Vinutá trubice z nerezové oceli 316Ti PIV a CFD studie hydrodynamiky flokulace lopatky při nízké rychlosti otáčení

Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Abychom zajistili trvalou podporu, zobrazujeme web bez stylů a JavaScriptu.
Typ 316Ti (UNS 31635) je titanem stabilizovaná austenitická chromniklová nerezová ocel obsahující molybden.Tento přídavek zvyšuje odolnost proti korozi, zlepšuje odolnost proti důlkovým roztokům chloridových iontů a poskytuje zvýšenou pevnost při zvýšených teplotách.Vlastnosti jsou podobné jako u typu 316 s tím rozdílem, že 316Ti lze díky jeho přídavku titanu použít při zvýšených teplotách senzibilizace.Zlepšuje se odolnost proti korozi, zejména proti kyselině sírové, chlorovodíkové, octové, mravenčí a vinné, kyselým síranům a alkalickým chloridům.

Chemické složení:

Vlastnosti: Žíhaný：
Maximální pevnost v tahu: 75 KSI min (515 MPa min)
Mez kluzu: (0,2% offset) 30 KSI min (205 MPa min)
Tažnost: 40% min
Tvrdost: Rb 95 max

Posuvníky zobrazující tři články na snímku.Pro pohyb mezi snímky použijte tlačítka zpět a další, pro pohyb po jednotlivých snímcích použijte tlačítka posuvného ovladače na konci.
V této studii je hydrodynamika flokulace hodnocena experimentálním a numerickým zkoumáním pole rychlosti turbulentního proudění v laboratorním lopatkovém flokulátoru.Turbulentní proudění, které podporuje agregaci částic nebo rozpad vloček, je složité a je v tomto článku uvažováno a porovnáváno pomocí dvou modelů turbulence, konkrétně SST k-ω a IDDES.Výsledky ukazují, že IDDES poskytuje velmi malé zlepšení oproti SST k-ω, což je dostatečné pro přesnou simulaci proudění v lopatkovém flokulátoru.Fit skóre se používá ke zkoumání konvergence výsledků PIV a CFD a ke srovnání výsledků použitého modelu turbulence CFD.Studie se také zaměřuje na kvantifikaci faktoru skluzu k, který je 0,18 při nízkých otáčkách 3 a 4 ot./min oproti obvyklé typické hodnotě 0,25.Snížení k z 0,25 na 0,18 zvyšuje výkon dodávaný tekutině o přibližně 27-30 % a zvyšuje gradient rychlosti (G) přibližně o 14 %.To znamená, že je zajištěno více míchání, než se očekávalo, tudíž se spotřebuje méně energie, a proto může být spotřeba energie ve flokulační jednotce úpravny pitné vody nižší.
Při čištění vody přídavek koagulantů destabilizuje malé koloidní částice a nečistoty, které se pak spojují a vytvářejí vločkování ve fázi vločkování.Vločky jsou volně vázané fraktální agregáty hmoty, které jsou následně odstraněny usazováním.Vlastnosti částic a podmínky míšení kapalin určují účinnost flokulace a procesu úpravy.Flokulace vyžaduje pomalé míchání po relativně krátkou dobu a hodně energie k promíchání velkých objemů vody1.
Během flokulace určují hydrodynamika celého systému a chemie interakce koagulant-částice rychlost, kterou je dosaženo stacionární distribuce velikosti částic2.Když se částice srazí, slepí se k sobě3.Oyegbile, Ay4 uvedl, že srážky závisí na mechanismech flokulačního transportu Brownovy difúze, střihu tekutiny a diferenciálního usazování.Když se vločky srazí, rostou a dosahují určité hranice velikosti, což může vést k rozbití, protože vločky nemohou odolat síle hydrodynamických sil5.Některé z těchto rozbitých vloček se rekombinují na menší nebo stejné velikosti6.Silné vločky však mohou této síle odolat a udržet si svou velikost a dokonce i růst7.Yukselen a Gregory8 referovali o studiích týkajících se ničení vloček a jejich schopnosti regenerace, což ukazuje, že nevratnost je omezená.Bridgeman, Jefferson9 použili CFD k odhadu místního vlivu středního proudění a turbulence na tvorbu vloček a fragmentaci prostřednictvím místních gradientů rychlosti.V nádržích vybavených rotorovými listy je nutné měnit rychlost, při které dochází ke kolizi agregátů s jinými částicemi, když jsou dostatečně destabilizovány ve fázi koagulace.Použitím CFD a nižšími rychlostmi rotace kolem 15 ot./min. byli Vadasarukkai a Gagnon11 schopni dosáhnout hodnoty G pro vločkování kónických lopatek, čímž se minimalizovala spotřeba energie pro míchání.Provoz při vyšších hodnotách G však může vést k flokulaci.Zkoumali vliv rychlosti míchání na stanovení průměrného gradientu rychlosti pilotního lopatkového flokulátoru.Otáčejí se rychlostí vyšší než 5 ot./min.
