Merci fir besicht Nature.com.Dir benotzt eng Browser Versioun mat limitéierter CSS Ënnerstëtzung.Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten).Zousätzlech, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, weisen mir de Site ouni Stiler a JavaScript.
Weist e Karussell vun dräi Rutschen op eemol.Benotzt d'Previous an Next Knäppercher fir duerch dräi Rutschen gläichzäiteg ze réckelen, oder benotzt d'Slider Knäppercher um Enn fir duerch dräi Rutschen gläichzäiteg ze réckelen.
An dëser Etude gëtt d'Hydrodynamik vun der Flokulatioun duerch experimentell an numeresch Untersuchung vum turbulente Stroumgeschwindegkeetsfeld an engem Labo-Skala Paddel-Flockulator evaluéiert.Den turbulente Floss deen d'Partikelaggregatioun oder d'Flockopdeelung fördert ass komplex a gëtt an dësem Pabeier ugesinn a verglach mat zwee Turbulenzenmodeller, nämlech SST k-ω an IDDES.D'Resultater weisen datt IDDES eng ganz kleng Verbesserung iwwer SST k-ω bitt, wat genuch ass fir de Flux an engem Paddelflocculator präzis ze simuléieren.De Fit Score gëtt benotzt fir d'Konvergenz vu PIV a CFD Resultater z'ënnersichen, an d'Resultater vum benotzte CFD Turbulenzenmodell ze vergläichen.D'Studie konzentréiert sech och op d'Quantifizéierung vum Rutschfaktor k, deen 0,18 bei niddrege Geschwindegkeete vun 3 a 4 RPM am Verglach zum üblechen typesche Wäert vun 0,25 ass.Ofsenkung vun k vun 0,25 op 0,18 erhéicht d'Kraaft, déi un d'Flëssegkeet geliwwert gëtt ëm ongeféier 27-30% an erhéicht de Geschwindegkeetsgradient (G) ëm ongeféier 14%.Dëst bedeit datt méi intensiv Vermëschung erreecht gëtt wéi erwaart, dofir gëtt manner Energie verbraucht, an dofir kann den Energieverbrauch an der Flokulatiounseenheet vun der Drénkwaasserbehandlungsanlag méi niddereg sinn.
Bei der Waasserreinigung destabiliséiert d'Zousatz vu Koagulanten kleng kolloidal Partikelen a Gëftstoffer, déi dann kombinéiere fir Flokulatioun an der Flokulatiounsstadium ze bilden.Flakelen si locker gebonnen Fraktalaggregate vu Mass, déi dann duerch Settlement ewechgeholl ginn.Partikeleigenschaften a flësseg Vermëschungsbedéngungen bestëmmen d'Effizienz vum Flokulatiouns- a Behandlungsprozess.Floculation erfuerdert lues Agitatioun fir eng relativ kuerz Zäit a vill Energie fir grouss Volumen Waasser z'agitéieren1.
Wärend der Flokulatioun bestëmmen d'Hydrodynamik vum ganze System an d'Chemie vun der Koagulant-Partikel Interaktioun den Taux mat deem eng stationär Partikelgréisst Verdeelung erreecht gëtt2.Wann d'Partikel kollidéieren, hänke se uneneen3.Oyegbile, Ay4 gemellt dass Kollisiounen op der flocculation Transport Mechanismen vun Brownian Diffusioun hänkt, Flesseggassystem Schéier an differentiell Settlement.Wann d'Flakelen kollidéieren, wuessen se an erreechen eng gewësse Gréisst Limit, wat zu Broch féieren kann, well d'Flakelen d'Kraaft vun hydrodynamesche Kräfte net widderstoen5.E puer vun dëse gebrachene Flakelen rekombinéieren a méi kleng oder déiselwecht Gréisst6.Wéi och ëmmer, staark Flakelen kënnen dës Kraaft widderstoen an hir Gréisst behalen a souguer wuessen7.Yukselen a Gregory8 bericht iwwer Studien am Zesummenhang mat der Zerstéierung vu Flakelen an hir Fäegkeet fir ze regeneréieren, ze weisen datt d'Irreversibilitéit limitéiert ass.Bridgeman, Jefferson9 benotzt CFD fir de lokalen Afloss vum mëttleren Flow an Turbulenzen op Flokbildung a Fragmentatioun duerch lokal Geschwindegkeetsgradienten ze schätzen.An Panzer, déi mat Rotorblades ausgestatt sinn, ass et néideg d'Geschwindegkeet ze variéieren, mat där d'Aggregate mat anere Partikel kollidéieren, wann se an der Koagulatiounsphase genuch destabiliséiert sinn.Duerch d'Benotzung vu CFD a méi nidderegen Rotatiounsgeschwindegkeete vu ronn 15 U/min konnten Vadasarukkai a Gagnon11 G Wäerter fir Flokulatioun mat konesche Blades erreechen, an doduerch de Stroumverbrauch fir Agitatioun miniméieren.Wéi och ëmmer, Operatioun bei méi héije G Wäerter kann zu Flokulatioun féieren.Si hunn den Effekt vun der Mëschgeschwindegkeet op d'Bestëmmung vum Duerchschnëttsgeschwindegkeetsgradient vun engem Pilot Paddle Flocculator ënnersicht.Si rotéieren mat enger Geschwindegkeet vu méi wéi 5 U/min.
