Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.U gebruikt een browserversie met beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden wij u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen).Om voortdurende ondersteuning te garanderen, tonen we de site bovendien zonder stijlen en JavaScript.
Geeft een carrousel van drie dia's tegelijk weer.Gebruik de knoppen Vorige en Volgende om door drie dia's tegelijk te bladeren, of gebruik de schuifknoppen aan het einde om door drie dia's tegelijk te bladeren.
In deze studie wordt de hydrodynamica van flocculatie geëvalueerd door experimenteel en numeriek onderzoek van het turbulente stroomsnelheidsveld in een peddelflocculator op laboratoriumschaal.De turbulente stroming die deeltjesaggregatie of vlokafbraak bevordert, is complex en wordt in dit artikel beschouwd en vergeleken met behulp van twee turbulentiemodellen, namelijk SST k-ω en IDDES.De resultaten laten zien dat IDDES een zeer kleine verbetering biedt ten opzichte van SST k-ω, wat voldoende is om de stroming in een schoepenflocculator nauwkeurig te simuleren.De fitscore wordt gebruikt om de convergentie van PIV- en CFD-resultaten te onderzoeken en om de resultaten van het gebruikte CFD-turbulentiemodel te vergelijken.Het onderzoek richt zich ook op het kwantificeren van de slipfactor k, die 0,18 bedraagt bij lage snelheden van 3 en 4 tpm, vergeleken met de gebruikelijke typische waarde van 0,25.Het verlagen van k van 0,25 naar 0,18 verhoogt het vermogen dat aan de vloeistof wordt geleverd met ongeveer 27-30% en verhoogt de snelheidsgradiënt (G) met ongeveer 14%.Dit betekent dat er intensiever wordt gemengd dan verwacht, waardoor er minder energie wordt verbruikt en het energieverbruik in de flocculatie-eenheid van de drinkwaterzuiveringsinstallatie lager kan zijn.
Bij waterzuivering destabiliseert de toevoeging van coagulanten kleine colloïdale deeltjes en onzuiverheden, die zich vervolgens combineren om uitvlokking te vormen in de uitvlokkingsfase.Vlokken zijn losjes gebonden fractale massaaggregaten, die vervolgens worden verwijderd door bezinking.Deeltjeseigenschappen en vloeistofmengomstandigheden bepalen de efficiëntie van het uitvlok- en behandelingsproces.Flocculatie vereist langzaam roeren gedurende een relatief korte tijd en veel energie om grote hoeveelheden water te roeren1.
Tijdens flocculatie bepalen de hydrodynamica van het gehele systeem en de chemie van de interactie tussen stollingsmiddel en deeltjes de snelheid waarmee een stationaire deeltjesgrootteverdeling wordt bereikt2.Wanneer deeltjes botsen, blijven ze aan elkaar plakken3.Oyegbile, Ay4 rapporteerde dat botsingen afhankelijk zijn van de flocculatietransportmechanismen van Brownse diffusie, vloeistofafschuiving en differentiële bezinking.Wanneer de vlokken botsen, groeien ze en bereiken ze een bepaalde maximale grootte, wat tot breuk kan leiden, omdat de vlokken de kracht van hydrodynamische krachten niet kunnen weerstaan5.Sommige van deze gebroken vlokken recombineren tot kleinere of dezelfde grootte6.Sterke vlokken kunnen deze kracht echter weerstaan en hun grootte behouden en zelfs groeien7.Yukselen en Gregory8 rapporteerden over onderzoeken met betrekking tot de vernietiging van vlokken en hun vermogen om te regenereren, waaruit blijkt dat de onomkeerbaarheid beperkt is.Bridgeman, Jefferson9 gebruikte CFD om de lokale invloed van gemiddelde stroming en turbulentie op vlokvorming en fragmentatie door lokale snelheidsgradiënten te schatten.In tanks die zijn uitgerust met rotorbladen is het noodzakelijk om de snelheid te variëren waarmee de aggregaten in botsing komen met andere deeltjes wanneer deze voldoende zijn gedestabiliseerd in de coagulatiefase.Door het gebruik van CFD en lagere rotatiesnelheden van ongeveer 15 rpm konden Vadasarukkai en Gagnon11 G-waarden bereiken voor flocculatie met conische messen, waardoor het energieverbruik voor het roeren werd geminimaliseerd.Werken bij hogere G-waarden kan echter tot uitvlokking leiden.Ze onderzochten het effect van de mengsnelheid op het bepalen van de gemiddelde snelheidsgradiënt van een pilot-flocculator.Ze roteren met een snelheid van meer dan 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 gebruikte vier verschillende turbulentiemodellen om het stromingsveld op een tanktestbank te bestuderen.Ze maten het stromingsveld met een laser Doppler-anemometer en PIV en vergeleken de berekende resultaten met de gemeten resultaten.de Oliveira en Donadel13 hebben een alternatieve methode voorgesteld voor het schatten van snelheidsgradiënten op basis van hydrodynamische eigenschappen met behulp van CFD.De voorgestelde methode werd getest op zes flocculatie-eenheden op basis van spiraalvormige geometrie.beoordeelde het effect van de retentietijd op flocculanten en stelde een