Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik.Siz məhdud CSS dəstəyi ilə brauzer versiyasından istifadə edirsiniz.Ən yaxşı təcrübə üçün sizə yenilənmiş brauzerdən istifadə etməyi tövsiyə edirik (və ya Internet Explorer-də Uyğunluq rejimini söndürün).Bundan əlavə, davamlı dəstəyi təmin etmək üçün biz saytı üslub və JavaScript olmadan göstəririk.
Eyni anda üç slayddan ibarət karuseli göstərir.Eyni anda üç slayd arasında hərəkət etmək üçün Əvvəlki və Sonrakı düymələrindən istifadə edin və ya bir anda üç slayd arasında hərəkət etmək üçün sonundakı sürüşmə düymələrindən istifadə edin.
Bu işdə flokulyasiyanın hidrodinamikası laboratoriya miqyaslı avarlı flokulyatorda turbulent axının sürət sahəsinin eksperimental və ədədi tədqiqi ilə qiymətləndirilir.Hissəciklərin birləşməsini və ya flok parçalanmasını təşviq edən turbulent axın mürəkkəbdir və bu yazıda iki turbulentlik modelindən, yəni SST k-ω və IDDES-dən istifadə etməklə nəzərdən keçirilir və müqayisə edilir.Nəticələr göstərir ki, IDDES SST k-ω ilə müqayisədə çox kiçik təkmilləşdirmə təmin edir ki, bu da avarlı flokulyator daxilində axını dəqiq simulyasiya etmək üçün kifayətdir.Uyğunluq hesabı PIV və CFD nəticələrinin yaxınlaşmasını araşdırmaq və istifadə olunan CFD turbulentlik modelinin nəticələrini müqayisə etmək üçün istifadə olunur.Tədqiqat həmçinin adi tipik dəyər 0,25 ilə müqayisədə 3 və 4 rpm-lik aşağı sürətlərdə 0,18 olan sürüşmə əmsalının k kəmiyyətinin ölçülməsinə diqqət yetirir.k-nin 0,25-dən 0,18-ə qədər azalması mayeyə verilən gücü təxminən 27-30% artırır və sürət gradientini (G) təxminən 14% artırır.Bu o deməkdir ki, gözləniləndən daha intensiv qarışdırma əldə edilir, buna görə də daha az enerji sərf olunur və buna görə də içməli su təmizləyici qurğunun flokulyasiya qurğusunda enerji sərfiyyatı daha az ola bilər.
Suyun təmizlənməsində koaqulyantların əlavə edilməsi xırda kolloid hissəcikləri və çirkləri qeyri-sabitləşdirir, sonra onlar birləşərək flokulyasiya mərhələsində flokulyasiya əmələ gətirir.Lopalar sərbəst bağlanmış fraktal kütlə aqreqatlarıdır, sonra çökmə yolu ilə çıxarılır.Hissəciklərin xassələri və maye qarışdırma şəraiti flokulyasiya və müalicə prosesinin səmərəliliyini müəyyən edir.Flokulyasiya nisbətən qısa müddət ərzində yavaş qarışdırma və böyük həcmdə suyu qarışdırmaq üçün çoxlu enerji tələb edir1.