Korpijärvi, Ahlstedt12 huet véier verschidde Turbulenzenmodeller benotzt fir de Flowfeld op enger Tanktestbank ze studéieren.Si hunn de Flowfeld mat engem Laser Doppler Anemometer a PIV gemooss an déi berechent Resultater mat de gemoossene Resultater verglach.de Oliveira an Donadel13 hunn eng alternativ Method proposéiert fir Geschwindegkeetsgradienten aus hydrodynamesche Eegeschafte mat CFD ze schätzen.Déi proposéiert Method gouf op sechs Flokulatiounsunitéiten getest baséiert op der spiralescher Geometrie.bewäert den Effet vun der Retentiounszäit op Flocculanten a proposéiert e Flocculatiounsmodell deen als Instrument benotzt ka ginn fir rational Zelldesign mat nidderegen Retentiounszäiten z'ënnerstëtzen14.Zhan, You15 proposéiert e kombinéierten CFD- a Bevëlkerungsbalancemodell fir Flowcharakteristiken a Flocverhalen a voller Skala Flokulatioun ze simuléieren.Llano-Serna, Coral-Portillo16 ënnersicht d'Flowcharakteristike vun engem Cox-Typ Hydroflocculator an enger Waasserbehandlungsanlag zu Viterbo, Kolumbien.Och wann CFD seng Virdeeler huet, ginn et och Aschränkungen wéi numeresch Feeler bei Berechnungen.Dofir sollten all numeresch Resultater suergfälteg iwwerpréift an analyséiert ginn fir kritesch Conclusiounen ze zéien17.Et gi wéineg Studien an der Literatur iwwer den Design vun horizontalen Baffle Flocculators, während Empfehlungen fir den Design vun hydrodynamesche Flocculatoren limitéiert sinn18.Chen, Liao19 benotzt en experimentelle Setup baséiert op der Streuung vu polariséiertem Liicht fir den Zoustand vun der Polariséierung vu verstreetem Liicht aus eenzelne Partikelen ze moossen.Feng, Zhang20 huet Ansys-Fluent benotzt fir d'Verdeelung vun Eddystroum ze simuléieren an am Flossfeld vun engem koaguléierte Plackeflocculator an engem inter-gewellte Flocculator ze simuléieren.No der simuléierter turbulenter Flëssegkeet an engem Flocculator mat Ansys-Fluent, huet Gavi21 d'Resultater benotzt fir de Flocculator ze designen.Vaneli an Teixeira22 hunn gemellt datt d'Relatioun tëscht der Flëssegkeetsdynamik vu Spiralröhrflocculatoren an dem Flokulatiounsprozess nach ëmmer schlecht verstanen ass fir e rationalen Design z'ënnerstëtzen.de Oliveira a Costa Teixeira23 hunn d'Effizienz studéiert an d'hydrodynamesch Eegeschafte vum Spiralröhre-Flocculator duerch Physik Experimenter a CFD Simulatioune bewisen.Vill Fuerscher hunn opgerullt Röhre Reaktoren oder Spigelröhre Flocculatoren studéiert.Wéi och ëmmer, detailléiert hydrodynamesch Informatioun iwwer d'Äntwert vun dëse Reaktoren op verschidden Designen an Operatiounsbedingunge feelt nach ëmmer (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira an Teixeira26 presentéieren originell Resultater vun theoreteschen, experimentellen an CFD Simulatioune vun engem Spiralflocculator.Oliveira an Teixeira27 proposéiert eng Spiralspiral als Koagulatiouns-Flokulatiounsreaktor a Kombinatioun mat engem konventionellen Dekantersystem ze benotzen.Si berichten datt d'Resultater fir d'Effizienz vun der Turbiditéitentfernung wesentlech anescht sinn wéi déi, déi mat allgemeng benotzte Modeller fir d'Evaluatioun vun der Flokulatioun kritt goufen, wat virsiichteg suggeréiert wann Dir esou Modeller benotzt.Moruzzi an de Oliveira [28] modelléiert d'Behuele vun engem System vun kontinuéierlech flocculation Chambers ënner verschiddene Betribssystemer Konditiounen, dorënner Variatiounen an der Zuel vun Chambers benotzt an der Notzung vun fixen oder scaled Zell Geschwindegkeet Gradienten.Romphophak, Le Men29 PIV Miessunge vun momentaner Geschwindegkeet a quasi-zweedimensionalen Jetreiniger.Si hunn eng staark Jet-induzéiert Zirkulatioun an der Flokulatiounszone fonnt a geschätzte lokalen an instantane Scherraten.
Shah, Joshi30 bericht datt CFD eng interessant Alternativ bitt fir Designen ze verbesseren an virtuelle Flowcharakteristiken ze kréien.Dëst hëlleft extensiv experimentell Setups ze vermeiden.CFD gëtt ëmmer méi benotzt fir Waasser- an Ofwaasserbehandlungsanlagen ze analyséieren (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Verschidde Enquêteuren hunn Experimenter op Dosen Testausrüstung gemaach (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) a perforéierte Disc Flocculatoren31.Anerer hunn CFD benotzt fir Hydroflocculatoren ze evaluéieren (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 huet gemellt datt mechanesch Flocculatoren regelméisseg Ënnerhalt erfuerderen, well se dacks zerbriechen a vill Elektrizitéit erfuerderen.
D'Performance vun engem Paddel Flocculator ass héich ofhängeg vun der Hydrodynamik vum Reservoir.De Mangel u quantitativen Verständnis vun de Fluxgeschwindegkeetsfelder an esou Flocculatoren ass kloer an der Literatur bemierkt (Howe, Hand38; Hendricks39).Déi ganz Waassermass ass ënnerleien der Bewegung vum Flocculator-Impel, sou datt d'Rutschung erwaart gëtt.Typesch ass d'Flëssegkeetsgeschwindegkeet manner wéi d'Bladegeschwindegkeet vum Rutschfaktor k, deen als Verhältnis vun der Geschwindegkeet vum Waasserkierper zu der Geschwindegkeet vum Paddelrad definéiert ass.Bhole40 huet gemellt datt et dräi onbekannte Faktoren ze berücksichtegen wann Dir e Flocculator designt, nämlech de Geschwindegkeetsgradient, den Dragkoeffizient an d'relativ Geschwindegkeet vum Waasser par rapport zu der Blade.