Korpijärvi, Ahlstedt12 použil čtyři různé modely turbulence ke studiu proudového pole na zkušební stolici nádrže.Změřili průtokové pole laserovým dopplerovským anemometrem a PIV a vypočítané výsledky porovnali s naměřenými výsledky.de Oliveira a Donadel13 navrhli alternativní metodu pro odhadování gradientů rychlosti z hydrodynamických vlastností pomocí CFD.Navržená metoda byla testována na šesti flokulačních jednotkách založených na helikální geometrii.posoudili vliv retenčního času na flokulanty a navrhli model flokulace, který lze použít jako nástroj pro podporu racionálního návrhu buněk s nízkými retenčními časy14.Zhan, You15 navrhl kombinovaný model CFD a populační bilance pro simulaci charakteristik proudění a chování vloček v plném měřítku flokulace.Llano-Serna, Coral-Portillo16 zkoumal průtokové charakteristiky hydroflokulátoru typu Cox v úpravně vody ve Viterbu v Kolumbii.Ačkoli CFD má své výhody, existují také omezení, jako jsou numerické chyby ve výpočtech.Jakékoli získané číselné výsledky by proto měly být pečlivě prozkoumány a analyzovány, aby bylo možné vyvodit kritické závěry17.V literatuře je málo studií o konstrukci horizontálních flokulátorů s přepážkou, zatímco doporučení pro konstrukci hydrodynamických flokulátorů jsou omezená18.Chen, Liao19 použil experimentální uspořádání založené na rozptylu polarizovaného světla k měření stavu polarizace rozptýleného světla z jednotlivých částic.Feng, Zhang20 použil Ansys-Fluent k simulaci distribuce vířivých proudů a víření v průtokovém poli koagulačního deskového flokulátoru a inter-vlnitého flokulátoru.Po simulaci turbulentního proudění tekutiny ve flokulátoru pomocí Ansys-Fluent použil Gavi21 výsledky k návrhu flokulátoru.Vaneli a Teixeira22 uvedli, že vztah mezi dynamikou tekutin spirálových trubiček flokulátorů a flokulačním procesem je stále špatně pochopen, aby podpořil racionální návrh.de Oliveira a Costa Teixeira23 studovali účinnost a demonstrovali hydrodynamické vlastnosti spirálového trubicového flokulátoru pomocí fyzikálních experimentů a CFD simulací.Mnoho výzkumníků studovalo spirálové trubkové reaktory nebo spirálové trubkové flokulátory.Stále však chybí podrobné hydrodynamické informace o reakci těchto reaktorů na různé konstrukce a provozní podmínky (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira a Teixeira26 prezentují originální výsledky z teoretických, experimentálních a CFD simulací spirálového flokulátoru.Oliveira a Teixeira27 navrhli použít spirálovou spirálu jako koagulačno-flokulační reaktor v kombinaci s konvenčním dekantačním systémem.Uvádějí, že výsledky získané pro účinnost odstraňování zákalu se významně liší od výsledků získaných s běžně používanými modely pro hodnocení flokulace, což naznačuje opatrnost při používání takových modelů.Moruzzi a de Oliveira [28] modelovali chování systému kontinuálních flokulačních komor za různých provozních podmínek, včetně variací v počtu použitých komor a použití pevných nebo škálovaných gradientů rychlosti buněk.Romphophak, Le Men29 PIV měření okamžitých rychlostí v kvazi-dvourozměrných tryskových čističích.Zjistili silnou proudem indukovanou cirkulaci ve flokulační zóně a odhadli místní a okamžité smykové rychlosti.
Shah, Joshi30 uvádí, že CFD nabízí zajímavou alternativu pro zlepšení návrhů a získání charakteristik virtuálního proudění.To pomáhá vyhnout se rozsáhlým experimentálním nastavením.CFD se stále více používá k analýze čistíren vody a odpadních vod (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Několik výzkumníků provedlo experimenty na zařízení pro testování plechovek (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) a flokulátorech s perforovaným diskem31.Jiní použili CFD k hodnocení hydroflokulátorů (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 uvedl, že mechanické flokulátory vyžadují pravidelnou údržbu, protože se často porouchají a vyžadují hodně elektřiny.