flocculatiemodel voor dat kan worden gebruikt als een hulpmiddel ter ondersteuning van een rationeel celontwerp met lage retentietijden14.Zhan, You15 stelden een gecombineerd CFD- en populatiebalansmodel voor om stromingskarakteristieken en vlokgedrag bij volledige uitvlokking te simuleren.Llano-Serna, Coral-Portillo16 onderzochten de stromingseigenschappen van een hydroflocculator van het Cox-type in een waterzuiveringsinstallatie in Viterbo, Colombia.Hoewel CFD zijn voordelen heeft, zijn er ook beperkingen zoals numerieke fouten in berekeningen.Daarom moeten alle verkregen numerieke resultaten zorgvuldig worden onderzocht en geanalyseerd om kritische conclusies te trekken17.Er zijn weinig studies in de literatuur over het ontwerp van horizontale baffle-flocculators, terwijl de aanbevelingen voor het ontwerp van hydrodynamische flocculators beperkt zijn18.Chen, Liao19 gebruikte een experimentele opstelling gebaseerd op de verstrooiing van gepolariseerd licht om de polarisatietoestand van verstrooid licht van individuele deeltjes te meten.Feng, Zhang20 gebruikte Ansys-Fluent om de verdeling van wervelstromen en wervelingen in het stromingsveld van een gecoaguleerde plaatflocculator en een inter-gegolfde flocculator te simuleren.Na het simuleren van de turbulente vloeistofstroom in een flocculator met behulp van Ansys-Fluent, gebruikte Gavi21 de resultaten om de flocculator te ontwerpen.Vaneli en Teixeira22 meldden dat de relatie tussen de vloeistofdynamica van spiraalbuisflocculators en het uitvlokkingsproces nog steeds slecht wordt begrepen om een rationeel ontwerp te ondersteunen.de Oliveira en Costa Teixeira23 bestudeerden de efficiëntie en demonstreerden de hydrodynamische eigenschappen van de spiraalbuisflocculator door middel van natuurkundige experimenten en CFD-simulaties.Veel onderzoekers hebben spiraalbuisreactoren of spiraalbuisflocculators bestudeerd.Gedetailleerde hydrodynamische informatie over de reactie van deze reactoren op verschillende ontwerpen en bedrijfsomstandigheden ontbreekt echter nog steeds (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira en Teixeira26 presenteren originele resultaten van theoretische, experimentele en CFD-simulaties van een spiraalflocculator.Oliveira en Teixeira27 stelden voor om een spiraalspiraal te gebruiken als coagulatie-flocculatiereactor in combinatie met een conventioneel decantersysteem.Ze melden dat de resultaten die zijn verkregen voor de efficiëntie van de troebelheidsverwijdering aanzienlijk verschillen van de resultaten die zijn verkregen met veelgebruikte modellen voor het evalueren van uitvlokking, wat erop duidt dat voorzichtigheid moet worden betracht bij het gebruik van dergelijke modellen.Moruzzi en de Oliveira [28] modelleerden het gedrag van een systeem van continue uitvlokkamers onder verschillende bedrijfsomstandigheden, inclusief variaties in het aantal gebruikte kamers en het gebruik van vaste of geschaalde celsnelheidsgradiënten.Rommphophak, Le Men29 PIV-metingen van momentane snelheden in quasi-tweedimensionale straalreinigers.Ze vonden een sterke jet-geïnduceerde circulatie in de flocculatiezone en schatten de lokale en instantane afschuifsnelheden.
Shah en Joshi30 melden dat CFD een interessant alternatief biedt voor het verbeteren van ontwerpen en het verkrijgen van virtuele stromingskarakteristieken.Dit helpt om uitgebreide experimentele opstellingen te vermijden.CFD wordt steeds vaker gebruikt om water- en afvalwaterzuiveringsinstallaties te analyseren (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Verschillende onderzoekers hebben experimenten uitgevoerd met bliktestapparatuur (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) en geperforeerde schijfflocculators31.Anderen hebben CFD gebruikt om hydroflocculators te evalueren (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 meldde dat mechanische flocculators regelmatig onderhoud nodig hebben, omdat ze vaak kapot gaan en veel elektriciteit vergen.
De prestaties van een peddelflocculator zijn sterk afhankelijk van de hydrodynamica van het reservoir.Het gebrek aan kwantitatief begrip van de stroomsnelheidsvelden in dergelijke flocculatoren wordt duidelijk opgemerkt in de literatuur (Howe, Hand38; Hendricks39).De gehele watermassa is onderhevig aan de beweging van de flocculatorwaaier, dus slippen is te verwachten.Typisch is de vloeistofsnelheid kleiner dan de bladsnelheid met de slipfactor k, die wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de snelheid van het waterlichaam en de snelheid van het schoepenwiel.Bhole40 meldde dat er drie onbekende factoren zijn waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van een flocculator, namelijk de snelheidsgradiënt, de luchtweerstandscoëfficiënt en de relatieve snelheid van het water ten opzichte van het blad.