Camp41 bericht datt wann Dir Héichgeschwindegkeetsmaschinne berücksichtegt, d'Geschwindegkeet ongeféier 24% vun der Rotorgeschwindegkeet ass an esou héich wéi 32% fir Low-Speedmaschinnen.An der Verontreiung vu septa, Droste an Ger42 benotzt ak Wäert vun 0,25, iwwerdeems am Fall vun septa, k vun 0 ze 0,15 gounge.Wéi och ëmmer, Hand38 suggeréiert datt k am Beräich vun 0,2 bis 0,3 ass.Den Hendrix39 huet de Rutschfaktor op d'Rotatiounsgeschwindegkeet mat enger empirescher Formel verbonnen an huet ofgeschloss datt de Rutschfaktor och am Beräich vum Camp41 etabléiert ass.Bratby43 huet gemellt datt k ongeféier 0,2 ass fir Impellergeschwindegkeet vun 1,8 bis 5,4 RPM- an erop op 0,35 fir Impellergeschwindegkeet vun 0,9 bis 3 RPM-.Aner Fuerscher berichten eng breet Palette vun Dragkoeffizienten (Cd) Wäerter vun 1,0 bis 1,8 a Rutschkoeffizienten k Wäerter vun 0,25 bis 0,40 (Feir a Geyer44; Hyde a Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; a Bratby a Marais48 ).D'Literatur weist kee bedeitende Fortschrëtt bei der Definitioun an der Quantifizéierung vu k zënter dem Camp41 senger Aarbecht.
De Flokulatiounsprozess baséiert op Turbulenzen fir Kollisiounen ze erliichteren, wou de Geschwindegkeetsgradient (G) benotzt gëtt fir Turbulenzen / Flokulatioun ze moossen.Vermëschung ass de Prozess fir séier a gläichméisseg Chemikalien am Waasser ze verdeelen.De Grad vun der Vermëschung gëtt duerch de Geschwindegkeetsgradient gemooss:
wou G = Geschwindegkeetsgradient (sec-1), P = Strouminput (W), V = Waasservolumen (m3), μ = dynamesch Viskositéit (Pa s).
Wat méi héich de G Wäert, dest méi gemëscht.Eng grëndlech Mëschung ass essentiell fir eng eenheetlech Koagulatioun ze garantéieren.D'Literatur weist datt déi wichtegst Designparameter Mëschzäit (t) a Geschwindegkeetsgradient (G) sinn.De Flokulatiounsprozess baséiert op Turbulenzen fir Kollisiounen ze erliichteren, wou de Geschwindegkeetsgradient (G) benotzt gëtt fir Turbulenzen / Flokulatioun ze moossen.Typesch Designwäerter fir G sinn 20 bis 70 s–1, t ass 15 bis 30 Minutten, a Gt (Dimensiounenlos) ass 104 bis 105. Fast Mix Tanks funktionnéieren am Beschten mat G Wäerter vu 700 bis 1000, mat Zäitopenthalt ongeféier 2 Minutten.
wou P d'Kraaft ass, déi d'Flëssegkeet vun all Flocculatorblade gëtt, N ass d'Rotatiounsgeschwindegkeet, b ass d'Bladelängt, ρ ass d'Waasserdicht, r ass de Radius, a k ass de Rutschkoeffizient.Dës Equatioun gëtt op all Blade individuell ugewannt an d'Resultater ginn zesummegefaasst fir de Gesamtkraaftinput vum Flocculator ze ginn.Eng virsiichteg Studie vun dëser Equatioun weist d'Wichtegkeet vum Rutschfaktor k am Designprozess vun engem Paddelflocculator.D'Literatur seet net de genaue Wäert vu k, awer recommandéiert amplaz e Beräich wéi virdru gesot.Wéi och ëmmer, d'Relatioun tëscht der Kraaft P an dem Rutschkoeffizient k ass kubesch.Also, virausgesat datt all Parameteren d'selwecht sinn, zum Beispill, änneren k vun 0,25 op 0,3 féiert zu enger Ofsenkung vun der Kraaft, déi op d'Flëssegkeet pro Blade ëm ongeféier 20% iwwerdroe gëtt, an d'Reduktioun vun k vun 0,25 op 0,18 wäert hir erhéijen.vun ongeféier 27-30% pro Vane D'Kraaft un d'Flëssegkeet vermëttelt.Schlussendlech muss den Effet vu k op nohaltege Paddle Flocculator Design duerch technesch Quantifizéierung ënnersicht ginn.
Genau empiresch Quantifikatioun vu Rutsch erfuerdert Flowvisualiséierung a Simulatioun.Dofir ass et wichteg d'tangential Geschwindegkeet vun der Blade am Waasser bei enger bestëmmter Rotatiounsgeschwindegkeet op verschiddene radialen Distanzen vum Schaft a bei verschiddenen Déiften vun der Waasseroberfläche ze beschreiwen fir den Effekt vu verschiddene Bladepositiounen ze evaluéieren.
An dëser Etude gëtt d'Hydrodynamik vun der Flokulatioun duerch experimentell an numeresch Untersuchung vum turbulente Stroumgeschwindegkeetsfeld an engem Labo-Skala Paddel-Flockulator evaluéiert.D'PIV Miessunge ginn op de Flocculator opgeholl, sou datt d'Zäitduerchschnëttsgeschwindegkeetskonturen d'Geschwindegkeet vu Waasserpartikelen ronderëm d'Blieder weisen.Zousätzlech gouf ANSYS-Fluent CFD benotzt fir de dréiende Floss am Flocculator ze simuléieren an Zäitduerchschnëttlech Geschwindegkeetskonturen ze kreéieren.De resultéierende CFD Modell gouf bestätegt andeems d'Korrespondenz tëscht de PIV an CFD Resultater evaluéiert gouf.De Fokus vun dëser Aarbecht ass op d'Quantifizéierung vum Rutschkoeffizient k, wat e Dimensiounslosen Designparameter vun engem Paddelflocculator ass.D'Aarbecht, déi hei virgestallt gëtt, gëtt eng nei Basis fir d'Quantifizéierung vum Rutschkoeffizient k bei nidderegen Geschwindegkeete vun 3 RPM- a 4 RPM-.D'Implikatioune vun de Resultater droen direkt zu engem bessere Verständnis vun der Hydrodynamik vum Flokulatiounsbehälter bäi.