Výkon lopatkového flokulátoru je vysoce závislý na hydrodynamice nádrže.Nedostatek kvantitativního porozumění polím rychlosti proudění v takových flokulátorech je jasně zaznamenán v literatuře (Howe, Hand38; Hendricks39).Celá vodní hmota je vystavena pohybu oběžného kola flokulátoru, takže se očekává prokluz.Typicky je rychlost tekutiny menší než rychlost lopatky o faktor skluzu k, který je definován jako poměr rychlosti vodního tělesa k rychlosti lopatkového kola.Bhole40 uvedl, že existují tři neznámé faktory, které je třeba vzít v úvahu při navrhování flokulátoru, a to gradient rychlosti, koeficient odporu a relativní rychlost vody vzhledem k čepeli.
Camp41 uvádí, že u vysokorychlostních strojů je rychlost asi 24 % rychlosti rotoru a až 32 % u nízkorychlostních strojů.V nepřítomnosti přepážek Droste a Ger42 použili hodnotu ak 0,25, zatímco v případě přepážek se k pohybovala od 0 do 0,15.Howe, Hand38 naznačuje, že k je v rozsahu 0,2 až 0,3.Hendrix39 spojil faktor skluzu s rotační rychlostí pomocí empirického vzorce a dospěl k závěru, že faktor skluzu byl také v rozmezí stanoveném Camp41.Bratby43 uvedl, že k je asi 0,2 pro otáčky oběžného kola od 1,8 do 5,4 ot./min a zvyšuje se na 0,35 pro otáčky oběžného kola od 0,9 do 3 ot./min.Jiní výzkumníci uvádějí široký rozsah hodnot součinitele odporu vzduchu (Cd) od 1,0 do 1,8 a součinitele skluzu k od 0,25 do 0,40 (Feir a Geyer44; Hyde a Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; a Bratby a Marais48 ).Literatura neukazuje významný pokrok v definování a kvantifikaci k od práce Camp41.
Proces flokulace je založen na turbulenci pro usnadnění kolizí, kde se k měření turbulence/flokulace používá gradientu rychlosti (G).Míchání je proces rychlého a rovnoměrného rozptýlení chemikálií ve vodě.Stupeň míchání se měří gradientem rychlosti:
kde G = gradient rychlosti (sec-1), P = příkon (W), V = objem vody (m3), μ = dynamická viskozita (Pa s).
Čím vyšší hodnota G, tím smíšenější.Pro rovnoměrnou koagulaci je nezbytné důkladné promíchání.Literatura uvádí, že nejdůležitějšími konstrukčními parametry jsou doba míchání (t) a gradient rychlosti (G).Proces flokulace je založen na turbulenci pro usnadnění kolizí, kde se k měření turbulence/flokulace používá gradientu rychlosti (G).Typické návrhové hodnoty pro G jsou 20 až 70 s–1, t je 15 až 30 minut a Gt (bezrozměrové) je 104 až 105. Nádrže s rychlým mixem fungují nejlépe s hodnotami G 700 až 1000, s časovou prodlevou asi 2 minuty.
kde P je výkon udělovaný kapalině každou lopatkou flokulátoru, N je rychlost otáčení, b je délka lopatky, ρ je hustota vody, r je poloměr a k je koeficient skluzu.Tato rovnice se aplikuje na každou lopatku samostatně a výsledky se sečtou, aby se získal celkový příkon flokulátoru.Pečlivé studium této rovnice ukazuje důležitost skluzového faktoru k v procesu návrhu lopatkového flokulátoru.Literatura neuvádí přesnou hodnotu k, ale místo toho doporučuje rozsah, jak bylo uvedeno dříve.Vztah mezi výkonem P a koeficientem skluzu k je však kubický.Tedy za předpokladu, že všechny parametry jsou stejné, například změna k z 0,25 na 0,3 povede ke snížení výkonu přenášeného do kapaliny na lopatku asi o 20 % a snížení k z 0,25 na 0,18 ji zvýší.přibližně o 27-30 % na lopatku Výkon udělovaný kapalině.Nakonec je třeba prozkoumat vliv k na udržitelný design lopatkového flokulátoru pomocí technické kvantifikace.
Přesná empirická kvantifikace skluzu vyžaduje vizualizaci a simulaci proudění.Proto je důležité popsat tangenciální rychlost lopatky ve vodě při určité rychlosti otáčení v různých radiálních vzdálenostech od hřídele a v různých hloubkách od vodní hladiny, aby bylo možné vyhodnotit vliv různých poloh lopatky.