Flokulyasiya zamanı bütün sistemin hidrodinamikası və koaqulyant-hissəciklərin qarşılıqlı təsirinin kimyası stasionar hissəcik ölçüsü paylanmasının əldə olunma sürətini müəyyən edir2.Zərrəciklər toqquşduqda bir-birinə yapışırlar3.Oyegbile, Ay4 toqquşmaların Brown diffuziyasının, mayenin kəsilməsinin və diferensial çökmənin flokulyasiya nəqli mexanizmlərindən asılı olduğunu bildirdi.Lopalar toqquşduqda böyüyür və müəyyən ölçü həddinə çatır, bu da qırılmalara səbəb ola bilər, çünki lopalar hidrodinamik qüvvələrin gücünə tab gətirə bilmir5.Bu qırılmış lopaların bəziləri yenidən kiçik və ya eyni ölçüdə birləşir6.Bununla belə, güclü lopalar bu qüvvəyə müqavimət göstərə bilər və ölçüsünü qoruya və hətta böyüyə bilər7.Yükselen və Gregory8 lopaların məhv edilməsi və onların bərpa olunma qabiliyyəti ilə bağlı araşdırmalar haqqında məlumat vermiş, geri dönməzliyin məhdud olduğunu göstərmişdir.Bridgeman, Jefferson9 yerli sürət qradiyenti vasitəsilə flok əmələ gəlməsi və parçalanmaya orta axın və turbulentliyin yerli təsirini qiymətləndirmək üçün CFD-dən istifadə etdi.Rotor pərdələri ilə təchiz olunmuş çənlərdə aqreqatların laxtalanma mərhələsində kifayət qədər stabilləşdirildikdə digər hissəciklərlə toqquşma sürətini dəyişmək lazımdır.CFD və təxminən 15 rpm-dən aşağı fırlanma sürətlərindən istifadə edərək, Vadasarukkai və Gagnon11 konusvari bıçaqlarla flokulyasiya üçün G dəyərlərinə nail ola bildilər və bununla da təşviqat üçün enerji istehlakını minimuma endirdilər.Bununla belə, daha yüksək G dəyərlərində işləmə flokulyasiyaya səbəb ola bilər.Onlar qarışdırma sürətinin pilot avar flokulyatorunun orta sürət qradiyentinin müəyyən edilməsinə təsirini araşdırdılar.Onlar 5 rpm-dən çox sürətlə fırlanırlar.
Korpijärvi, Ahlstedt12 tank sınaq stendində axın sahəsini öyrənmək üçün dörd müxtəlif turbulentlik modelindən istifadə etdi.Onlar axın sahəsini lazer Doppler anemometri və PIV ilə ölçdülər və hesablanmış nəticələri ölçülmüş nəticələrlə müqayisə etdilər.de Oliveyra və Donadel13 CFD istifadə edərək hidrodinamik xassələrdən sürət qradiyentlərinin qiymətləndirilməsi üçün alternativ üsul təklif etmişlər.Təklif olunan metod spiral həndəsə əsasında altı flokulyasiya qurğusunda sınaqdan keçirilmişdir.tutma müddətinin flokulyantlara təsirini qiymətləndirdi və aşağı saxlama müddətləri ilə rasional hüceyrə dizaynını dəstəkləmək üçün bir vasitə kimi istifadə edilə bilən flokulyasiya modelini təklif etdi14.Zhan, You15 tam miqyaslı flokulyasiyada axın xüsusiyyətlərini və flok davranışını simulyasiya etmək üçün birləşdirilmiş CFD və əhali balansı modelini təklif etdi.Llano-Serna, Coral-Portillo16, Kolumbiyanın Viterbo şəhərindəki su təmizləyici qurğuda Cox tipli hidroflokulyatorun axın xüsusiyyətlərini araşdırdı.CFD-nin üstünlükləri olsa da, hesablamalarda ədədi səhvlər kimi məhdudiyyətlər də var.Buna görə də, kritik nəticələr çıxarmaq üçün əldə edilən istənilən ədədi nəticələr diqqətlə araşdırılmalı və təhlil edilməlidir17.Ədəbiyyatda üfüqi bloklu flokulyatorların layihələndirilməsinə dair az sayda tədqiqat var, hidrodinamik flokulyatorların layihələndirilməsi üçün tövsiyələr isə məhduddur18.Chen, Liao19 ayrı-ayrı hissəciklərdən səpələnmiş işığın qütbləşmə vəziyyətini ölçmək üçün qütbləşmiş işığın səpilməsinə əsaslanan eksperimental quruluşdan istifadə etdi.Feng, Zhang20, laxtalanmış boşqab flokulyatorunun və büzməli bir flokulyatorun axın sahəsində burulğan cərəyanlarının paylanmasını və fırlanmanı simulyasiya etmək üçün Ansys-Fluent-dən istifadə etdi.Ansys-Fluent-dən istifadə edərək flokulyatorda turbulent maye axını simulyasiya etdikdən sonra Gavi21 flokulyatorun dizaynı üçün nəticələrdən istifadə etdi.Vaneli və Teixeira22 spiral boru flokulyatorlarının maye dinamikası ilə flokulyasiya prosesi arasındakı əlaqənin rasional dizaynı dəstəkləmək üçün hələ də zəif başa düşüldüyünü bildirdi.de Oliveira və Costa Teixeira23 fizika təcrübələri və CFD simulyasiyaları