirálové rúrkové reaktory alebo špirálové rúrkové flokulátory.Stále však chýbajú podrobné hydrodynamické informácie o odozve týchto reaktorov na rôzne konštrukcie a prevádzkové podmienky (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira a Teixeira26 prezentujú pôvodné výsledky z teoretických, experimentálnych a CFD simulácií špirálového flokulátora.Oliveira a Teixeira27 navrhli použiť špirálovú špirálu ako koagulačno-flokulačný reaktor v kombinácii s konvenčným dekantačným systémom.Uvádzajú, že výsledky získané pre účinnosť odstraňovania zákalu sa výrazne líšia od výsledkov získaných s bežne používanými modelmi na hodnotenie flokulácie, čo naznačuje opatrnosť pri používaní takýchto modelov.Moruzzi a de Oliveira [28] modelovali správanie systému kontinuálnych flokulačných komôr za rôznych prevádzkových podmienok, vrátane variácií v počte použitých komôr a použitia pevných alebo škálovaných gradientov rýchlosti buniek.Romphophak, Le Men29 PIV merania okamžitých rýchlostí v kvázi dvojrozmerných tryskových čističoch.Zistili silnú prúdom indukovanú cirkuláciu vo flokulačnej zóne a odhadli lokálne a okamžité šmykové rýchlosti.
Shah, Joshi30 uvádzajú, že CFD ponúka zaujímavú alternatívu na zlepšenie návrhov a získanie virtuálnych prietokových charakteristík.To pomáha vyhnúť sa rozsiahlym experimentálnym nastaveniam.CFD sa čoraz viac používa na analýzu čistiarní vody a odpadových vôd (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Niekoľko výskumníkov vykonalo experimenty na zariadení na testovanie plechoviek (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) a flokulátoroch s perforovaným diskom31.Iní použili CFD na vyhodnotenie hydroflokulátorov (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 uviedol, že mechanické flokulátory vyžadujú pravidelnú údržbu, pretože sa často pokazia a vyžadujú veľa elektriny.
Výkon lopatkového flokulátora je vysoko závislý od hydrodynamiky nádrže.Nedostatočné kvantitatívne pochopenie polí rýchlosti prúdenia v takýchto flokulátoroch je jasne zaznamenané v literatúre (Howe, Hand38; Hendricks39).Celá vodná hmota je vystavená pohybu obežného kolesa flokulátora, takže sa očakáva sklz.Typicky je rýchlosť tekutiny menšia ako rýchlosť lopatky o faktor sklzu k, ktorý je definovaný ako pomer rýchlosti vodného útvaru k rýchlosti lopatkového kolesa.Bhole40 uviedol, že pri navrhovaní vločkovača je potrebné zvážiť tri neznáme faktory, a to gradient rýchlosti, koeficient odporu a relatívnu rýchlosť vody vzhľadom na lopatku.
Camp41 uvádza, že pri vysokorýchlostných strojoch je rýchlosť približne 24 % rýchlosti rotora a až 32 % pri nízkorýchlostných strojoch.V neprítomnosti sept, Droste a Ger42 použili hodnotu ak 0,25, zatiaľ čo v prípade septa sa k pohybovalo od 0 do 0,15.Howe, Hand38 naznačuje, že k je v rozsahu 0,2 až 0,3.Hendrix39 spojil faktor sklzu s rýchlosťou otáčania pomocou empirického vzorca a dospel k záveru, že faktor sklzu bol tiež v rozsahu stanovenom Camp41.Bratby43 uviedol, že k je približne 0,2 pre rýchlosti obežného kolesa od 1,8 do 5,4 ot./min a zvyšuje sa na 0,35 pre otáčky obežného kolesa od 0,9 do 3 ot./min.Iní výskumníci uvádzajú široký rozsah hodnôt koeficientu odporu vzduchu (Cd) od 1,0 do 1,8 a koeficientu sklzu k od 0,25 do 0,40 (Feir a Geyer44; Hyde a Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; a Bratby a Marais48 ).Literatúra neukazuje významný pokrok v definovaní a kvantifikácii k od práce Camp41.