V této studii je hydrodynamika flokulace hodnocena experimentálním a numerickým zkoumáním pole rychlosti turbulentního proudění v laboratorním lopatkovém flokulátoru.Měření PIV se zaznamenává na flokulátor, čímž se vytvoří časově zprůměrované obrysy rychlosti ukazující rychlost vodních částic kolem listů.Kromě toho byl ANSYS-Fluent CFD použit k simulaci vířivého proudění uvnitř flokulátoru a vytvoření časově zprůměrovaných vrstevnic rychlosti.Výsledný CFD model byl potvrzen vyhodnocením korespondence mezi výsledky PIV a CFD.Tato práce se zaměřuje na kvantifikaci koeficientu skluzu k, což je bezrozměrný konstrukční parametr lopatkového flokulátoru.Zde prezentovaná práce poskytuje nový základ pro kvantifikaci součinitele skluzu k při nízkých rychlostech 3 ot/min a 4 ot/min.Důsledky výsledků přímo přispívají k lepšímu pochopení hydrodynamiky flokulační nádrže.
Laboratorní flokulátor se skládá z otevřeného obdélníkového boxu o celkové výšce 147 cm, výšce 39 cm, celkové šířce 118 cm a celkové délce 138 cm (obr. 1).Hlavní konstrukční kritéria vyvinutá Camp49 byla použita pro návrh lopatkového flokulátoru v laboratorním měřítku a uplatnění principů rozměrové analýzy.Experimentální zařízení bylo postaveno v laboratoři environmentálního inženýrství Libanonské americké univerzity (Byblos, Libanon).
Vodorovná osa je umístěna ve výšce 60 cm ode dna a pojme dvě lopatková kola.Každé pádlové kolo se skládá ze 4 pádel se 3 pádly na každém pádlu, celkem tedy 12 pádel.Flokulace vyžaduje jemné míchání při nízké rychlosti 2 až 6 otáček za minutu.Nejběžnější rychlosti míchání ve flokulátorech jsou 3 otáčky za minutu a 4 otáčky za minutu.Tok flokulátoru v laboratorním měřítku je navržen tak, aby reprezentoval tok v prostoru flokulační nádrže úpravny pitné vody.Výkon se vypočítá pomocí tradiční rovnice 42 .Pro obě rychlosti otáčení je gradient rychlosti \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) větší než 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) Reynoldsovo číslo označuje turbulentní proudění (tabulka 1).
PIV se používá k dosažení přesných a kvantitativních měření vektorů rychlosti tekutiny současně ve velmi velkém počtu bodů50.Experimentální sestava zahrnovala lopatkový flokulátor v laboratorním měřítku, systém LaVision PIV (2017) a spouštěč externího laserového senzoru Arduino.Pro vytvoření časově zprůměrovaných rychlostních profilů byly PIV snímky zaznamenávány postupně na stejném místě.Systém PIV je kalibrován tak, že cílová oblast je ve středu délky každého ze tří listů konkrétního ramena pádla.Externí spoušť se skládá z laseru umístěného na jedné straně šířky flokulátoru a senzorového přijímače na druhé straně.Pokaždé, když rameno flokulátoru zablokuje dráhu laseru, je do systému PIV odeslán signál k zachycení obrazu pomocí PIV laseru a kamery synchronizované s programovatelnou časovací jednotkou.Na Obr.2 ukazuje instalaci systému PIV a proces získávání obrazu.
Záznam PIV byl zahájen poté, co byl flokulátor provozován po dobu 5–10 minut, aby se normalizoval průtok a vzalo se v úvahu stejné pole indexu lomu.Kalibrace se dosáhne použitím kalibrační destičky ponořené do flokulátoru a umístěné ve středu délky zájmové čepele.Upravte polohu PIV laseru tak, aby se vytvořil plochý světelný plát přímo nad kalibrační deskou.Zaznamenejte naměřené hodnoty pro každou rychlost otáčení každé lopatky a rychlosti otáčení zvolené pro experiment jsou 3 otáčky za minutu a 4 otáčky za minutu.
U všech PIV záznamů byl nastaven časový interval mezi dvěma laserovými pulzy v rozsahu od 6900 do 7700 µs, což umožnilo minimální posunutí částic 5 pixelů.Byly provedeny pilotní testy na počtu snímků potřebných k získání přesných časově zprůměrovaných měření.Vektorové statistiky byly porovnány pro vzorky obsahující 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 a 280 obrázků.Bylo zjištěno, že velikost vzorku 240 snímků poskytuje stabilní časově zprůměrované výsledky za předpokladu, že každý snímek se skládá ze dvou snímků.
Protože proudění ve flokulátoru je turbulentní, je k rozlišení malých turbulentních struktur zapotřebí malé dotazovací okno a velký počet částic.Pro zajištění přesnosti je použito několik iterací zmenšení velikosti spolu s algoritmem vzájemné korelace.Po počáteční velikosti okna dotazování 48×48 pixelů s 50% překrytím a jedním adaptačním procesem následovala konečná velikost okna dotazování 32×32 pixelů se 100% překrytím a dvěma procesy adaptace.Kromě toho byly jako zárodečné částice v toku použity skleněné duté koule, což umožnilo alespoň 10 částic na volební okno.Nahrávání PIV je zahájeno spouštěcím zdrojem v rámci programovatelné časovací jednotky (PTU), která je zodpovědná za provoz a synchronizaci laserového zdroje a kamery.