Camp41 meldt dat bij het overwegen van machines met hoge snelheid de snelheid ongeveer 24% van de rotorsnelheid bedraagt en zelfs 32% voor machines met lage snelheid.Bij afwezigheid van septa gebruikten Droste en Ger42 een ak-waarde van 0,25, terwijl in het geval van septa de k varieerde van 0 tot 0,15.Howe en Hand38 suggereren dat k in het bereik van 0,2 tot 0,3 ligt.Hendrix39 bracht de slipfactor in verband met de rotatiesnelheid met behulp van een empirische formule en concludeerde dat de slipfactor ook binnen het door Camp41 vastgestelde bereik lag.Bratby43 meldde dat k ongeveer 0,2 is voor waaiersnelheden van 1,8 tot 5,4 tpm en toeneemt tot 0,35 voor waaiersnelheden van 0,9 tot 3 tpm.Andere onderzoekers rapporteren een breed scala aan luchtweerstandscoëfficiënt (Cd)-waarden van 1,0 tot 1,8 en slipcoëfficiënt k-waarden van 0,25 tot 0,40 (Feir en Geyer44; Hyde en Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; en Bratby en Marais48 ).De literatuur laat geen significante vooruitgang zien in het definiëren en kwantificeren van k sinds het werk van Camp41.
Het uitvlokproces is gebaseerd op turbulentie om botsingen te vergemakkelijken, waarbij de snelheidsgradiënt (G) wordt gebruikt om turbulentie/uitvlokking te meten.Mengen is het proces waarbij chemicaliën snel en gelijkmatig in water worden gedispergeerd.De mate van menging wordt gemeten door de snelheidsgradiënt:
waarbij G = snelheidsgradiënt (sec-1), P = opgenomen vermogen (W), V = watervolume (m3), μ = dynamische viscositeit (Pa s).
Hoe hoger de G-waarde, hoe meer gemengd.Grondig mengen is essentieel om een uniforme coagulatie te garanderen.Uit de literatuur blijkt dat de belangrijkste ontwerpparameters de mengtijd (t) en de snelheidsgradiënt (G) zijn.Het uitvlokproces is gebaseerd op turbulentie om botsingen te vergemakkelijken, waarbij de snelheidsgradiënt (G) wordt gebruikt om turbulentie/uitvlokking te meten.Typische ontwerpwaarden voor G zijn 20 tot 70 s–1, t is 15 tot 30 minuten en Gt (dimensieloos) is 104 tot 105. Fastmixtanks werken het beste met G-waarden van 700 tot 1000, met een tijdsverloop ongeveer 2 minuten.
waarbij P het vermogen is dat door elk flocculatorblad aan de vloeistof wordt verleend, N de rotatiesnelheid is, b de bladlengte is, ρ de waterdichtheid is, r de straal is en k de slipcoëfficiënt is.Deze vergelijking wordt op elk blad afzonderlijk toegepast en de resultaten worden opgeteld om het totale opgenomen vermogen van de flocculator te verkrijgen.Een zorgvuldige studie van deze vergelijking toont het belang aan van de slipfactor k in het ontwerpproces van een peddelflocculator.De literatuur vermeldt niet de exacte waarde van k, maar beveelt in plaats daarvan een bereik aan zoals eerder vermeld.De relatie tussen het vermogen P en de slipcoëfficiënt k is echter kubisch.Dus, op voorwaarde dat alle parameters hetzelfde zijn, zal het veranderen van k van 0,25 naar 0,3 bijvoorbeeld leiden tot een afname van het vermogen dat per blad naar de vloeistof wordt overgebracht met ongeveer 20%, en het verlagen van k van 0,25 naar 0,18 zal haar vergroten.met ongeveer 27-30% per schoep. Het vermogen dat aan de vloeistof wordt verleend.Uiteindelijk moet het effect van k op het duurzame ontwerp van peddelflocculatoren worden onderzocht door middel van technische kwantificering.
Nauwkeurige empirische kwantificering van slippen vereist stroomvisualisatie en simulatie.Daarom is het belangrijk om de tangentiële snelheid van het blad in water te beschrijven bij een bepaalde rotatiesnelheid op verschillende radiale afstanden van de as en op verschillende diepten van het wateroppervlak om het effect van verschillende bladposities te evalueren.
In deze studie wordt de hydrodynamica van flocculatie geëvalueerd door experimenteel en numeriek onderzoek van het turbulente stroomsnelheidsveld in een peddelflocculator op laboratoriumschaal.De PIV-metingen worden geregistreerd op de flocculator, waardoor tijdsgemiddelde snelheidscontouren ontstaan die de snelheid van waterdeeltjes rond de bladeren weergeven.Bovendien werd ANSYS-Fluent CFD gebruikt om de wervelende stroming in de flocculator te simuleren en tijdsgemiddelde snelheidscontouren te creëren.Het resulterende CFD-model werd bevestigd door de overeenkomst tussen de PIV- en CFD-resultaten te evalueren.De focus van dit werk ligt op het kwantificeren van de slipcoëfficiënt k, een dimensieloze ontwerpparameter van een peddelflocculator.Het hier gepresenteerde werk biedt een nieuwe basis voor het kwantificeren van de slipcoëfficiënt k bij lage snelheden van 3 rpm en 4 rpm.De implicaties van de resultaten dragen direct bij aan een beter begrip van de hydrodynamica van de flocculatietank.