Vločkovací proces je založený na turbulencii na uľahčenie zrážok, kde sa na meranie turbulencie/flokulácie používa gradient rýchlosti (G).Miešanie je proces rýchleho a rovnomerného rozptýlenia chemikálií vo vode.Stupeň miešania sa meria gradientom rýchlosti:
kde G = gradient rýchlosti (sek-1), P = príkon (W), V = objem vody (m3), μ = dynamická viskozita (Pa s).
Čím vyššia je hodnota G, tým viac zmiešané.Na zabezpečenie rovnomernej koagulácie je nevyhnutné dôkladné premiešanie.Literatúra uvádza, že najdôležitejšie konštrukčné parametre sú čas miešania (t) a gradient rýchlosti (G).Vločkovací proces je založený na turbulencii na uľahčenie zrážok, kde sa na meranie turbulencie/flokulácie používa gradient rýchlosti (G).Typické konštrukčné hodnoty pre G sú 20 až 70 s–1, t je 15 až 30 minút a Gt (bezrozmerný) je 104 až 105. Nádrže s rýchlym miešaním najlepšie fungujú s hodnotami G 700 až 1000 s časovou výdržou asi 2 minúty.
kde P je výkon dodávaný kvapaline každou lopatkou flokulátora, N je rýchlosť otáčania, b je dĺžka lopatky, ρ je hustota vody, r je polomer a k je koeficient sklzu.Táto rovnica sa aplikuje na každú lopatku jednotlivo a výsledky sa sčítajú, čím sa získa celkový príkon vločkovača.Dôkladná štúdia tejto rovnice ukazuje dôležitosť faktora sklzu k v procese návrhu lopatkového flokulátora.Literatúra neuvádza presnú hodnotu k, ale namiesto toho odporúča rozsah, ako bolo uvedené vyššie.Vzťah medzi výkonom P a koeficientom sklzu k je však kubický.Teda za predpokladu, že všetky parametre sú rovnaké, napríklad zmena k z 0,25 na 0,3 povedie k zníženiu výkonu prenášaného na tekutinu na lopatku asi o 20 % a zníženie k z 0,25 na 0,18 ju zvýši.o približne 27-30 % na lopatku Výkon odovzdaný kvapaline.V konečnom dôsledku je potrebné preskúmať vplyv k na trvalo udržateľný dizajn lopatkového flokulátora prostredníctvom technickej kvantifikácie.
Presná empirická kvantifikácia sklzu vyžaduje vizualizáciu a simuláciu prúdenia.Preto je dôležité popísať tangenciálnu rýchlosť lopatky vo vode pri určitej rýchlosti otáčania v rôznych radiálnych vzdialenostiach od hriadeľa a v rôznych hĺbkach od vodnej hladiny, aby bolo možné vyhodnotiť vplyv rôznych polôh lopatky.
V tejto štúdii je hydrodynamika flokulácie hodnotená experimentálnym a numerickým skúmaním turbulentného poľa rýchlosti prúdenia v laboratórnom lopatkovom flokulátore.Merania PIV sa zaznamenávajú na flokulátore, čím sa vytvárajú časovo spriemerované obrysy rýchlosti ukazujúce rýchlosť častíc vody okolo listov.Okrem toho sa ANSYS-Fluent CFD použil na simuláciu vírivého toku vo flokulátore a vytvorenie časovo spriemerovaných obrysov rýchlosti.Výsledný CFD model bol potvrdený vyhodnotením zhody medzi výsledkami PIV a CFD.Ťažisko tejto práce je kvantifikovať koeficient sklzu k, ktorý je bezrozmerným konštrukčným parametrom lopatkového flokulátora.Tu prezentovaná práca poskytuje nový základ pre kvantifikáciu koeficientu sklzu k pri nízkych otáčkach 3 ot./min. a 4 ot./min.Dôsledky výsledkov priamo prispievajú k lepšiemu pochopeniu hydrodynamiky flokulačnej nádrže.