Pro vývoj 3D modelu a řešení základních rovnic proudění byl použit komerční CFD balíček ANSYS Fluent v 19.1.
Pomocí ANSYS-Fluent byl vytvořen 3D model lopatkového flokulátoru v laboratorním měřítku.Model je vyroben ve formě obdélníkové krabice, sestávající ze dvou lopatkových kol namontovaných na vodorovné ose, jako laboratorní model.Model bez volného boku je 108 cm vysoký, 118 cm široký a 138 cm dlouhý.Kolem míchadla byla přidána vodorovná válcová rovina.Generování válcové roviny by mělo realizovat rotaci celého mixéru během fáze instalace a simulovat rotující proudové pole uvnitř flokulátoru, jak je znázorněno na obr. 3a.
3D ANSYS-fluent a model geometrie diagram, ANSYS-fluent těleso flokulátoru síť v rovině zájmu, ANSYS-fluent diagram v rovině zájmu.
Geometrie modelu se skládá ze dvou oblastí, z nichž každá je tekutina.Toho je dosaženo pomocí funkce logického odčítání.Nejprve odečtěte válec (včetně mixéru) z krabice, aby představoval kapalinu.Poté odečtěte mixér od válce, výsledkem jsou dva předměty: mixér a kapalina.Nakonec bylo použito posuvné rozhraní mezi dvěma oblastmi: rozhraní válec-válec a rozhraní válec-směšovač (obr. 3a).
Síťování vytvořených modelů bylo dokončeno tak, aby vyhovovalo požadavkům modelů turbulence, které budou použity pro provádění numerických simulací.Byla použita nestrukturovaná síť s expandovanými vrstvami v blízkosti pevného povrchu.Vytvořte expanzní vrstvy pro všechny stěny s rychlostí růstu 1,2, abyste zajistili zachycení komplexních vzorců proudění, s tloušťkou první vrstvy \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m, aby bylo zajištěno, že \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).Velikost těla se upravuje metodou čtyřstěnu.Je vytvořena velikost přední strany dvou rozhraní s velikostí prvku 2,5 × \({10}^{-3}\) m a velikost přední strany směšovače 9 × \({10}^{-3}\ ) m se aplikuje.Počáteční vygenerovaná síť sestávala z 2144409 prvků (obr. 3b).
Jako výchozí základní model byl zvolen dvouparametrový model turbulence k–ε.Pro přesnou simulaci vířivého proudění uvnitř flokulátoru byl zvolen výpočetně dražší model.Turbulentní vířivé proudění uvnitř flokulátoru bylo numericky zkoumáno pomocí dvou CFD modelů: SST k–ω51 a IDDES52.Výsledky obou modelů byly porovnány s experimentálními výsledky PIV pro validaci modelů.Za prvé, model turbulence SST k-ω je dvourovnicový model turbulentní viskozity pro aplikace dynamiky tekutin.Jedná se o hybridní model kombinující modely Wilcox k-ω a k-ε.Funkce míchání aktivuje Wilcoxův model v blízkosti stěny a model k-ε v nabíhajícím toku.To zajišťuje, že se v celém průtokovém poli použije správný model.Přesně předpovídá separaci toku v důsledku nepříznivých tlakových gradientů.Za druhé byla vybrána metoda Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), široce používaná v modelu Individual Eddy Simulation (DES) s modelem SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES je hybridní model RANS-LES (simulace velkých vírů), který poskytuje flexibilnější a uživatelsky přívětivější simulační model škálování rozlišení (SRS).Je založen na modelu LES pro rozlišení velkých vírů a vrací se k SST k-ω pro simulaci malých vírů.Statistické analýzy výsledků ze simulací SST k–ω a IDDES byly porovnány s výsledky PIV pro validaci modelu.