De Labo Flocculator besteet aus enger oppener ieweschter rechtecklecher Këscht mat enger Gesamthéicht vun 147 cm, enger Héicht vun 39 cm, enger Gesamtbreet vun 118 cm an enger Gesamtlängt vun 138 cm (Fig. 1).D'Haaptdesigncritèren, déi vum Camp49 entwéckelt goufen, goufen benotzt fir e Labo-Skala Paddle Flocculator ze designen an d'Prinzipien vun der Dimensiounsanalyse ëmzesetzen.D'experimentell Ariichtung gouf am Environmental Engineering Laboratory vun der Lebanese American University (Byblos, Libanon) gebaut.
Déi horizontal Achs läit op enger Héicht vu 60 cm vun ënnen an huet zwee Paddelrieder.All Paddelrad besteet aus 4 Paddelen mat 3 Paddelen op all Paddel fir am Ganzen 12 Paddelen.D'Flokulatioun erfuerdert sanft Rührung bei enger gerénger Geschwindegkeet vun 2 bis 6 U/min.Déi heefegst Vermëschungsgeschwindegkeet bei Flocculatoren sinn 3 RPM- a 4 RPM-.De Labo Skala Flocculator Flow ass entwéckelt fir de Flux am Flocculatiounstankraum vun enger Drénkwaasserbehandlungsanlag ze representéieren.D'Kraaft gëtt mat der traditioneller Equatioun 42 berechent.Fir béid Rotatiounsgeschwindegkeet ass de Geschwindegkeetsgradient \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) méi wéi 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , der Reynolds Zuel weist turbulent Flux (Table 1).
PIV gëtt benotzt fir genee a quantitativ Miessunge vu Flësseggeschwindegkeetsvektoren gläichzäiteg op enger ganz grousser Zuel vu Punkten50 z'erreechen.Den experimentellen Opbau enthält e Labo-Skala Paddelflocculator, e LaVision PIV System (2017), an en Arduino externe Laser Sensor Ausléiser.Fir Zäit-duerchschnëttlech Geschwindegkeetsprofile ze kreéieren, goufen PIV Biller sequenziell op der selwechter Plaz opgeholl.De PIV System ass sou kalibréiert datt d'Zilgebitt um Mëttelpunkt vun der Längt vun all eenzel vun den dräi Blades vun engem bestëmmte Paddelarm ass.Den externen Ausléiser besteet aus engem Laser deen op enger Säit vun der Flocculator Breet läit an engem Sensorempfänger op der anerer Säit.All Kéier wann de Flocculatorarm de Laserwee blockéiert, gëtt e Signal un de PIV-System geschéckt fir e Bild mam PIV-Laser an der Kamera mat enger programméierbarer Timing-Eenheet ze synchroniséieren.Op Fig.2 weist d'Installatioun vum PIV System an de Bildacquisitiounsprozess.
D'Aufnahme vu PIV gouf gestart nodeems de Flocculator fir 5-10 min operéiert gouf fir de Stroum ze normaliséieren an deeselwechte Brechungsindexfeld ze berücksichtegen.D'Kalibrierung gëtt erreecht andeems Dir eng Kalibrierungsplack benotzt, déi am Flocculator gedaucht ass an am Mëttelpunkt vun der Längt vun der Blade vun Interesse plazéiert ass.Ajustéiert d'Positioun vum PIV Laser fir e flaach Liichtplack direkt iwwer d'Eechungsplack ze bilden.Notéiert déi gemoossene Wäerter fir all Rotatiounsgeschwindegkeet vun all Blade, an d'Rotatiounsgeschwindegkeete fir d'Experiment gewielt sinn 3 RPM- a 4 RPM-.
Fir all PIV Opzeechnunge gouf den Zäitintervall tëscht zwee Laserimpulsen am Beräich vun 6900 bis 7700 µs gesat, wat e Minimum Partikelverschiebung vu 5 Pixel erlaabt huet.Pilot Tester goufen op d'Zuel vun de Biller erfuerdert fir präzis Zäitduerchschnëttmiessungen ze kréien.Vektorstatistike goufen fir Echantillon verglach mat 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 an 280 Biller.Eng Proufgréisst vun 240 Biller gouf fonnt fir stabile Zäitduerchschnëttsresultater ze ginn, well all Bild aus zwee Rummen besteet.
Zënter datt de Flux am Flocculator turbulent ass, ass eng kleng Ufrofenster an eng grouss Zuel vu Partikelen néideg fir kleng turbulent Strukturen ze léisen.Verschidde Iteratiounen vu Gréisstreduktioun ginn zesumme mat engem Kräizkorrelatioun Algorithmus applizéiert fir Genauegkeet ze garantéieren.Eng initial Wahlfënstergréisst vun 48 × 48 Pixel mat 50% Iwwerlappung an engem Adaptatiounsprozess gouf vun enger Finale Wahlfënstergréisst vun 32 × 32 Pixel mat 100% Iwwerlappung an zwee Adaptatiounsprozesser gefollegt.Zousätzlech goufen Glas Huel Kugelen als Sompartikelen am Floss benotzt, wat op d'mannst 10 Partikelen pro Wahlfënster erlaabt huet.PIV Opnam gëtt vun enger Ausléiserquell an enger Programméierbarer Timing Eenheet (PTU) ausgeléist, déi verantwortlech ass fir d'Laserquell an d'Kamera ze bedreiwen an ze synchroniséieren.