De laboratoriumflocculator bestaat uit een rechthoekige doos met open bovenkant met een totale hoogte van 147 cm, een hoogte van 39 cm, een totale breedte van 118 cm en een totale lengte van 138 cm (Fig. 1).De belangrijkste ontwerpcriteria ontwikkeld door Camp49 werden gebruikt om een peddelflocculator op laboratoriumschaal te ontwerpen en de principes van dimensionale analyse toe te passen.De experimentele faciliteit werd gebouwd in het Environmental Engineering Laboratory van de Lebanese American University (Byblos, Libanon).
De horizontale as bevindt zich op een hoogte van 60 cm vanaf de bodem en biedt plaats aan twee schoepenwielen.Elk schoepenwiel bestaat uit 4 peddels met 3 peddels op elke peddel, voor een totaal van 12 peddels.Uitvlokking vereist voorzichtig roeren bij een lage snelheid van 2 tot 6 rpm.De meest voorkomende mengsnelheden in flocculators zijn 3 rpm en 4 rpm.De flocculatorstroom op laboratoriumschaal is ontworpen om de stroom in het flocculatietankcompartiment van een drinkwaterzuiveringsinstallatie weer te geven.Het vermogen wordt berekend met behulp van de traditionele vergelijking 42.Voor beide rotatiesnelheden is de snelheidsgradiënt \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) groter dan 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) geeft het Reynoldsgetal een turbulente stroming aan (Tabel 1).
PIV wordt gebruikt om op een zeer groot aantal punten gelijktijdig nauwkeurige en kwantitatieve metingen van vloeistofsnelheidsvectoren uit te voeren50.De experimentele opstelling omvatte een paddle-flocculator op laboratoriumschaal, een LaVision PIV-systeem (2017) en een Arduino externe lasersensortrigger.Om tijdsgemiddelde snelheidsprofielen te creëren, werden PIV-beelden opeenvolgend op dezelfde locatie opgenomen.Het PIV-systeem is zodanig gekalibreerd dat het doelgebied zich in het midden van de lengte van elk van de drie bladen van een bepaalde peddelarm bevindt.De externe trigger bestaat uit een laser aan de ene kant van de flocculatorbreedte en een sensorontvanger aan de andere kant.Elke keer dat de flocculatorarm het laserpad blokkeert, wordt een signaal naar het PIV-systeem gestuurd om een beeld vast te leggen met de PIV-laser en camera, gesynchroniseerd met een programmeerbare timingeenheid.Op afb.2 toont de installatie van het PIV-systeem en het beeldverwervingsproces.
De registratie van PIV werd gestart nadat de flocculator gedurende 5-10 minuten was gebruikt om de stroom te normaliseren en rekening te houden met hetzelfde brekingsindexveld.Kalibratie wordt bereikt door gebruik te maken van een kalibratieplaat die is ondergedompeld in de flocculator en in het midden van de lengte van het betreffende blad is geplaatst.Pas de positie van de PIV-laser aan om een vlakke lichtplaat direct boven de kalibratieplaat te vormen.Noteer de gemeten waarden voor elke rotatiesnelheid van elk blad, en de voor het experiment gekozen rotatiesnelheden zijn 3 rpm en 4 rpm.
Voor alle PIV-opnamen werd het tijdsinterval tussen twee laserpulsen ingesteld in het bereik van 6900 tot 7700 µs, wat een minimale deeltjesverplaatsing van 5 pixels mogelijk maakte.Er zijn pilottests uitgevoerd op het aantal afbeeldingen dat nodig is om nauwkeurige tijdsgemiddelde metingen te verkrijgen.Vectorstatistieken werden vergeleken voor monsters met 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 en 280 afbeeldingen.Een steekproefomvang van 240 afbeeldingen bleek stabiele tijdsgemiddelde resultaten op te leveren, aangezien elke afbeelding uit twee frames bestaat.
Omdat de stroming in de flocculator turbulent is, zijn een klein ondervragingsvenster en een groot aantal deeltjes nodig om kleine turbulente structuren op te lossen.Er worden verschillende iteraties van verkleining toegepast, samen met een kruiscorrelatie-algoritme om nauwkeurigheid te garanderen.Een initiële polling-venstergrootte van 48×48 pixels met 50% overlap en één aanpassingsproces werd gevolgd door een uiteindelijke polling-venstergrootte van 32×32 pixels met 100% overlap en twee aanpassingsprocessen.Bovendien werden holle glazen bollen gebruikt als zaaddeeltjes in de stroom, waardoor er minimaal 10 deeltjes per stemvenster mogelijk waren.PIV-opname wordt geactiveerd door een triggerbron in een Programmable Timing Unit (PTU), die verantwoordelijk is voor het bedienen en synchroniseren van de laserbron en de camera.
Het commerciële CFD-pakket ANSYS Fluent v 19.1 werd gebruikt om het 3D-model te ontwikkelen en de basisstroomvergelijkingen op te lossen.