vasitəsilə spiral boru flokulyatorunun səmərəliliyini öyrənmiş və hidrodinamik xassələrini nümayiş etdirmişlər.Bir çox tədqiqatçılar qıvrımlı boru reaktorlarını və ya qıvrımlı boru flokulyatorlarını tədqiq etmişlər.Bununla belə, bu reaktorların müxtəlif dizaynlara və iş şəraitlərinə reaksiyası haqqında ətraflı hidrodinamik məlumat hələ də yoxdur (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira və Teixeira26 spiral flokulyatorun nəzəri, eksperimental və CFD simulyasiyalarından orijinal nəticələri təqdim edir.Oliveira və Teixeira27 adi dekanter sistemi ilə birlikdə laxtalanma-flokulyasiya reaktoru kimi spiral rulondan istifadə etməyi təklif etdilər.Onlar bildirirlər ki, bulanıqlığın aradan qaldırılması effektivliyi üçün əldə edilən nəticələr, flokulyasiyanı qiymətləndirmək üçün ümumi istifadə edilən modellərlə əldə edilənlərdən əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənir və belə modellərdən istifadə edərkən ehtiyatlı olmağı təklif edir.Moruzzi və de Oliveira [28] istifadə olunan kameraların sayındakı dəyişikliklər və sabit və ya miqyaslı hüceyrə sürət qradiyentlərinin istifadəsi daxil olmaqla, müxtəlif iş şəraitində davamlı flokulyasiya kameraları sisteminin davranışını modelləşdirmişlər.Romphophak, Le Men29 kvazi iki ölçülü reaktiv təmizləyicilərdə ani sürətlərin PIV ölçüləri.Onlar flokulyasiya zonasında güclü reaktiv sirkulyasiya tapdılar və yerli və ani kəsilmə sürətlərini təxmin etdilər.
Şah, Joshi30 bildirir ki, CFD dizaynları təkmilləşdirmək və virtual axın xüsusiyyətlərini əldə etmək üçün maraqlı alternativ təklif edir.Bu, geniş eksperimental quraşdırmalardan qaçmağa kömək edir.CFD getdikcə su və çirkab su təmizləyici qurğuların təhlili üçün istifadə olunur (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Bir neçə tədqiqatçı sınaq avadanlığı (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) və perforasiya edilmiş disk flokulyatorları31 üzərində təcrübələr aparmışdır.Digərləri hidroflokulyatorları qiymətləndirmək üçün CFD-dən istifadə etmişlər (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 bildirdi ki, mexaniki flokulyatorlar tez-tez sıradan çıxdıqları və çoxlu elektrik enerjisi tələb etdikləri üçün müntəzəm texniki xidmət tələb edirlər.
Avarlı flokulyatorun performansı su anbarının hidrodinamikasından çox asılıdır.Belə flokulyatorlarda axın sürət sahələrinin kəmiyyətcə anlaşılmaması ədəbiyyatda aydın şəkildə qeyd olunur (Howe, Hand38; Hendricks39).Bütün su kütləsi flokulyator çarxının hərəkətinə tabedir, ona görə də sürüşmə gözlənilir.Tipik olaraq, mayenin sürəti, su cismin sürətinin avar təkərinin sürətinə nisbəti kimi təyin olunan sürüşmə əmsalı k ilə bıçaq sürətindən azdır.Bhole40 bildirdi ki, flokulyatorun layihələndirilməsi zamanı nəzərə alınmalı üç naməlum amil var, yəni sürət qradiyenti, sürtünmə əmsalı və bıçaqa nisbətən suyun nisbi sürəti.
Camp41 bildirir ki, yüksək sürətli maşınları nəzərə alsaq, sürət rotor sürətinin təxminən 24%-ni, aşağı sürətli maşınlar üçün isə 32%-ə qədər yüksəkdir.Septa olmadıqda, Droste və Ger42 0,25 ak dəyərini istifadə etdi, septa vəziyyətində isə k 0 ilə 0,15 arasında dəyişdi.Bununla belə, Hand38 təklif edir ki, k 0,2 ilə 0,3 aralığındadır.Hendrix39 sürüşmə amilini empirik düsturdan istifadə edərək fırlanma sürəti ilə əlaqələndirdi və belə nəticəyə gəldi ki, sürüşmə əmsalı da Camp41 tərəfindən müəyyən edilmiş diapazondadır.Bratby43 bildirdi ki, k 1,8-dən 5,4 rpm-ə qədər pervanel sürətləri üçün təxminən 0,2-dir və 0,9-dan 3 rpm-ə qədər pervanel sürətləri üçün 0,35-ə qədər artır.Digər tədqiqatçılar 1.0-dan 1.8-ə qədər sürtünmə əmsalı (Cd) dəyərləri və sürüşmə əmsalı k dəyərlərinin 0.25-dən 0.40-a qədər olduğunu bildirirlər (Feir və Geyer44; Hyde və Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; və Bratby və Marais48) ).Ədəbiyyat Camp41-in işindən bəri k-nin müəyyən edilməsi və kəmiyyətinin müəyyən edilməsində əhəmiyyətli irəliləyiş göstərmir.