De kommerziellen CFD Package ANSYS Fluent v 19.1 gouf benotzt fir den 3D Modell z'entwéckelen an d'Basis Flow Equatiounen ze léisen.
Mat ANSYS-Fluent gouf en 3D Modell vun engem Labo-Skala Paddle Flocculator erstallt.De Modell gëtt a Form vun enger rechtecklecher Këscht gemaach, besteet aus zwee Paddelrieder, déi op enger horizontaler Achs montéiert sinn, wéi de Labormodell.De Modell ouni Freeboard ass 108 cm héich, 118 cm breet an 138 cm laang.En horizontalen zylindresche Plang gouf ronderëm de Mischer bäigefüügt.Zylindresch Fliger Generatioun soll d'Rotatioun vum ganze Mischer während der Installatiounsphase ëmsetzen an d'Rotatiounsflossfeld am Flocculator simuléieren, wéi an der Fig. 3a.
3D ANSYS-fluent a Modell Geometrie Diagramm, ANSYS-fluent Flocculator Kierper Mesh op der Fliger vun Interessi, ANSYS-fluent Diagramm op der Fliger vun Interessi.
D'Modellgeometrie besteet aus zwee Regiounen, déi all eng Flëssegkeet ass.Dëst gëtt erreecht mat der logescher Subtraktiounsfunktioun.Als éischt subtrahéieren den Zylinder (inklusiv Mischer) aus der Këscht fir d'Flëssegkeet ze representéieren.Dann subtrahéieren de Mischer aus dem Zylinder, wat zu zwee Objete resultéiert: de Mischer an d'Flëssegkeet.Schlussendlech gouf e Rutsch-Interface tëscht den zwee Beräicher applizéiert: eng Zylinder-Zylinder-Interface an eng Zylinder-Mixer-Interface (Fig. 3a).
D'Meshing vun de gebaute Modeller gouf ofgeschloss fir d'Ufuerderunge vun den Turbulenzenmodeller z'erreechen, déi benotzt gi fir d'numeresch Simulatioune auszeféieren.En onstrukturéierten Mesh mat erweiderten Schichten no bei der fester Uewerfläch gouf benotzt.Erstellt Expansiounsschichten fir all Maueren mat engem Wuesstumsrate vun 1,2 fir sécherzestellen datt komplex Flowmuster erfaasst ginn, mat enger éischter Schichtdicke vun \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m fir sécherzestellen datt \ ({\text {y))^{+}\le 1.0\).D'Kierpergréisst gëtt ugepasst mat der Tetrahedron Fittingsmethod.Eng Frontsäitgréisst vun zwou Schnëttplazen mat enger Elementgréisst vun 2,5 × \({10}^{-3}\) m gëtt erstallt, an eng Mischerfrontgréisst vun 9 × \({10}^{-3}\ ) m applizéiert gëtt.Déi initial generéiert Mesh besteet aus 2144409 Elementer (Fig. 3b).
En zwee-Parameter k-ε Turbulenzenmodell gouf als initial Basismodell gewielt.Fir de Wirbelfloss am Flocculator präzis ze simuléieren, gouf e méi computationally deier Modell gewielt.Den turbulenten Wirbelfloss am Flocculator gouf numeresch mat zwee CFD Modeller ënnersicht: SST k-ω51 an IDDES52.D'Resultater vu béide Modeller goufen mat experimentellen PIV Resultater verglach fir d'Modeller ze validéieren.Als éischt ass den SST k-ω Turbulenzenmodell en zwee-Equatioun turbulenten Viskositéitsmodell fir Flëssdynamik Uwendungen.Dëst ass en Hybridmodell deen de Wilcox k-ω a k-ε Modeller kombinéiert.D'Mëschfunktioun aktivéiert de Wilcox Modell no bei der Mauer an de k-ε Modell am nächste Floss.Dëst garantéiert datt de richtege Modell am ganze Flowfeld benotzt gëtt.Et virausgesot präzis Flow Trennung wéinst negativen Drockgradienten.Zweetens gouf d'Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) Method, wäit benotzt am Individual Eddy Simulation (DES) Modell mam SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) Modell ausgewielt.IDDES ass en Hybrid RANS-LES (grouss Eddy Simulatioun) Modell deen e méi flexibelen a userfrëndleche Resolutiounskaléieren (SRS) Simulatiounsmodell ubitt.Et baséiert um LES Modell fir grouss Eddies ze léisen an zréck op SST k-ω fir kleng Skala Eddies ze simuléieren.Statistesch Analysë vun de Resultater vun de SST k-ω an IDDES Simulatioune goufen mat de PIV Resultater verglach fir de Modell ze validéieren.
En zwee-Parameter k-ε Turbulenzenmodell gouf als initial Basismodell gewielt.Fir de Wirbelfloss am Flocculator präzis ze simuléieren, gouf e méi computationally deier Modell gewielt.Den turbulenten Wirbelfloss am Flocculator gouf numeresch mat zwee CFD Modeller ënnersicht: SST k-ω51 an IDDES52.D'Resultater vu béide Modeller goufen mat experimentellen PIV Resultater verglach fir d'Modeller ze validéieren.Als éischt ass den SST k-ω Turbulenzenmodell en zwee-Equatioun turbulenten Viskositéitsmodell fir Flëssdynamik Uwendungen.Dëst ass en Hybridmodell deen de Wilcox k-ω a k-ε Modeller kombinéiert.D'Mëschfunktioun aktivéiert de Wilcox Modell no bei der Mauer an de k-ε Modell am nächste Floss.Dëst garantéiert datt de richtege Modell am ganze Flowfeld benotzt gëtt.Et virausgesot präzis Flow Trennung wéinst negativen Drockgradienten.Zweetens gouf d'Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) Method, wäit benotzt am Individual Eddy Simulation (DES) Modell mam SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) Modell ausgewielt.IDDES ass en Hybrid RANS-LES (grouss Eddy Simulatioun) Modell deen e méi flexibelen a userfrëndleche Resolutiounskaléieren (SRS) Simulatiounsmodell ubitt.Et baséiert um LES Modell fir grouss Eddies ze léisen an zréck op SST k-ω fir kleng Skala Eddies ze simuléieren.Statistesch Analysë vun de Resultater vun de SST k-ω an IDDES Simulatioune goufen mat de PIV Resultater verglach fir de Modell ze validéieren.