Met behulp van ANSYS-Fluent werd een 3D-model van een paddleflocculator op laboratoriumschaal gemaakt.Het model is gemaakt in de vorm van een rechthoekige doos, bestaande uit twee op een horizontale as gemonteerde schoepenwielen, net als het laboratoriummodel.Het model zonder vrijboord is 108 cm hoog, 118 cm breed en 138 cm lang.Rondom de menger is een horizontaal cilindrisch vlak toegevoegd.Het genereren van cilindrische vlakken moet de rotatie van de gehele mixer tijdens de installatiefase implementeren en het roterende stromingsveld in de flocculator simuleren, zoals weergegeven in figuur 3a.
3D ANSYS-vloeiend en modelgeometriediagram, ANSYS-vloeiend flocculatorlichaamsmaas op het interessevlak, ANSYS-vloeiend diagram op het interessevlak.
De modelgeometrie bestaat uit twee gebieden, die elk een vloeistof zijn.Dit wordt bereikt met behulp van de logische aftrekkingsfunctie.Trek eerst de cilinder (inclusief mixer) uit de doos om de vloeistof weer te geven.Trek vervolgens de mixer van de cilinder af, wat resulteert in twee objecten: de mixer en de vloeistof.Ten slotte werd een glijdende interface toegepast tussen de twee gebieden: een cilinder-cilinderinterface en een cilinder-mixerinterface (Fig. 3a).
Het in elkaar grijpen van de geconstrueerde modellen is voltooid om te voldoen aan de eisen van de turbulentiemodellen die zullen worden gebruikt om de numerieke simulaties uit te voeren.Er werd een ongestructureerd gaas met geëxpandeerde lagen nabij het vaste oppervlak gebruikt.Creëer expansielagen voor alle wanden met een groeisnelheid van 1,2 om ervoor te zorgen dat complexe stromingspatronen worden vastgelegd, met een eerste laagdikte van \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m om ervoor te zorgen dat \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).De lichaamsgrootte wordt aangepast met behulp van de tetraëder-pasmethode.Er wordt een voorkantgrootte van twee interfaces met een elementgrootte van 2,5 × \({10}^{-3}\) m gemaakt, en een mixerfrontgrootte van 9 × \({10}^{-3}\ ) m wordt toegepast.Het aanvankelijk gegenereerde gaas bestond uit 2144409 elementen (Fig. 3b).
Er werd gekozen voor een k-ε-turbulentiemodel met twee parameters als het initiële basismodel.Om de wervelende stroming in de flocculator nauwkeurig te simuleren, werd gekozen voor een rekentechnisch duurder model.De turbulente wervelende stroming in de flocculator werd numeriek onderzocht met behulp van twee CFD-modellen: SST k–ω51 en IDDES52.De resultaten van beide modellen werden vergeleken met experimentele PIV-resultaten om de modellen te valideren.Ten eerste is het SST k-ω turbulentiemodel een turbulent viscositeitsmodel met twee vergelijkingen voor toepassingen in de vloeistofdynamica.Dit is een hybride model dat de Wilcox k-ω- en k-ε-modellen combineert.De mengfunctie activeert het Wilcox-model nabij de muur en het k-ε-model in de tegemoetkomende stroming.Dit zorgt ervoor dat het juiste model in het hele stromingsveld wordt gebruikt.Het voorspelt nauwkeurig de stroomscheiding als gevolg van ongunstige drukgradiënten.Ten tweede werd de Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES)-methode geselecteerd, die veel wordt gebruikt in het Individual Eddy Simulation (DES)-model met het SST k-ω RANS-model (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES is een hybride RANS-LES-model (grote eddy-simulatie) dat een flexibeler en gebruiksvriendelijker SRS-simulatiemodel (resolutie schaling) biedt.Het is gebaseerd op het LES-model om grote wervels op te lossen en keert terug naar SST k-ω om kleinschalige wervels te simuleren.Statistische analyses van de resultaten van de SST k–ω- en IDDES-simulaties werden vergeleken met de PIV-resultaten om het model te valideren.
Er werd gekozen voor een k-ε-turbulentiemodel met twee parameters als het initiële basismodel.Om de wervelende stroming in de flocculator nauwkeurig te simuleren, werd gekozen voor een rekentechnisch duurder model.De turbulente wervelende stroming in de flocculator werd numeriek onderzocht met behulp van twee CFD-modellen: SST k–ω51 en IDDES52.De resultaten van beide modellen werden vergeleken met experimentele PIV-resultaten om de modellen te valideren.Ten eerste is het SST k-ω turbulentiemodel een turbulent viscositeitsmodel met twee vergelijkingen voor toepassingen in de vloeistofdynamica.Dit is een hybride model dat de Wilcox k-ω- en k-ε-modellen combineert.De mengfunctie activeert het Wilcox-model nabij de muur en het k-ε-model in de tegemoetkomende stroming.Dit zorgt ervoor dat het juiste model in het hele stromingsveld wordt gebruikt.Het voorspelt nauwkeurig de stroomscheiding als gevolg van ongunstige drukgradiënten.Ten tweede werd de Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES)-methode geselecteerd, die veel wordt gebruikt in het Individual Eddy Simulation (DES)-model met het SST k-ω RANS-model (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES is een hybride RANS-LES-model (grote eddy-simulatie) dat een flexibeler en gebruiksvriendelijker SRS-simulatiemodel (resolutie schaling) biedt.Het is gebaseerd op het LES-model om grote wervels op te lossen en keert terug naar SST k-ω om kleinschalige wervels te simuleren.Statistische analyses van de resultaten van de SST k–ω- en IDDES-simulaties werden vergeleken met de PIV-resultaten om het model te valideren.