Jako výchozí základní model byl zvolen dvouparametrový model turbulence k–ε.Pro přesnou simulaci vířivého proudění uvnitř flokulátoru byl zvolen výpočetně dražší model.Turbulentní vířivé proudění uvnitř flokulátoru bylo numericky zkoumáno pomocí dvou CFD modelů: SST k–ω51 a IDDES52.Výsledky obou modelů byly porovnány s experimentálními výsledky PIV pro validaci modelů.Za prvé, model turbulence SST k-ω je dvourovnicový model turbulentní viskozity pro aplikace dynamiky tekutin.Jedná se o hybridní model kombinující modely Wilcox k-ω a k-ε.Funkce míchání aktivuje Wilcoxův model v blízkosti stěny a model k-ε v nabíhajícím toku.To zajišťuje, že se v celém průtokovém poli použije správný model.Přesně předpovídá separaci toku v důsledku nepříznivých tlakových gradientů.Za druhé byla vybrána metoda Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), široce používaná v modelu Individual Eddy Simulation (DES) s modelem SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES je hybridní model RANS-LES (simulace velkých vírů), který poskytuje flexibilnější a uživatelsky přívětivější simulační model škálování rozlišení (SRS).Je založen na modelu LES pro rozlišení velkých vírů a vrací se k SST k-ω pro simulaci malých vírů.Statistické analýzy výsledků ze simulací SST k–ω a IDDES byly porovnány s výsledky PIV pro validaci modelu.
Použijte řešič přechodových jevů založený na tlaku a použijte gravitaci ve směru Y.Rotace je dosaženo přiřazením síťového pohybu směšovači, kde počátek rotační osy je ve středu horizontální osy a směr rotační osy je ve směru Z.Pro obě rozhraní geometrie modelu je vytvořeno rozhraní sítě, jehož výsledkem jsou dvě hrany ohraničujícího rámečku.Stejně jako u experimentální techniky odpovídá rychlost otáčení 3 a 4 otáčkám.
Okrajové podmínky pro stěny směšovače a flokulátoru byly nastaveny stěnou a horní otvor flokulátoru byl nastaven výstupem s nulovým přetlakem (obr. 3c).JEDNODUCHÉ komunikační schéma tlak-rychlost, diskretizace gradientního prostoru funkcí druhého řádu se všemi parametry na základě prvků nejmenších čtverců.Kritérium konvergence pro všechny tokové proměnné je škálovaný zbytek 1 x \({10}^{-3}\).Maximální počet iterací na časový krok je 20 a velikost časového kroku odpovídá otočení o 0,5°.Řešení konverguje při 8. iteraci pro model SST k–ω a při 12. iteraci pomocí IDDES.Navíc byl vypočítán počet časových kroků tak, aby mixér udělal alespoň 12 otáček.Aplikujte vzorkování dat pro časové statistiky po 3 otáčkách, což umožňuje normalizaci průtoku, podobně jako u experimentálního postupu.Porovnání výstupu rychlostních smyček pro každou otáčku dává přesně stejné výsledky pro poslední čtyři otáčky, což znamená, že bylo dosaženo ustáleného stavu.Extra otáčky nezlepšily obrysy střední rychlosti.
Časový krok je definován ve vztahu k rychlosti otáčení, 3 ot./min nebo 4 ot./min.Časový krok je upřesněn na dobu potřebnou k otočení mixéru o 0,5°.To se ukazuje jako dostatečné, protože řešení snadno konverguje, jak je popsáno v předchozí části.Všechny numerické výpočty pro oba modely turbulence byly tedy provedeny s použitím upraveného časového kroku 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) pro 3 otáčky za minutu, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 ot./min.Pro daný časový krok upřesnění je číslo Courant buňky vždy menší než 1,0.
Pro prozkoumání závislosti modelu a sítě byly nejprve získány výsledky s použitím původní sítě 2,14 M a poté zjemněné sítě 2,88 M.Zjemnění mřížky je dosaženo zmenšením velikosti buněk těla mixéru z 9 × \({10}^{-3}\) m na 7 × \({10}^{-3}\) m.Pro původní a rafinované sítě dvou modelů turbulence byly porovnány průměrné hodnoty modulů rychlosti v různých místech kolem lopatky.Procentuální rozdíl mezi výsledky je 1,73 % pro model SST k–ω a 3,51 % pro model IDDES.IDDES vykazuje vyšší procentuální rozdíl, protože jde o hybridní model RANS-LES.Tyto rozdíly byly považovány za nevýznamné, proto byla simulace provedena s použitím původní sítě s 2,14 miliony prvků a krokem rotace po 0,5°.
Reprodukovatelnost experimentálních výsledků byla zkoumána provedením každého ze šesti experimentů podruhé a porovnáním výsledků.Porovnejte hodnoty rychlosti ve středu lopatky ve dvou sériích experimentů.Průměrný procentuální rozdíl mezi dvěma experimentálními skupinami byl 3,1 %.Systém PIV byl také nezávisle rekalibrován pro každý experiment.Porovnejte analyticky vypočítanou rychlost ve středu každé lopatky s rychlostí PIV ve stejném místě.Toto srovnání ukazuje rozdíl s maximální procentuální chybou 6,5 % pro čepel 1.