Flokulyasiya prosesi toqquşmaları asanlaşdırmaq üçün turbulentliyə əsaslanır, burada turbulentliyi/flokulyasiyanı ölçmək üçün sürət qradiyenti (G) istifadə olunur.Qarışdırma kimyəvi maddələrin suda tez və bərabər şəkildə yayılması prosesidir.Qarışdırma dərəcəsi sürət qradiyenti ilə ölçülür:
burada G = sürət qradiyenti (san-1), P = giriş gücü (W), V = suyun həcmi (m3), μ = dinamik özlülük (Pa s).
G dəyəri nə qədər yüksək olsa, bir o qədər qarışıqdır.Vahid laxtalanma təmin etmək üçün hərtərəfli qarışdırmaq vacibdir.Ədəbiyyat göstərir ki, ən mühüm dizayn parametrləri qarışdırma vaxtı (t) və sürət qradiyentidir (G).Flokulyasiya prosesi toqquşmaları asanlaşdırmaq üçün turbulentliyə əsaslanır, burada turbulentliyi/flokulyasiyanı ölçmək üçün sürət qradiyenti (G) istifadə olunur.G üçün tipik dizayn dəyərləri 20 ilə 70 s-1, t 15 ilə 30 dəqiqə və Gt (ölçüsüz) 104 ilə 105 arasındadır. Sürətli qarışdırma çənləri ən yaxşı G dəyərləri ilə 700 ilə 1000 arasında işləyir. təxminən 2 dəqiqə.
burada P - hər bir flokulyator bıçağı tərəfindən mayeyə verilən güc, N - fırlanma sürəti, b bıçağın uzunluğu, ρ - suyun sıxlığı, r - radius və k - sürüşmə əmsalıdır.Bu tənlik hər bir bıçağa ayrıca tətbiq edilir və nəticələr flokulyatorun ümumi gücünü vermək üçün cəmlənir.Bu tənliyin diqqətlə öyrənilməsi avarlı flokulyatorun dizayn prosesində sürüşmə əmsalının k əhəmiyyətini göstərir.Ədəbiyyatda k-nin dəqiq dəyəri göstərilmir, əksinə, əvvəllər qeyd edildiyi kimi bir sıra tövsiyə olunur.Bununla belə, P gücü ilə sürüşmə əmsalı k arasındakı əlaqə kubdur.Beləliklə, bütün parametrlərin eyni olması şərti ilə, məsələn, k-nin 0,25-dən 0,3-ə dəyişdirilməsi hər bıçaq başına mayeyə ötürülən gücün təxminən 20% azalmasına səbəb olacaq və k-nin 0,25-dən 0,18-ə qədər azaldılması onu artıracaqdır.hər qanad üçün təxminən 27-30% Mayeyə verilən güc.Nəhayət, k-nin dayanıqlı avar flokulyator dizaynına təsiri texniki kəmiyyətlə araşdırılmalıdır.
Sürüşmənin dəqiq empirik kəmiyyəti axının vizuallaşdırılması və simulyasiyasını tələb edir.Buna görə də, bıçağın müxtəlif mövqelərinin təsirini qiymətləndirmək üçün şaftdan müxtəlif radial məsafələrdə və su səthindən müxtəlif dərinliklərdə müəyyən bir fırlanma sürətində suda bıçağın tangensial sürətini təsvir etmək vacibdir.