Gebruik een op druk gebaseerde tijdelijke oplosser en gebruik de zwaartekracht in de Y-richting.Rotatie wordt bereikt door een maasbeweging aan de mixer toe te wijzen, waarbij de oorsprong van de rotatie-as zich in het midden van de horizontale as bevindt en de richting van de rotatie-as in de Z-richting.Er wordt een mesh-interface gemaakt voor beide modelgeometrie-interfaces, wat resulteert in twee randen van het grenskader.Net als bij de experimentele techniek komt de rotatiesnelheid overeen met 3 en 4 omwentelingen.
De randvoorwaarden voor de wanden van de mixer en de flocculator werden bepaald door de muur, en de bovenste opening van de flocculator werd bepaald door de uitlaat met nuldruk (Fig. 3c).EENVOUDIG druk-snelheidscommunicatieschema, discretisatie van de gradiëntruimte van tweede-orde functies met alle parameters gebaseerd op kleinste kwadratenelementen.Het convergentiecriterium voor alle stroomvariabelen is het geschaalde residu 1 x \({10}^{-3}\).Het maximale aantal iteraties per tijdstap is 20, en de tijdstapgrootte komt overeen met een rotatie van 0,5°.De oplossing convergeert bij de 8e iteratie voor het SST k – ω-model en bij de 12e iteratie met behulp van IDDES.Daarnaast werd het aantal tijdstappen zo berekend dat de mixer minimaal 12 omwentelingen maakte.Pas gegevensbemonstering toe voor tijdstatistieken na 3 rotaties, waardoor normalisatie van de stroom mogelijk is, vergelijkbaar met de experimentele procedure.Het vergelijken van de output van de snelheidslussen voor elke omwenteling levert exact dezelfde resultaten op voor de laatste vier omwentelingen, wat aangeeft dat een stabiele toestand is bereikt.De extra toerentallen verbeterden de middelhoge snelheidscontouren niet.
De tijdstap wordt gedefinieerd in relatie tot de rotatiesnelheid, 3 rpm of 4 rpm.De tijdstap wordt verfijnd tot de tijd die nodig is om de mixer 0,5° te laten draaien.Dit blijkt voldoende te zijn, aangezien de oplossing gemakkelijk convergeert, zoals beschreven in de vorige paragraaf.Alle numerieke berekeningen voor beide turbulentiemodellen zijn dus uitgevoerd met een aangepaste tijdstap van 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) voor 3 rpm, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 tpm.Voor een bepaalde verfijningstijdstap is het Courant-nummer van een cel altijd kleiner dan 1,0.
Om de afhankelijkheid van model-mesh te onderzoeken, werden eerst resultaten verkregen met behulp van de oorspronkelijke mesh van 2,14 M en vervolgens met de verfijnde mesh van 2,88 M.Rasterverfijning wordt bereikt door de celgrootte van het menglichaam te verkleinen van 9 × \({10}^{-3}\) m naar 7 × \({10}^{-3}\) m.Voor de originele en verfijnde meshes van de turbulentie van de twee modellen werden de gemiddelde waarden van de snelheidsmodules op verschillende plaatsen rond het blad vergeleken.Het procentuele verschil tussen de resultaten is 1,73% voor het SST k–ω-model en 3,51% voor het IDDES-model.IDDES laat een hoger procentueel verschil zien omdat het een hybride RANS-LES-model is.Deze verschillen werden als onbeduidend beschouwd, dus werd de simulatie uitgevoerd met behulp van de originele mesh met 2,14 miljoen elementen en een rotatietijdstap van 0,5°.
De reproduceerbaarheid van de experimentele resultaten werd onderzocht door elk van de zes experimenten een tweede keer uit te voeren en de resultaten te vergelijken.Vergelijk de snelheidswaarden in het midden van het blad in twee reeksen experimenten.Het gemiddelde procentuele verschil tussen de twee experimentele groepen was 3,1%.Het PIV-systeem werd ook voor elk experiment onafhankelijk opnieuw gekalibreerd.Vergelijk de analytisch berekende snelheid in het midden van elk blad met de PIV-snelheid op dezelfde locatie.Deze vergelijking toont het verschil met een maximale procentuele fout van 6,5% voor blad 1.