Laboratórny flokulátor pozostáva z otvorenej obdĺžnikovej škatule s celkovou výškou 147 cm, výškou 39 cm, celkovou šírkou 118 cm a celkovou dĺžkou 138 cm (obr. 1).Hlavné konštrukčné kritériá vyvinuté Camp49 boli použité na navrhnutie lopatkového flokulátora v laboratórnej mierke a aplikovanie princípov rozmerovej analýzy.Experimentálne zariadenie bolo postavené v Laboratóriu environmentálneho inžinierstva Libanonsko-americkej univerzity (Byblos, Libanon).
Vodorovná os je umiestnená vo výške 60 cm od spodnej časti a sú v nej umiestnené dve lopatkové kolesá.Každé lopatkové koleso sa skladá zo 4 lopatiek s 3 lopatkami na každej lopatke, spolu teda 12 lopatiek.Flokulácia vyžaduje jemné miešanie pri nízkej rýchlosti 2 až 6 ot./min.Najbežnejšie rýchlosti miešania vo vločkovačoch sú 3 otáčky za minútu a 4 otáčky za minútu.Laboratórny prietok flokulátora je navrhnutý tak, aby reprezentoval prietok v oddelení flokulačnej nádrže úpravne pitnej vody.Výkon sa vypočíta pomocou tradičnej rovnice 42 .Pre obe rýchlosti otáčania je gradient rýchlosti \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) väčší ako 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , Reynoldsovo číslo označuje turbulentné prúdenie (tabuľka 1).
PIV sa používa na dosiahnutie presných a kvantitatívnych meraní vektorov rýchlosti tekutiny súčasne vo veľmi veľkom počte bodov50.Experimentálne nastavenie zahŕňalo lopatkový flokulátor v laboratóriu, systém LaVision PIV (2017) a spúšť externého laserového senzora Arduino.Na vytvorenie časovo spriemerovaných rýchlostných profilov sa PIV snímky zaznamenávali postupne na rovnakom mieste.PIV systém je kalibrovaný tak, že cieľová oblasť je v strede dĺžky každej z troch čepelí konkrétneho lopatkového ramena.Vonkajšia spúšť pozostáva z lasera umiestneného na jednej strane šírky flokulátora a senzorového prijímača na druhej strane.Zakaždým, keď rameno flokulátora zablokuje dráhu lasera, do systému PIV sa odošle signál na zachytenie obrazu pomocou PIV lasera a kamery synchronizovanej s programovateľnou časovacou jednotkou.Na obr.2 je znázornená inštalácia systému PIV a proces získavania obrazu.
Zaznamenávanie PIV sa začalo po tom, čo bol flokulátor prevádzkovaný 5–10 minút, aby sa normalizoval prietok a zohľadnilo sa rovnaké pole indexu lomu.Kalibrácia sa dosiahne použitím kalibračnej platne ponorenej do flokulátora a umiestnenej v strede dĺžky čepele, ktorá nás zaujíma.Upravte polohu PIV lasera tak, aby sa vytvoril plochý svetelný plát priamo nad kalibračnou doskou.Zaznamenajte namerané hodnoty pre každú rýchlosť otáčania každej čepele a rýchlosti otáčania zvolené pre experiment sú 3 ot./min a 4 ot./min.
Pre všetky PIV záznamy bol časový interval medzi dvoma laserovými impulzmi nastavený v rozsahu od 6900 do 7700 µs, čo umožnilo minimálny posun častíc 5 pixelov.Uskutočnili sa pilotné testy na počte obrázkov potrebných na získanie presných meraní s časovým priemerom.Vektorové štatistiky sa porovnávali pre vzorky obsahujúce 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 a 280 obrázkov.Zistilo sa, že veľkosť vzorky 240 obrázkov poskytuje stabilné priemerné výsledky vzhľadom na to, že každý obrázok pozostáva z dvoch snímok.