Benotzt en Drock-baséiert transient Solver a benotzt d'Schwéierkraaft an der Y Richtung.D'Rotatioun gëtt erreecht andeems d'Mixer eng Meshbewegung zougewisen huet, wou den Urspronk vun der Rotatiounsachs am Zentrum vun der horizontaler Achs ass an d'Richtung vun der Rotatiounsachs an der Z Richtung ass.E Mesh-Interface gëtt fir béid Modellgeometrie-Interfaces erstallt, wat zu zwee begrenzende Këschtkanten resultéiert.Wéi an der experimenteller Technik entsprécht d'Rotatiounsgeschwindegkeet 3 a 4 Revolutiounen.
D'Grenzbedéngungen fir d'Maueren vum Mischer an de Flocculator goufen duerch d'Mauer gesat, an d'Topöffnung vum Flocculator gouf vum Outlet mat Null-Jauge-Drock gesat (Fig. 3c).EINFACH Drockgeschwindegkeetskommunikatiounsschema, Diskretiséierung vum Gradientraum vun zweeter Uerdnungsfunktiounen mat all Parameteren baséiert op mannst Quadratelementer.De Konvergenzcritère fir all Flowvariablen ass de skaléierte Reschtoffall 1 x \({10}^{-3}\).Déi maximal Unzuel vun Iteratiounen pro Zäit Schrëtt ass 20, an der Zäit Schrëtt Gréisst entsprécht enger Rotatioun vun 0,5 °.D'Léisung konvergéiert an der 8. Iteratioun fir den SST k-ω Modell an an der 12. Iteratioun mat IDDES.Zousätzlech gouf d'Zuel vun Zäitschrëtt berechent sou datt de Mixer op d'mannst 12 Revolutiounen gemaach huet.Fëllt Datenprobe fir Zäitstatistiken no 3 Rotatiounen un, wat d'Normaliséierung vum Flow erlaabt, ähnlech wéi d'experimentell Prozedur.Vergläicht d'Ausgab vun de Geschwindegkeetsschleife fir all Revolutioun genee déiselwecht Resultater fir déi lescht véier Revolutiounen, wat beweist datt e stabile Staat erreecht gouf.Déi extra Revs hunn d'Mediumgeschwindegkeetskonturen net verbessert.
D'Zäit Schrëtt ass a Relatioun zu der Rotatioun Vitesse definéiert, 3 rpm oder 4 rpm.Den Zäitstuf gëtt op d'Zäit raffinéiert fir de Mischer ëm 0,5 ° ze rotéieren.Dëst stellt sech eraus genuch, well d'Léisung einfach konvergéiert, wéi an der viregter Sektioun beschriwwen.Also goufen all numeresch Berechnungen fir béid Turbulenzenmodeller mat engem modifizéierten Zäitschrëtt vun 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) fir 3 U/min, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} duerchgefouert. {3}\) 4 U/min.Fir e bestëmmte Verfeinerungszäitschrëtt ass d'Courant Zuel vun enger Zell ëmmer manner wéi 1,0.
Fir Modell-Mesh Ofhängegkeet z'entdecken, goufen d'Resultater fir d'éischt kritt mat der ursprénglecher 2.14M Mesh an dann de raffinéierte 2.88M Mesh.Gitter Verfeinerung gëtt erreecht andeems d'Zellgréisst vum Mischerkierper vun 9 × \({10}^{-3}\) m op 7 × \({10}^{-3}\) m reduzéiert gëtt.Fir déi ursprénglech a raffinéiert Meshes vun den zwee Modeller Turbulenzen, goufen d'Duerchschnëttswäerter vun de Geschwindegkeetsmoduler op verschiddene Plazen ronderëm d'Blade verglach.De Prozentsaz Ënnerscheed tëscht de Resultater ass 1,73% fir de SST k-ω Modell an 3,51% fir den IDDES Modell.IDDES weist e méi héije Prozentsaz Ënnerscheed well et en Hybrid RANS-LES Modell ass.Dës Differenzen goufen als onbedeitend ugesinn, sou datt d'Simulatioun mat der ursprénglecher Mesh gemaach gouf mat 2,14 Milliounen Elementer an engem Rotatiounszäit Schrëtt vun 0,5°.
D'Reproducibilitéit vun den experimentellen Resultater gouf iwwerpréift andeems jidderee vun de sechs Experimenter eng zweete Kéier ausféiert an d'Resultater vergläicht.Vergläicht d'Geschwindegkeetswäerter am Zentrum vun der Blade an zwou Serien vun Experimenter.Der Moyenne Prozentsaz Ënnerscheed tëscht den zwou experimentell Gruppen war 3,1%.De PIV System gouf och onofhängeg fir all Experiment nei kalibréiert.Vergläicht déi analytesch berechent Geschwindegkeet am Zentrum vun all Blade mat der PIV Geschwindegkeet op der selwechter Plaz.Dëse Verglach weist den Ënnerscheed mat engem maximalen Prozentsaz Feeler vun 6,5% fir Blade 1.