Voordat de slipfactor kan worden gekwantificeerd, is het noodzakelijk om het concept van slip in een flocculator met peddels wetenschappelijk te begrijpen. Hiervoor moet de stromingsstructuur rond de peddels van de flocculator worden bestudeerd.Conceptueel gezien is de slipcoëfficiënt ingebouwd in het ontwerp van peddelflocculators om rekening te houden met de snelheid van de bladen ten opzichte van het water.De literatuur beveelt aan dat deze snelheid 75% van de bladsnelheid bedraagt, dus gebruiken de meeste ontwerpen doorgaans een ak van 0,25 om rekening te houden met deze aanpassing.Dit vereist het gebruik van snelheidsstroomlijnen afgeleid van PIV-experimenten om het stroomsnelheidsveld volledig te begrijpen en deze slip te bestuderen.Mes 1 is het binnenste mes dat zich het dichtst bij de as bevindt, mes 3 is het buitenste mes en mes 2 is het middelste mes.
De snelheidsstroomlijnen op blad 1 tonen een direct roterende stroming rond het blad.Deze stromingspatronen komen voort uit een punt aan de rechterkant van het blad, tussen de rotor en het blad.Kijkend naar het gebied dat wordt aangegeven door het rood gestippelde kader in figuur 4a, is het interessant om een ander aspect van de recirculatiestroom boven en rond het blad te identificeren.Stromingsvisualisatie toont weinig stroming in de recirculatiezone.Deze stroom nadert vanaf de rechterkant van het mes op een hoogte van ongeveer 6 cm vanaf het uiteinde van het mes, mogelijk als gevolg van de invloed van het eerste mes van de hand vóór het mes, wat zichtbaar is in de afbeelding.Flowvisualisatie bij 4 rpm laat hetzelfde gedrag en dezelfde structuur zien, blijkbaar met hogere snelheden.
Snelheidsveld- en stroomgrafieken van drie bladen bij twee rotatiesnelheden van 3 rpm en 4 rpm.De maximale gemiddelde snelheid van de drie bladen bij 3 rpm is respectievelijk 0,15 m/s, 0,20 m/s en 0,16 m/s, en de maximale gemiddelde snelheid bij 4 rpm is 0,15 m/s, 0,22 m/s en 0,22 m/s. s, respectievelijk.op drie bladen.
Een andere vorm van spiraalvormige stroming werd gevonden tussen schoepen 1 en 2. Het vectorveld laat duidelijk zien dat de waterstroom vanaf de onderkant van schoep 2 naar boven beweegt, zoals aangegeven door de richting van de vector.Zoals weergegeven door het gestippelde kader in figuur 4b, gaan deze vectoren niet verticaal omhoog vanaf het bladoppervlak, maar draaien ze naar rechts en dalen geleidelijk af.Op het oppervlak van het blad 1 worden neerwaartse vectoren onderscheiden, die beide bladen naderen en deze omringen vanuit de daartussen gevormde recirculatiestroom.Dezelfde stromingsstructuur werd bepaald bij beide rotatiesnelheden met een hogere snelheidsamplitude van 4 rpm.
Het snelheidsveld van blad 3 levert geen significante bijdrage aan de snelheidsvector van het vorige blad dat zich aansluit bij de stroming onder blad 3. De hoofdstroom onder blad 3 is het gevolg van de verticale snelheidsvector die met het water stijgt.
De snelheidsvectoren over het oppervlak van het blad 3 kunnen in drie groepen worden verdeeld, zoals weergegeven in figuur 4c.De eerste set is die aan de rechterkant van het mes.De stromingsstructuur is in deze positie recht naar rechts en omhoog (dus richting blad 2).De tweede groep is het midden van het mes.De snelheidsvector voor deze positie is recht omhoog gericht, zonder enige afwijking en zonder rotatie.De afname van de snelheidswaarde werd bepaald bij een toename van de hoogte boven het uiteinde van het blad.Voor de derde groep, gelegen aan de linkerrand van de bladen, wordt de stroom onmiddellijk naar links gericht, dat wil zeggen naar de wand van de flocculator.Het grootste deel van de stroom die wordt weergegeven door de snelheidsvector gaat omhoog, en een deel van de stroom gaat horizontaal naar beneden.
Twee turbulentiemodellen, SST k–ω en IDDES, werden gebruikt om tijdsgemiddelde snelheidsprofielen te construeren voor 3 rpm en 4 rpm in het vlak van de gemiddelde bladlengte.Zoals weergegeven in figuur 5 wordt een stabiele toestand bereikt door absolute gelijkenis te bereiken tussen de snelheidscontouren die door vier opeenvolgende rotaties worden gecreëerd.Bovendien worden de tijdgemiddelde snelheidscontouren gegenereerd door IDDES getoond in figuur 6a, terwijl de tijdgemiddelde snelheidsprofielen gegenereerd door SST k – ω worden getoond in figuur 6a.6b.
Met behulp van IDDES en tijdgemiddelde snelheidslussen gegenereerd door SST k – ω, heeft IDDES een groter aandeel snelheidslussen.
Onderzoek zorgvuldig het snelheidsprofiel dat is gemaakt met IDDES bij 3 rpm, zoals weergegeven in Figuur 7. De mixer draait met de klok mee en de stroom wordt besproken aan de hand van de weergegeven opmerkingen.