Bu işdə flokulyasiyanın hidrodinamikası laboratoriya miqyaslı avarlı flokulyatorda turbulent axının sürət sahəsinin eksperimental və ədədi tədqiqi ilə qiymətləndirilir.PIV ölçmələri flokulyatorda qeydə alınır və yarpaqların ətrafındakı su hissəciklərinin sürətini göstərən zamana görə orta sürət konturları yaradılır.Bundan əlavə, ANSYS-Fluent CFD flokulyatorun daxilində fırlanan axını simulyasiya etmək və vaxta görə orta sürət konturlarını yaratmaq üçün istifadə edilmişdir.Yaranan CFD modeli PIV və CFD nəticələri arasındakı uyğunluğu qiymətləndirərək təsdiqləndi.Bu işin diqqəti avarlı flokulyatorun ölçüsüz dizayn parametri olan sürüşmə əmsalının k kəmiyyətinin müəyyən edilməsinə yönəlmişdir.Burada təqdim olunan iş 3 rpm və 4 rpm aşağı sürətlərdə sürüşmə əmsalının k kəmiyyətinin ölçülməsi üçün yeni əsas verir.Nəticələrin təsiri bilavasitə flokulyasiya tankının hidrodinamikasının daha yaxşı başa düşülməsinə kömək edir.
Laboratoriya flokulyatoru ümumi hündürlüyü 147 sm, hündürlüyü 39 sm, ümumi eni 118 sm və ümumi uzunluğu 138 sm olan üstü açıq düzbucaqlı qutudan ibarətdir (şək. 1).Camp49 tərəfindən hazırlanmış əsas dizayn meyarları laboratoriya miqyaslı avar flokulyatorunun layihələndirilməsi və ölçülü analiz prinsiplərinin tətbiqi üçün istifadə edilmişdir.Eksperimental qurğu Livan Amerika Universitetinin (Byblos, Livan) Ətraf Mühit Mühəndisliyi Laboratoriyasında tikilib.
Üfüqi ox aşağıdan 60 sm yüksəklikdə yerləşir və iki avar təkərini yerləşdirir.Hər bir avar təkəri cəmi 12 avar olmaqla hər bir avarda 3 avar olan 4 avardan ibarətdir.Flokulyasiya 2 ilə 6 rpm arasında aşağı sürətlə yumşaq çalkalama tələb edir.Flokulyatorlarda ən çox yayılmış qarışdırma sürətləri 3 rpm və 4 rpm-dir.Laboratoriya miqyasında flokulyator axını içməli su təmizləyici qurğunun flokulyasiya çəni bölməsindəki axını təmsil etmək üçün nəzərdə tutulmuşdur.Güc ənənəvi tənlikdən istifadə edərək hesablanır 42 .Hər iki fırlanma sürəti üçün sürət qradiyenti \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) 10 \({\text{san}}^{-{1}}\)-dən böyükdür. , Reynolds rəqəmi turbulent axını göstərir (Cədvəl 1).
PIV çox sayda nöqtədə eyni vaxtda maye sürət vektorlarının dəqiq və kəmiyyət ölçülməsinə nail olmaq üçün istifadə olunur50.Təcrübə qurğusuna laboratoriya miqyaslı avar flokulyatoru, LaVision PIV sistemi (2017) və Arduino xarici lazer sensoru tetikleyicisi daxildir.Vaxta görə orta sürət profilləri yaratmaq üçün PIV şəkilləri ardıcıl olaraq eyni yerdə qeydə alınıb.PIV sistemi elə kalibrlənmişdir ki, hədəf sahəsi xüsusi avar qolunun üç bıçağının hər birinin uzunluğunun orta nöqtəsində olsun.Xarici trigger flokulyatorun eninin bir tərəfində yerləşən lazerdən və digər tərəfdən sensor qəbuledicisindən ibarətdir.Flokulyator qolu lazer yolunu hər dəfə bloklayanda, proqramlaşdırıla bilən vaxt qurğusu ilə sinxronlaşdırılmış PIV lazer və kamera ilə şəkil çəkmək üçün PIV sisteminə siqnal göndərilir.Əncirdə.Şəkil 2 PIV sisteminin quraşdırılmasını və təsvirin əldə edilməsi prosesini göstərir.