Pretože prúdenie vo flokulátore je turbulentné, na rozlíšenie malých turbulentných štruktúr je potrebné malé dotazovacie okno a veľký počet častíc.Na zabezpečenie presnosti sa používa niekoľko iterácií zmenšenia veľkosti spolu s algoritmom vzájomnej korelácie.Po počiatočnej veľkosti okna prieskumu 48 × 48 pixelov s 50 % prekrytím a jedným adaptačným procesom nasledovala konečná veľkosť okna prieskumu 32 × 32 pixelov so 100 % prekrytím a dvoma adaptačnými procesmi.Okrem toho sa ako zárodočné častice v toku použili sklenené duté guľôčky, čo umožnilo aspoň 10 častíc na volebné okienko.Nahrávanie PIV je iniciované spúšťacím zdrojom v rámci programovateľnej časovacej jednotky (PTU), ktorá je zodpovedná za prevádzku a synchronizáciu laserového zdroja a kamery.
Na vývoj 3D modelu a riešenie základných rovníc prúdenia bol použitý komerčný CFD balík ANSYS Fluent v 19.1.
Pomocou ANSYS-Fluent bol vytvorený 3D model lopatkového flokulátora v laboratórnom meradle.Model je vyrobený vo forme obdĺžnikového boxu, ktorý pozostáva z dvoch lopatkových kolies namontovaných na vodorovnej osi, ako laboratórny model.Model bez voľného boku je 108 cm vysoký, 118 cm široký a 138 cm dlhý.Okolo mixéra bola pridaná horizontálna valcová rovina.Generovanie cylindrickej roviny by malo realizovať rotáciu celého mixéra počas fázy inštalácie a simulovať rotujúce prúdové pole vo vnútri flokulátora, ako je znázornené na obr. 3a.
3D ANSYS-plynulý a modelový geometrický diagram, ANSYS-plynulý flokulátorová sieť v rovine záujmu, ANSYS-plynulý diagram v rovine záujmu.
Geometria modelu pozostáva z dvoch oblastí, z ktorých každá je tekutina.To sa dosiahne pomocou funkcie logického odčítania.Najprv odpočítajte valec (vrátane mixéra) z krabice, aby predstavoval kvapalinu.Potom odpočítajte mixér od valca, výsledkom čoho sú dva objekty: mixér a kvapalina.Nakoniec sa medzi tieto dve oblasti aplikovalo posuvné rozhranie: rozhranie valec-valec a rozhranie valec-mixér (obr. 3a).
Sieťovanie zostrojených modelov bolo dokončené tak, aby vyhovovalo požiadavkám modelov turbulencie, ktoré budú použité na spustenie numerických simulácií.Použila sa neštruktúrovaná sieť s expandovanými vrstvami blízko pevného povrchu.Vytvorte expanzné vrstvy pre všetky steny s rýchlosťou rastu 1,2, aby ste zaistili zachytenie zložitých vzorcov prúdenia, s hrúbkou prvej vrstvy \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m, aby sa zabezpečilo, že \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).Veľkosť tela sa upravuje pomocou metódy štvorstenu.Vytvorí sa veľkosť prednej strany dvoch rozhraní s veľkosťou prvku 2,5 × \({10}^{-3}\) m a veľkosť prednej strany mixéra 9 × \({10}^{-3}\ ) m sa aplikuje.Počiatočná vygenerovaná sieť pozostávala z 2144409 prvkov (obr. 3b).
Ako východiskový základný model bol zvolený dvojparametrový model turbulencie k–ε.Na presnú simuláciu vírivého prúdenia vo flokulátore bol zvolený výpočtovo drahší model.Turbulentné vírivé prúdenie vo flokulátore bolo numericky skúmané pomocou dvoch CFD modelov: SST k–ω51 a IDDES52.Výsledky oboch modelov boli porovnané s experimentálnymi výsledkami PIV na overenie modelov.Po prvé, model turbulencie SST k-ω je dvojrovnicový model turbulentnej viskozity pre aplikácie dynamiky tekutín.Ide o hybridný model kombinujúci modely Wilcox k-ω a k-ε.Funkcia miešania aktivuje Wilcoxov model v blízkosti steny a k-ε model v prichádzajúcom prúdení.To zaisťuje, že sa v celom prietokovom poli použije správny model.Presne predpovedá oddelenie prietoku v dôsledku nepriaznivých tlakových gradientov.Po druhé, bola vybraná metóda Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), široko používaná v modeli Individual Eddy Simulation (DES) s modelom SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES je hybridný model RANS-LES (simulácia veľkých vírov), ktorý poskytuje flexibilnejší a užívateľsky prívetivejší simulačný model škálovania rozlíšenia (SRS).Je založený na modeli LES na riešenie veľkých vírov a vracia sa k SST k-ω na simuláciu malých vírov.Štatistické analýzy výsledkov zo simulácií SST k–ω a IDDES boli porovnané s výsledkami PIV na overenie modelu.