Před kvantifikací skluzového faktoru je nutné vědecky porozumět konceptu skluzu v lopatkovém flokulátoru, což vyžaduje studium struktury proudění kolem lopatek flokulátoru.Koncepčně je koeficient skluzu zabudován do konstrukce lopatkových flokulátorů, aby se zohlednila rychlost lopatek vzhledem k vodě.Literatura doporučuje, aby tato rychlost byla 75 % rychlosti kotouče, takže většina konstrukcí obvykle používá ak 0,25 pro zohlednění této úpravy.To vyžaduje použití proudnic rychlosti odvozených z experimentů PIV, aby bylo možné plně porozumět poli rychlosti proudění a studovat tento skluz.Čepel 1 je nejvnitřnější čepel nejblíže hřídeli, čepel 3 je nejkrajnější čepel a čepel 2 je prostřední čepel.
Průběhy rychlosti na lopatce 1 ukazují přímé rotující proudění kolem lopatky.Tyto proudové vzory vycházejí z bodu na pravé straně lopatky, mezi rotorem a lopatkou.Při pohledu na oblast označenou červeným tečkovaným rámečkem na obrázku 4a je zajímavé identifikovat další aspekt recirkulačního toku nad a kolem lopatky.Vizualizace průtoku ukazuje malý průtok do recirkulační zóny.Tento proud se přibližuje z pravé strany čepele ve výšce asi 6 cm od konce čepele, možná vlivem první čepele ruky předcházející čepeli, která je viditelná na obrázku.Vizualizace průtoku při 4 otáčkách za minutu ukazuje stejné chování a strukturu, zřejmě s vyššími rychlostmi.
Grafy rychlostního pole a proudu tří lopatek při dvou rychlostech otáčení 3 ot./min a 4 ot./min.Maximální průměrná rychlost tří lopatek při 3 otáčkách za minutu je 0,15 m/s, 0,20 m/s a 0,16 m/s a maximální průměrná rychlost při 4 otáčkách za minutu je 0,15 m/s, 0,22 m/s a 0,22 m/s s, resp.na třech listech.
Jiná forma spirálového proudění byla nalezena mezi lopatkami 1 a 2. Vektorové pole jasně ukazuje, že proud vody se pohybuje směrem nahoru od spodní části lopatky 2, jak ukazuje směr vektoru.Jak ukazuje tečkovaný rámeček na obr. 4b, tyto vektory nejdou svisle nahoru od povrchu lopatky, ale otáčejí se doprava a postupně klesají.Na povrchu lopatky 1 jsou rozlišeny směrem dolů směřující vektory, které se přibližují k oběma lopatkám a obklopují je před recirkulačním prouděním vytvořeným mezi nimi.Stejná struktura toku byla stanovena při obou rychlostech otáčení s vyšší amplitudou rychlosti 4 ot./min.
Rychlostní pole lopatky 3 nepřispívá významně k vektoru rychlosti předchozí lopatky spojující proudění pod lopatkou 3. Hlavní proudění pod lopatkou 3 je způsobeno vertikálním vektorem rychlosti stoupajícím s vodou.
Vektory rychlosti na povrchu lopatky 3 lze rozdělit do tří skupin, jak je znázorněno na obr. 4c.První sada je sada na pravém okraji čepele.Struktura proudění v této poloze je rovná doprava a nahoru (tj. směrem k lopatce 2).Druhou skupinou je střed čepele.Vektor rychlosti pro tuto polohu směřuje přímo nahoru, bez jakékoli odchylky a bez rotace.Pokles hodnoty rychlosti byl stanoven s nárůstem výšky nad koncem lopatky.U třetí skupiny, která se nachází na levém okraji lopatek, je proudění okamžitě směrováno doleva, tj. ke stěně vločkovače.Většina toku reprezentovaného vektorem rychlosti jde nahoru a část toku jde vodorovně dolů.
Dva modely turbulence, SST k–ω a IDDES, byly použity ke konstrukci časově zprůměrovaných rychlostních profilů pro 3 otáčky za minutu a 4 otáčky za minutu v rovině střední délky lopatky.Jak je znázorněno na obrázku 5, ustáleného stavu je dosaženo dosažením absolutní podobnosti mezi rychlostními obrysy vytvořenými čtyřmi po sobě jdoucími rotacemi.Kromě toho jsou na obr. 6a znázorněny časově zprůměrované průběhy rychlosti generované IDDES, zatímco na obr. 6a jsou časově zprůměrované rychlostní profily generované SST k – ω.6b.
Při použití IDDES a časově zprůměrovaných rychlostních smyček generovaných SST k–ω má IDDES vyšší podíl rychlostních smyček.
Pečlivě prozkoumejte rychlostní profil vytvořený pomocí IDDES při 3 otáčkách za minutu, jak je znázorněno na obrázku 7. Mixér se otáčí ve směru hodinových ručiček a průtok je diskutován podle zobrazených poznámek.