Flokulyator 5-10 dəqiqə işlədildikdən sonra axını normallaşdırmaq və eyni refraktiv indeks sahəsini nəzərə almaq üçün PIV-in qeydə alınmasına başlandı.Kalibrləmə flokulyatora batırılmış və maraqlandıran bıçağın uzunluğunun orta nöqtəsinə yerləşdirilən kalibrləmə lövhəsindən istifadə etməklə həyata keçirilir.Birbaşa kalibrləmə lövhəsinin üstündə düz işıq təbəqəsi yaratmaq üçün PIV lazerinin mövqeyini tənzimləyin.Hər bıçağın hər fırlanma sürəti üçün ölçülmüş dəyərləri qeyd edin və təcrübə üçün seçilmiş fırlanma sürətləri 3 rpm və 4 rpm-dir.
Bütün PIV qeydləri üçün iki lazer impulsları arasındakı vaxt intervalı 6900-dən 7700 µs-ə qədər diapazonda təyin edildi ki, bu da hissəciklərin minimum 5 piksel yerdəyişməsinə imkan verdi.Dəqiq vaxt orta ölçmələri əldə etmək üçün tələb olunan təsvirlərin sayı üzərində pilot sınaqlar aparılmışdır.40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 və 280 təsvirdən ibarət nümunələr üçün vektor statistikası müqayisə edilmişdir.Hər bir təsvirin iki çərçivədən ibarət olduğunu nəzərə alsaq, 240 təsvirdən ibarət nümunə ölçüsünün sabit vaxt orta nəticələrini verdiyi aşkar edilmişdir.
Flokulyatorda axın turbulent olduğundan, kiçik turbulent strukturları həll etmək üçün kiçik sorğu pəncərəsi və çoxlu sayda hissəcik tələb olunur.Dəqiqliyi təmin etmək üçün çarpaz korrelyasiya alqoritmi ilə birlikdə ölçülərin kiçilməsinin bir neçə iterasiyası tətbiq edilir.50% üst-üstə düşmə və bir uyğunlaşma prosesi ilə 48×48 piksellik ilkin sorğu pəncərəsinin ölçüsündən sonra 100% üst-üstə düşən 32×32 piksellik son sorğu pəncərəsi ölçüsü və iki uyğunlaşma prosesi izləndi.Bundan əlavə, axında toxum hissəcikləri kimi şüşə içi boş kürələrdən istifadə edilmişdir ki, bu da hər bir səsvermə pəncərəsində ən azı 10 hissəcik əldə etməyə imkan verirdi.PIV qeydi lazer mənbəyini və kameranı işlətmək və sinxronlaşdırmaqdan məsul olan Proqramlaşdırıla bilən Zamanlama Birliyindəki (PTU) tetik mənbəyi tərəfindən tetiklenir.
Kommersiya CFD paketi ANSYS Fluent v 19.1 3D modeli hazırlamaq və əsas axın tənliklərini həll etmək üçün istifadə edilmişdir.
ANSYS-Fluent proqramından istifadə edərək, laboratoriya miqyaslı avarlı flokulyatorun 3D modeli yaradılmışdır.Model laboratoriya modeli kimi üfüqi ox üzərində quraşdırılmış iki avar təkərindən ibarət düzbucaqlı qutu şəklində hazırlanır.Fribordsuz modelin hündürlüyü 108 sm, eni 118 sm və uzunluğu 138 sm-dir.Mikserin ətrafına üfüqi silindrik müstəvi əlavə edilmişdir.Silindr müstəvisinin yaradılması quraşdırma mərhələsində bütün mikserin fırlanmasını həyata keçirməli və Şəkil 3a-da göstərildiyi kimi flokulyatorun içərisində fırlanan axın sahəsini simulyasiya etməlidir.
3D ANSYS-fluent və model həndəsə diaqramı, maraq müstəvisində ANSYS-fluent flokulyator gövdə şəbəkəsi, maraq müstəvisində ANSYS-səviyyə diaqramı.
Model həndəsəsi hər biri maye olan iki bölgədən ibarətdir.Bu, məntiqi çıxma funksiyasından istifadə etməklə əldə edilir.Mayeni təmsil etmək üçün əvvəlcə qutudan silindri (mikser daxil olmaqla) çıxarın.Sonra mikseri silindrdən çıxarın, nəticədə iki obyekt: mikser və maye.Nəhayət, iki sahə arasında sürüşmə interfeysi tətbiq olundu: silindr-silindr interfeysi və silindr-mikser interfeysi (şəkil 3a).