Ako východiskový základný model bol zvolený dvojparametrový model turbulencie k–ε.Na presnú simuláciu vírivého prúdenia vo flokulátore bol zvolený výpočtovo drahší model.Turbulentné vírivé prúdenie vo flokulátore bolo numericky skúmané pomocou dvoch CFD modelov: SST k–ω51 a IDDES52.Výsledky oboch modelov boli porovnané s experimentálnymi výsledkami PIV na overenie modelov.Po prvé, model turbulencie SST k-ω je dvojrovnicový model turbulentnej viskozity pre aplikácie dynamiky tekutín.Ide o hybridný model kombinujúci modely Wilcox k-ω a k-ε.Funkcia miešania aktivuje Wilcoxov model v blízkosti steny a k-ε model v prichádzajúcom prúdení.To zaisťuje, že sa v celom prietokovom poli použije správny model.Presne predpovedá oddelenie prietoku v dôsledku nepriaznivých tlakových gradientov.Po druhé, bola vybraná metóda Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), široko používaná v modeli Individual Eddy Simulation (DES) s modelom SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES je hybridný model RANS-LES (simulácia veľkých vírov), ktorý poskytuje flexibilnejší a užívateľsky prívetivejší simulačný model škálovania rozlíšenia (SRS).Je založený na modeli LES na riešenie veľkých vírov a vracia sa k SST k-ω na simuláciu malých vírov.Štatistické analýzy výsledkov zo simulácií SST k–ω a IDDES boli porovnané s výsledkami PIV na overenie modelu.
Použite riešenie prechodových javov založené na tlaku a použite gravitáciu v smere Y.Rotácia sa dosiahne priradením sieťového pohybu miešačke, kde začiatok osi rotácie je v strede horizontálnej osi a smer osi rotácie je v smere Z.Pre obe rozhrania geometrie modelu sa vytvorí sieťové rozhranie, výsledkom čoho sú dve hrany ohraničujúceho rámčeka.Rovnako ako v experimentálnej technike, rýchlosť otáčania zodpovedá 3 a 4 otáčkam.
Okrajové podmienky pre steny mixéra a flokulátora boli nastavené stenou a horný otvor flokulátora bol nastavený výstupom s nulovým pretlakom (obr. 3c).JEDNODUCHÁ komunikačná schéma tlak-rýchlosť, diskretizácia gradientového priestoru funkcií druhého rádu so všetkými parametrami na základe prvkov najmenších štvorcov.Kritérium konvergencie pre všetky prietokové premenné je škálované rezíduum 1 x \({10}^{-3}\).Maximálny počet iterácií na časový krok je 20 a veľkosť časového kroku zodpovedá otočeniu o 0,5°.Riešenie konverguje pri 8. iterácii pre SST k–ω model a pri 12. iterácii pomocou IDDES.Okrem toho bol vypočítaný počet časových krokov tak, aby mixér vykonal aspoň 12 otáčok.Aplikujte vzorkovanie údajov pre časové štatistiky po 3 otáčkach, čo umožňuje normalizáciu toku, podobne ako pri experimentálnom postupe.Porovnanie výstupu rýchlostných slučiek pre každú otáčku dáva presne rovnaké výsledky pre posledné štyri otáčky, čo naznačuje, že sa dosiahol ustálený stav.Extra otáčky nezlepšili obrysy strednej rýchlosti.