Ier Dir de Rutschfaktor quantifizéiert, ass et néideg d'Konzept vum Rutsch an engem Paddelflocculator wëssenschaftlech ze verstoen, wat d'Flowstruktur ronderëm d'Paddles vum Flocculator studéiert erfuerdert.Konzeptuell ass de Rutschkoeffizient an den Design vu Paddelflokkulatoren agebaut fir d'Geschwindegkeet vun de Blades relativ zum Waasser ze berücksichtegen.D'Literatur recommandéiert datt dës Geschwindegkeet 75% vun der Bladesgeschwindegkeet ass, sou datt déi meescht Designen normalerweis ak vun 0,25 benotzen fir dës Upassung ze berechnen.Dëst erfuerdert d'Benotzung vu Geschwindegkeetsstreamlines ofgeleet vu PIV Experimenter fir de Flowgeschwindegkeetsfeld voll ze verstoen an dëse Rutsch ze studéieren.Blade 1 ass déi bannescht Blade am nooste beim Schaft, Blade 3 ass déi äusserst Blade, an Blade 2 ass d'Mëtt Blade.
D'Geschwindegkeetsstroumlinen op der Blade 1 weisen en direkten rotéierende Floss ronderëm d'Blade.Dës Fluxmuster kommen aus engem Punkt op der rietser Säit vum Blade, tëscht dem Rotor an dem Blade.Wann Dir d'Géigend kuckt, déi vun der rout gestippter Këscht an der Figur 4a uginn ass, ass et interessant en aneren Aspekt vum Rezirkulatiounsfloss iwwer a ronderëm d'Blade z'identifizéieren.Flowvisualiséierung weist wéineg Flux an d'Rezirkulatiounszone.Dëse Floss kënnt vun der rietser Säit vun der Klinge op enger Héicht vu ronn 6 cm vum Enn vun der Klingen un, méiglecherweis duerch den Afloss vun der éischter Klinge vun der Hand virun der Klinge, déi am Bild sichtbar ass.Flowvisualiséierung bei 4 RPM weist datselwecht Verhalen a Struktur, anscheinend mat méi héije Geschwindegkeeten.
Geschwindegkeetsfeld an aktuell Grafike vun dräi Blades bei zwou Rotatiounsvitessen vun 3 RPM- a 4 RPM-.Déi maximal Duerchschnëttsgeschwindegkeet vun den dräi Blades bei 3 U/min ass 0,15 m/s, 0,20 m/s resp. s, respektiv.op dräi Blieder.
Eng aner Form vun helical Flux war fonnt tëscht Vanes 1 an 2. Vecteure Feld weist kloer, datt de Waasser Flux vun ënnen vun vine 2 no uewen bewegt, wéi vun der Richtung vun der Vecteure uginn.Wéi d'gepunkte Këscht an der Figur 4b gewisen, ginn dës Vecteure net vertikal no uewen vun der viischter Uewerfläch, mee dréien no riets a lues erof.Op der Uewerfläch vum Blade 1 ënnerscheeden sech no ënnen Vektoren, déi béid Blades opgoen an ëmginn aus dem Rezirkulatiounsfloss, deen tëscht hinnen geformt ass.Déiselwecht Flowstruktur gouf bei béide Rotatiounsgeschwindegkeete mat enger méi héijer Geschwindegkeetsamplitude vu 4 RPM bestëmmt.
D'Geschwindegkeetsfeld vun der Blade 3 mécht kee bedeitende Bäitrag vum Geschwindegkeetsvektor vun der viregter Blade, déi de Stroum ënnert der Blade 3. Den Haaptfloss ënner der Blade 3 ass wéinst dem vertikale Geschwindegkeetsvektor deen mam Waasser eropgeet.
D'Vitesse Vecteure iwwer der Uewerfläch vun der viischt 3 kann an dräi Gruppen ënnerdeelt ginn, wéi an der Figur 4c gewisen.Den éischte Set ass deen um rietse Rand vun der Blade.D'Struktur Struktur an dëser Positioun ass direkt no riets an erop (dh Richtung Blade 2).Déi zweet Grupp ass d'Mëtt vun der viischt.De Geschwindegkeetsvektor fir dës Positioun gëtt riicht no uewen geriicht, ouni Deviatioun an ouni Rotatioun.D'Ofsenkung vum Geschwindegkeetswäert gouf mat enger Erhéijung vun der Héicht iwwer dem Enn vum Blade bestëmmt.Fir déi drëtt Grupp, déi op der lénker Peripherie vun de Blades läit, gëtt de Floss direkt no lénks geleet, also op d'Mauer vum Flocculator.De gréissten Deel vum Flux representéiert duerch de Geschwindegkeetsvektor geet erop, an en Deel vum Flow geet horizontal erof.
Zwee Turbulenzenmodeller, SST k–ω an IDDES, goufen benotzt fir Zäitduerchschnëttgeschwindegkeetsprofile fir 3 RPM- a 4 RPM- an der viischt mëttlerer Längtebene ze konstruéieren.Wéi an der Figur 5 gewisen, gëtt de stännegen Zoustand erreecht andeems en absolute Ähnlechkeet tëscht de Geschwindegkeetskonturen erstallt gëtt duerch véier successive Rotatiounen.Zousätzlech, sinn d'Zäit-Moyenne Vitesse contours generéiert vun IDDES zu Lalumi 6a gewisen, iwwerdeems d'Zäit-Moyenne Vitesse Profiler generéiert vun SST k - ω sinn an Lalumi 6a.6b vun.
Mat IDDES an Zäitduerchschnëttsgeschwindegkeetsschleifen generéiert vu SST k–ω, huet IDDES e méi héijen Undeel vu Geschwindegkeetsschleifen.
Virsiichteg iwwerpréift de Geschwindegkeetsprofil erstallt mat IDDES bei 3 rpm wéi an der Figur 7. De Mixer rotéiert d'Auer an de Flow gëtt diskutéiert no den ugewisen Noten.