Op afb.7 is te zien dat er op het oppervlak van het blad 3 in het I-kwadrant een scheiding van de stroming is, aangezien de stroming niet wordt beperkt vanwege de aanwezigheid van het bovenste gat.In kwadrant II wordt geen scheiding van de stroming waargenomen, aangezien de stroming volledig wordt begrensd door de wanden van de flocculator.In kwadrant III roteert het water met een veel lagere of lagere snelheid dan in de voorgaande kwadranten.Het water in kwadranten I en II wordt door de werking van de mixer naar beneden bewogen (dat wil zeggen geroteerd of naar buiten geduwd).En in kwadrant III wordt het water door de bladen van het roerwerk naar buiten geduwd.Het is duidelijk dat de watermassa op deze plek weerstand biedt aan de naderende flocculatorhuls.De draaistroom in dit kwadrant is volledig gescheiden.Voor kwadrant IV wordt het grootste deel van de luchtstroom boven schoep 3 naar de flocculatorwand gericht en verliest geleidelijk zijn omvang naarmate de hoogte toeneemt tot aan de bovenste opening.
Bovendien omvat de centrale locatie complexe stromingspatronen die kwadranten III en IV domineren, zoals weergegeven door de blauw gestippelde ellipsen.Dit gemarkeerde gebied heeft niets te maken met de wervelende stroming in de schoepflocculator, aangezien de wervelende beweging kan worden geïdentificeerd.Dit staat in contrast met kwadranten I en II, waar er een duidelijke scheiding is tussen interne stroming en volledige rotatiestroming.
Zoals weergegeven in afb.6, waarbij de resultaten van IDDES en SST k-ω worden vergeleken, is het belangrijkste verschil tussen de snelheidscontouren de grootte van de snelheid onmiddellijk onder blad 3. Het SST k-ω-model laat duidelijk zien dat uitgebreide hogesnelheidsstroming wordt gedragen door blad 3 vergeleken met IDDES.
Een ander verschil is te vinden in kwadrant III.Uit de IDDES werd, zoals eerder vermeld, de scheiding van de rotatiestroom tussen de flocculatorarmen opgemerkt.Deze positie wordt echter sterk beïnvloed door de lage stroomsnelheid vanuit de hoeken en het inwendige van het eerste blad.Van SST k – ω voor dezelfde locatie vertonen de contourlijnen relatief hogere snelheden vergeleken met IDDES omdat er geen samenvloeiende stroming vanuit andere regio's is.
Een kwalitatief begrip van de snelheidsvectorvelden en stroomlijnen is vereist voor een correct begrip van het stromingsgedrag en de structuur.Gegeven dat elk blad 5 cm breed is, werden zeven snelheidspunten over de breedte gekozen om een representatief snelheidsprofiel te verkrijgen.Bovendien is een kwantitatief begrip van de grootte van de snelheid als functie van de hoogte boven het bladoppervlak vereist door het snelheidsprofiel direct over elk bladoppervlak uit te zetten en over een continue afstand van 2,5 cm verticaal tot een hoogte van 10 cm.Zie S1, S2 en S3 in de afbeelding voor meer informatie.Bijlage A. Figuur 8 toont de gelijkenis van de verdeling van de oppervlaktesnelheid van elk blad (Y = 0,0), verkregen met behulp van PIV-experimenten en ANSYS-Fluent-analyse met behulp van IDDES en SST k-ω.Beide numerieke modellen maken het mogelijk om de stromingsstructuur op het oppervlak van de flocculatorbladen nauwkeurig te simuleren.
Snelheidsverdelingen PIV, IDDES en SST k–ω op het bladoppervlak.De x-as vertegenwoordigt de breedte van elk vel in millimeters, waarbij de oorsprong (0 mm) de linkeromtrek van het vel vertegenwoordigt en het uiteinde (50 mm) de rechteromtrek van het vel vertegenwoordigt.
Duidelijk is te zien dat de snelheidsverdelingen van de bladen 2 en 3 worden getoond in figuur 8 en figuur 8.S2 en S3 in bijlage A laten vergelijkbare trends zien met de hoogte, terwijl blad 1 onafhankelijk verandert.De snelheidsprofielen van de schoepen 2 en 3 worden volkomen recht en hebben dezelfde amplitude op een hoogte van 10 cm vanaf het uiteinde van het schoep.Dit betekent dat de stroming op dit punt uniform wordt.Dit blijkt duidelijk uit de PIV-resultaten, die goed worden gereproduceerd door IDDES.Ondertussen laten de SST k–ω-resultaten enkele verschillen zien, vooral bij 4 tpm.
Het is belangrijk op te merken dat blad 1 in alle posities dezelfde vorm van het snelheidsprofiel behoudt en niet in hoogte genormaliseerd is, aangezien de werveling gevormd in het midden van de mixer het eerste blad van alle armen bevat.Ook vertoonden PIV-bladsnelheidsprofielen 2 en 3, vergeleken met IDDES, op de meeste locaties iets hogere snelheidswaarden totdat ze bijna gelijk waren op 10 cm boven het bladoppervlak.
Posttijd: 27 december 2022