Časový krok je definovaný vo vzťahu k rýchlosti otáčania, 3 ot./min. alebo 4 ot./min.Časový krok je spresnený na čas potrebný na otočenie mixéra o 0,5°.To sa ukazuje ako postačujúce, pretože riešenie ľahko konverguje, ako je opísané v predchádzajúcej časti.Všetky numerické výpočty pre oba modely turbulencie boli teda vykonané s použitím upraveného časového kroku 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) pre 3 otáčky za minútu, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 ot./min.Pre daný časový krok spresnenia je číslo Courant bunky vždy menšie ako 1,0.
Aby sa preskúmala závislosť modelu od siete, výsledky sa najskôr získali s použitím pôvodnej siete 2,14 M a potom vylepšenej siete s veľkosťou 2,88 M.Zjemnenie mriežky sa dosiahne zmenšením veľkosti buniek tela mixéra z 9 × \({10}^{-3}\) m na 7 × \({10}^{-3}\) m.Pre pôvodné a rafinované siete dvoch modelov turbulencie sa porovnávali priemerné hodnoty rýchlostných modulov na rôznych miestach okolo lopatky.Percentuálny rozdiel medzi výsledkami je 1,73 % pre model SST k–ω a 3,51 % pre model IDDES.IDDES vykazuje vyšší percentuálny rozdiel, pretože ide o hybridný model RANS-LES.Tieto rozdiely boli považované za nevýznamné, takže simulácia bola vykonaná s použitím pôvodnej siete s 2,14 miliónmi prvkov a krokom rotácie 0,5°.
Reprodukovateľnosť experimentálnych výsledkov sa skúmala vykonaním každého zo šiestich experimentov druhýkrát a porovnaním výsledkov.Porovnajte hodnoty rýchlosti v strede čepele v dvoch sériách experimentov.Priemerný percentuálny rozdiel medzi dvoma experimentálnymi skupinami bol 3,1 %.Systém PIV bol tiež nezávisle prekalibrovaný pre každý experiment.Porovnajte analyticky vypočítanú rýchlosť v strede každého kotúča s rýchlosťou PIV na rovnakom mieste.Toto porovnanie ukazuje rozdiel s maximálnou percentuálnou chybou 6,5 % pre čepeľ 1.
Pred kvantifikáciou faktora sklzu je potrebné vedecky pochopiť pojem sklzu v lopatkovom flokulátore, čo si vyžaduje štúdium štruktúry prúdenia okolo lopatiek flokulátora.Koncepčne je koeficient sklzu zabudovaný do konštrukcie lopatkových flokulátorov, aby sa zohľadnila rýchlosť lopatiek vo vzťahu k vode.Literatúra odporúča, aby táto rýchlosť bola 75 % rýchlosti kotúča, takže väčšina návrhov zvyčajne používa ak 0,25 na zohľadnenie tejto úpravy.To si vyžaduje použitie prúdnic rýchlosti odvodených z experimentov PIV na úplné pochopenie poľa rýchlosti prúdenia a štúdium tohto sklzu.Čepeľ 1 je najvnútornejšia čepeľ najbližšie k hriadeľu, čepeľ 3 je najvzdialenejšia čepeľ a čepeľ 2 je stredná čepeľ.
Prúdy rýchlosti na lopatke 1 ukazujú priame rotujúce prúdenie okolo lopatky.Tieto vzory prúdenia vychádzajú z bodu na pravej strane lopatky, medzi rotorom a lopatkou.Pri pohľade na oblasť označenú červeným bodkovaným rámčekom na obrázku 4a je zaujímavé identifikovať ďalší aspekt recirkulačného toku nad a okolo lopatky.Vizualizácia prietoku ukazuje malý prietok do recirkulačnej zóny.Tento tok sa približuje z pravej strany čepele vo výške asi 6 cm od konca čepele, možno vplyvom prvej čepele ruky predchádzajúcej čepeli, ktorá je viditeľná na obrázku.Vizualizácia prietoku pri 4 otáčkach za minútu ukazuje rovnaké správanie a štruktúru, zrejme s vyššími rýchlosťami.
Grafy rýchlostného poľa a prúdu troch lopatiek pri dvoch rýchlostiach otáčania 3 ot./min a 4 ot./min.Maximálna priemerná rýchlosť troch lopatiek pri 3 otáčkach za minútu je 0,15 m/s, 0,20 m/sa 0,16 m/s a maximálna priemerná rýchlosť pri 4 otáčkach za minútu je 0,15 m/s, 0,22 m/s a 0,22 m/s. s, resp.na troch listoch.