Op Fig.7 kann et gesi ginn datt op der Uewerfläch vum Blade 3 am I-Quadrant eng Trennung vum Stroum ass, well de Stroum net limitéiert ass wéinst der Präsenz vum ieweschte Lach.Am Quadrant II gëtt keng Trennung vum Stroum beobachtet, well de Stroum komplett duerch d'Maueren vum Flocculator limitéiert ass.Am Quadrant III rotéiert d'Waasser mat enger vill méi niddereger oder méi niddereger Geschwindegkeet wéi an de fréiere Quadranten.D'Waasser an de Quadranten I an II gëtt duerch d'Aktioun vum Mischer no ënnen geréckelt (dh rotéiert oder erausgedréckt).An am Quadrant III gëtt d'Waasser duerch d'Klingen vum Agitator erausgedréckt.Et ass offensichtlech datt d'Waassermass op dëser Plaz géint déi kommend Flocculator-Hülse widderstoen.De Rotary Flow an dësem Quadrant ass komplett getrennt.Fir de Quadrant IV gëtt de gréissten Deel vum Loftfluss iwwer d'Vane 3 op d'Flocculatormauer geriicht a verléiert graduell seng Gréisst wéi d'Héicht op d'Topöffnung eropgeet.
Zousätzlech enthält d'Zentralplaz komplex Flëssmuster, déi d'Quadranten III a IV dominéieren, wéi déi blo Punkte Ellipsen gewisen.Dëst markéiert Gebitt huet näischt mam Wirbelfloss am Paddelflocculator ze dinn, well d'Wirbelbewegung identifizéiert ka ginn.Dëst ass am Géigesaz zu de Quadranten I an II wou et eng kloer Trennung tëscht internen Flux a voller Rotatiounsfloss ass.
Wéi an der Fig.6, vergläicht d'Resultater vun IDDES an SST k-ω, den Haaptunterschied tëscht de Geschwindegkeetskonturen ass d'Gréisst vun der Geschwindegkeet direkt ënner der Blade 3. De SST k-ω Modell weist kloer datt de verlängerten Héichgeschwindegkeetsfloss duerch de Blade 3 gedroe gëtt. Verglach mat IDDES.
En aneren Ënnerscheed kann am Quadrant III fonnt ginn.Vun den IDDES, wéi virdru scho gesot, gouf d'Rotatiounsflosstrennung tëscht de Flocculatorarm bemierkt.Allerdéngs ass dës Positioun staark beaflosst vum nidderegen Geschwindegkeetsfluss vun den Ecken an dem Interieur vun der éischter Blade.Vun SST k–ω fir déi selwecht Plaz weisen d'Konturlinne relativ méi héich Geschwindegkeet am Verglach mat IDDES, well et kee confluent Flow aus anere Regiounen ass.
E qualitativt Verständnis vun de Geschwindegkeetsvektorfelder a Streamlines ass erfuerderlech fir e korrekt Verständnis vum Flowverhalen a Struktur.Gitt datt all Blade 5 cm breet ass, siwe Geschwindegkeetspunkte goufen iwwer d'Breet gewielt fir e representativen Geschwindegkeetsprofil ze bidden.Zousätzlech ass e quantitativt Verständnis vun der Gréisst vun der Geschwindegkeet als Funktioun vun der Héicht iwwer der Klingenfläch erfuerderlech andeems de Geschwindegkeetsprofil direkt iwwer all Klingenfläch an iwwer eng kontinuéierlech Distanz vun 2,5 cm vertikal bis op eng Héicht vun 10 cm geplot gëtt.Gesinn S1, S2 an S3 an der Figur fir méi Informatiounen.Unhang A. Figur 8 weist d'Ähnlechkeet vun der Uewerfläch Vitesse Verdeelung vun all viischt (Y = 0,0) kritt benotzt PIV Experimenter an ANSYS-fluent Analyse benotzt IDDES an SST k-ω.Béid numeresch Modeller maachen et méiglech d'Strukturstruktur op der Uewerfläch vun de Flocculatorblades präzis ze simuléieren.
Geschwindegkeetsverdeelungen PIV, IDDES a SST k–ω op der Bladesfläch.D'x-Achs stellt d'Breet vun all Blat a Millimeter duer, mat der Hierkonft (0 mm) déi lénks Peripherie vum Blat an d'Enn (50 mm) representéiert déi richteg Peripherie vum Blat.
Et ass kloer ze gesinn, datt d'Vitesse Verdeelunge vun de Blades 2 an 3 sinn an Fig.8 an Fig.8.S2 an S3 am Appendix A weisen ähnlech Trends mat Héicht, iwwerdeems Blade 1 Ännerungen onofhängeg.D'Geschwindegkeetsprofile vun de Klingen 2 an 3 ginn perfekt riicht an hunn déiselwecht Amplitude op enger Héicht vun 10 cm vum Enn vum Klingen.Dëst bedeit datt de Flux op dësem Punkt eenheetlech gëtt.Dëst ass kloer aus de PIV Resultater gesi ginn, déi gutt vun IDDES reproduzéiert sinn.Mëttlerweil weisen d'SST k–ω Resultater e puer Differenzen, besonnesch bei 4 RPM.
Et ass wichteg ze bemierken datt d'Blade 1 déiselwecht Form vum Geschwindegkeetsprofil an alle Positiounen behält an net an der Héicht normaliséiert ass, well de Wirbel, deen am Zentrum vum Mixer geformt ass, déi éischt Blade vun alle Waffen enthält.Och, am Verglach mat IDDES, hunn PIV Blade Geschwindegkeetsprofile 2 an 3 liicht méi héich Geschwindegkeetswäerter op de meeschte Plazen gewisen, bis se bal gläich waren op 10 cm iwwer der viischt Uewerfläch.
Post Zäit: Dez-27-2022