Na Obr.7 je vidět, že na povrchu lopatky 3 v I kvadrantu je oddělení toku, protože tok není omezen přítomností horního otvoru.V kvadrantu II není pozorováno žádné oddělení toku, protože tok je zcela omezen stěnami flokulátoru.V kvadrantu III se voda točí mnohem nižší nebo nižší rychlostí než v předchozích kvadrantech.Voda v kvadrantech I a II se pohybuje (tj. rotuje nebo vytlačuje) směrem dolů působením směšovače.A v kvadrantu III je voda vytlačována lopatkami míchadla.Je zřejmé, že vodní hmota v tomto místě odolává blížící se objímce flokulátoru.Vířivý proud v tomto kvadrantu je zcela oddělen.Pro kvadrant IV je většina proudu vzduchu nad lopatkou 3 směrována ke stěně flokulátoru a postupně ztrácí svou velikost, jak se výška zvětšuje k hornímu otvoru.
Kromě toho centrální umístění zahrnuje složité vzory proudění, které dominují kvadrantům III a IV, jak ukazují modré tečkované elipsy.Tato označená oblast nemá nic společného s vířivým prouděním v lopatkovém flokulátoru, protože lze identifikovat vířivý pohyb.To je na rozdíl od kvadrantů I a II, kde existuje jasné oddělení mezi vnitřním tokem a plným rotačním tokem.
Jak je znázorněno na Obr.6, při porovnání výsledků IDDES a SST k-ω, je hlavním rozdílem mezi průběhy rychlosti velikost rychlosti bezprostředně pod lopatkou 3. Model SST k-ω jasně ukazuje, že rozšířené vysokorychlostní proudění je neseno lopatkou 3 ve srovnání s IDDES.
Další rozdíl lze nalézt v kvadrantu III.Z IDDES, jak bylo zmíněno dříve, bylo zaznamenáno rotační oddělení toku mezi rameny flokulátoru.Tato poloha je však silně ovlivněna nízkou rychlostí proudění z rohů a vnitřku první lopatky.Od SST k–ω pro stejné místo vykazují vrstevnice relativně vyšší rychlosti ve srovnání s IDDES, protože zde nedochází k souvislému proudění z jiných oblastí.
Pro správné pochopení chování a struktury proudění je vyžadováno kvalitativní pochopení vektorových polí rychlosti a proudnic.Vzhledem k tomu, že každá lopatka je široká 5 cm, bylo vybráno sedm rychlostních bodů po celé šířce, aby byl poskytnut reprezentativní profil rychlosti.Kromě toho je vyžadováno kvantitativní pochopení velikosti rychlosti jako funkce výšky nad povrchem lopatky vynesením profilu rychlosti přímo nad každou plochou lopatky a na souvislou vzdálenost 2,5 cm vertikálně až do výšky 10 cm.Další informace viz S1, S2 a S3 na obrázku.Dodatek A. Obrázek 8 ukazuje podobnost distribuce povrchové rychlosti každé lopatky (Y = 0,0) získanou pomocí experimentů PIV a analýzy ANSYS-Fluent pomocí IDDES a SST k-ω.Oba numerické modely umožňují přesně simulovat strukturu proudění na povrchu lopatek flokulátoru.
Rozložení rychlosti PIV, IDDES a SST k–ω na povrchu lopatky.Osa x představuje šířku každého listu v milimetrech, přičemž počátek (0 mm) představuje levý okraj listu a konec (50 mm) představuje pravý okraj listu.
Je jasně vidět, že rozdělení rychlosti lopatek 2 a 3 je znázorněno na obr. 8 a obr. 8. Obr.S2 a S3 v příloze A vykazují podobné trendy s výškou, zatímco lopatka 1 se mění nezávisle.Rychlostní profily lopatek 2 a 3 jsou dokonale rovné a mají stejnou amplitudu ve výšce 10 cm od konce lopatky.To znamená, že v tomto bodě se proudění stává rovnoměrným.To je jasně vidět z výsledků PIV, které IDDES dobře reprodukuje.Mezitím výsledky SST k–ω ukazují určité rozdíly, zejména při 4 otáčkách za minutu.
Je důležité poznamenat, že lopatka 1 si zachovává stejný tvar rychlostního profilu ve všech polohách a není normalizována na výšku, protože vír vytvořený ve středu mixéru obsahuje první lopatku všech ramen.Také ve srovnání s IDDES vykazovaly rychlostní profily 2 a 3 PIV lopatky mírně vyšší hodnoty rychlosti na většině míst, dokud nebyly téměř stejné ve výšce 10 cm nad povrchem lopatky.