Iná forma špirálovitého prúdenia bola nájdená medzi lopatkami 1 a 2. Vektorové pole jasne ukazuje, že prúd vody sa pohybuje smerom nahor od spodnej časti lopatky 2, ako je naznačené smerom vektora.Ako ukazuje bodkovaný rámček na obr. 4b, tieto vektory nesmerujú vertikálne nahor od povrchu čepele, ale otáčajú sa doprava a postupne klesajú.Na povrchu lopatky 1 sú rozlíšené smerom dole smerujúce vektory, ktoré sa približujú k obidvom lopatkám a obklopujú ich pred recirkulačným prúdom vytvoreným medzi nimi.Rovnaká štruktúra toku bola určená pri oboch rýchlostiach rotácie s vyššou amplitúdou rýchlosti 4 ot./min.
Rýchlostné pole lopatky 3 významne neprispieva z rýchlostného vektora predchádzajúcej lopatky spájajúcej tok pod lopatkou 3. Hlavné prúdenie pod lopatkou 3 je spôsobené vertikálnym vektorom rýchlosti stúpajúcim s vodou.
Vektory rýchlosti na povrchu lopatky 3 možno rozdeliť do troch skupín, ako je znázornené na obr. 4c.Prvá sada je sada na pravom okraji čepele.Štruktúra toku v tejto polohe je rovná doprava a hore (tj smerom k lopatke 2).Druhou skupinou je stred čepele.Vektor rýchlosti pre túto polohu smeruje priamo nahor, bez akejkoľvek odchýlky a bez rotácie.Pokles hodnoty rýchlosti bol stanovený s nárastom výšky nad koncom lopatky.Pre tretiu skupinu, umiestnenú na ľavom okraji lopatiek, je prúdenie okamžite nasmerované doľava, tj k stene vločkovača.Väčšina toku reprezentovaného vektorom rýchlosti ide hore a časť toku ide horizontálne dole.
Dva modely turbulencie, SST k–ω a IDDES, sa použili na zostavenie časovo spriemerovaných rýchlostných profilov pre 3 otáčky za minútu a 4 otáčky za minútu v rovine strednej dĺžky lopatky.Ako je znázornené na obrázku 5, ustálený stav sa dosiahne dosiahnutím absolútnej podobnosti medzi obrysmi rýchlosti vytvorenými štyrmi po sebe nasledujúcimi rotáciami.Okrem toho sú na obr. 6a znázornené časovo spriemerované rýchlostné profily generované pomocou IDDES, zatiaľ čo časovo spriemerované rýchlostné profily generované pomocou SST k – ω sú znázornené na obr. 6a.6b.
Použitím IDDES a časovo spriemerovaných rýchlostných slučiek generovaných SST k–ω má IDDES vyšší podiel rýchlostných slučiek.
Starostlivo skontrolujte rýchlostný profil vytvorený pomocou IDDES pri 3 ot./min., ako je znázornené na obrázku 7. Miešač sa otáča v smere hodinových ručičiek a prietok je diskutovaný podľa zobrazených poznámok.
Na obr.7 je možné vidieť, že na povrchu lopatky 3 v I kvadrante je oddelenie toku, pretože tok nie je obmedzený prítomnosťou horného otvoru.V kvadrante II nie je pozorované žiadne oddelenie toku, pretože tok je úplne obmedzený stenami flokulátora.V kvadrante III sa voda otáča oveľa nižšou alebo nižšou rýchlosťou ako v predchádzajúcich kvadrantoch.Voda v kvadrantoch I a II sa pohybuje (tj otáča alebo vytláča) smerom nadol pôsobením mixéra.A v kvadrante III je voda vytláčaná lopatkami miešadla.Je zrejmé, že vodná masa v tomto mieste odoláva približujúcej sa objímke flokulátora.Vírivé prúdenie v tomto kvadrante je úplne oddelené.V kvadrante IV je väčšina prúdu vzduchu nad lopatkou 3 nasmerovaná k stene flokulátora a postupne stráca svoju veľkosť, keď sa výška zvyšuje k hornému otvoru.
Okrem toho centrálna poloha zahŕňa zložité vzory prúdenia, ktoré dominujú kvadrantom III a IV, ako je znázornené modrými bodkovanými elipsami.Táto označená oblasť nemá nič spoločné s vírivým tokom v lopatkovom vločkovacom zariadení, pretože je možné identifikovať vírivý pohyb.To je na rozdiel od kvadrantov I a II, kde je jasné oddelenie medzi vnútorným tokom a plným rotačným tokom.
Ako je znázornené na obr.6, pri porovnaní výsledkov IDDES a SST k-ω, hlavný rozdiel medzi obrysmi rýchlosti je veľkosť rýchlosti bezprostredne pod lopatkou 3. Model SST k-ω jasne ukazuje, že rozšírené vysokorýchlostné prúdenie je prenášané lopatkou 3 v porovnaní s IDDES.
Ďalší rozdiel možno nájsť v kvadrante III.Z IDDES, ako už bolo spomenuté, bolo zaznamenané oddelenie rotačného toku medzi ramenami flokulátora.Táto poloha je však silne ovplyvnená nízkou rýchlosťou prúdenia z rohov a vnútrajšku prvej čepele.Z SST k–ω pre to isté miesto vykazujú vrstevnice relatívne vyššie rýchlosti v porovnaní s IDDES, pretože z iných oblastí nedochádza k žiadnemu sútoku.
Pre správne pochopenie správania a štruktúry prúdenia je potrebné kvalitatívne pochopenie vektorových polí rýchlosti a prúdnic.Vzhľadom na to, že každá lopatka je široká 5 cm, bolo zvolených sedem rýchlostných bodov po celej šírke, aby sa dosiahol reprezentatívny rýchlostný profil.Okrem toho je potrebné kvantitatívne pochopenie veľkosti rýchlosti ako funkcie výšky nad povrchom lopatky vynesením profilu rýchlosti priamo nad každým povrchom lopatky a na súvislú vzdialenosť 2,5 cm vertikálne až do výšky 10 cm.Ďalšie informácie nájdete na obrázku S1, S2 a S3.Príloha A. Obrázok 8 ukazuje podobnosť distribúcie povrchovej rýchlosti každej lopatky (Y = 0,0) získanú pomocou experimentov PIV a analýzy ANSYS-Fluent pomocou IDDES a SST k-ω.Oba numerické modely umožňujú presne simulovať štruktúru prúdenia na povrchu lopatiek flokulátora.
Rozloženie rýchlosti PIV, IDDES a SST k–ω na povrchu lopatky.Os x predstavuje šírku každého listu v milimetroch, pričom začiatok (0 mm) predstavuje ľavý okraj listu a koniec (50 mm) predstavuje pravý okraj listu.
Je jasne vidieť, že distribúcie rýchlosti lopatiek 2 a 3 sú znázornené na obr. 8 a obr.S2 a S3 v prílohe A vykazujú podobné trendy s výškou, zatiaľ čo čepeľ 1 sa mení nezávisle.Rýchlostné profily lopatiek 2 a 3 sú dokonale rovné a majú rovnakú amplitúdu vo výške 10 cm od konca lopatky.To znamená, že tok sa v tomto bode stáva rovnomerným.Je to jasne vidieť z výsledkov PIV, ktoré IDDES dobre reprodukuje.Medzitým výsledky SST k–ω ukazujú určité rozdiely, najmä pri 4 otáčkach za minútu.
Je dôležité poznamenať, že lopatka 1 si zachováva rovnaký tvar rýchlostného profilu vo všetkých polohách a nie je normalizovaná na výšku, pretože vír vytvorený v strede mixéra obsahuje prvú lopatku všetkých ramien.V porovnaní s IDDES tiež profily rýchlosti 2 a 3 PIV lopatky vykazovali o niečo vyššie hodnoty rýchlosti na väčšine miest, až kým neboli takmer rovnaké vo výške 10 cm nad povrchom lopatky.