Rəqəmsal simulyasiyaları yerinə yetirmək üçün istifadə ediləcək turbulentlik modellərinin tələblərinə cavab vermək üçün qurulmuş modellərin birləşdirilməsi tamamlandı.Möhkəm səthin yaxınlığında genişlənmiş təbəqələri olan strukturlaşdırılmamış bir mesh istifadə edilmişdir.Mürəkkəb axın nümunələrinin tutulmasını təmin etmək üçün bütün divarlar üçün böyümə sürəti 1,2 olan genişləndirici təbəqələr yaradın, birinci qat qalınlığı \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m olmalıdır. ( {\text {y})^{+}\le 1.0\).Bədən ölçüsü tetraedron uyğunlaşdırma üsulu ilə tənzimlənir.Element ölçüsü 2,5 × \({10}^{-3}\) m və mikserin ön ölçüsü 9 × \({10}^{-3}\ ) olan iki interfeysdən ibarət ön tərəf ölçüsü yaradılır. m tətbiq olunur.İlkin yaradılan mesh 2144409 elementdən ibarət idi (şək. 3b).
İlkin baza modeli kimi iki parametrli k–ε turbulentlik modeli seçilmişdir.Flokulyatorun içərisində fırlanan axını dəqiq simulyasiya etmək üçün hesablama baxımından daha bahalı model seçilmişdir.Flokulyatorun içərisindəki turbulent fırlanma axını iki CFD modelindən istifadə etməklə ədədi olaraq tədqiq edilmişdir: SST k–ω51 və IDDES52.Modelləri təsdiqləmək üçün hər iki modelin nəticələri eksperimental PIV nəticələri ilə müqayisə edilmişdir.Birincisi, SST k-ω turbulentlik modeli maye dinamikası tətbiqləri üçün iki tənlikli turbulent özlülük modelidir.Bu Wilcox k-ω və k-ε modellərini birləşdirən hibrid modeldir.Qarışdırma funksiyası divarın yaxınlığında Wilcox modelini və qarşıdan gələn axındakı k-ε modelini aktivləşdirir.Bu, bütün axın sahəsində düzgün modelin istifadə olunmasını təmin edir.Mənfi təzyiq gradientlərinə görə axının ayrılmasını dəqiq proqnozlaşdırır.İkincisi, SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) modeli ilə Fərdi Eddi Simulyasiyası (DES) modelində geniş istifadə olunan Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) metodu seçilmişdir.IDDES hibrid RANS-LES (böyük burulğan simulyasiyası) modelidir ki, daha çevik və istifadəçi dostu ayırdetmə ölçüsünü (SRS) simulyasiya modelini təmin edir.Böyük burulğanları həll etmək üçün LES modelinə əsaslanır və kiçik miqyaslı burulğanları simulyasiya etmək üçün SST k-ω-ə qayıdır.SST k–ω və IDDES simulyasiyalarının nəticələrinin statistik təhlili modeli təsdiqləmək üçün PIV nəticələri ilə müqayisə edilmişdir.
İlkin baza modeli kimi iki parametrli k–ε turbulentlik modeli seçilmişdir.Flokulyatorun içərisində fırlanan axını dəqiq simulyasiya etmək üçün hesablama baxımından daha bahalı model seçilmişdir.Flokulyatorun içərisindəki turbulent fırlanma axını iki CFD modelindən istifadə etməklə ədədi olaraq tədqiq edilmişdir: SST k–ω51 və IDDES52.Modelləri təsdiqləmək üçün hər iki modelin nəticələri eksperimental PIV nəticələri ilə müqayisə edilmişdir.Birincisi, SST k-ω turbulentlik modeli maye dinamikası tətbiqləri üçün iki tənlikli turbulent özlülük modelidir.Bu Wilcox k-ω və k-ε modellərini birləşdirən hibrid modeldir.Qarışdırma funksiyası divarın yaxınlığında Wilcox modelini və qarşıdan gələn axındakı k-ε modelini aktivləşdirir.Bu, bütün axın sahəsində düzgün modelin istifadə olunmasını təmin edir.Mənfi təzyiq gradientlərinə görə axının ayrılmasını dəqiq proqnozlaşdırır.İkincisi, SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) modeli ilə Fərdi Eddi Simulyasiyası (DES) modelində geniş istifadə olunan Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) metodu seçilmişdir.IDDES hibrid RANS-LES (böyük burulğan simulyasiyası) modelidir ki, daha çevik və istifadəçi dostu ayırdetmə ölçüsünü (SRS) simulyasiya modelini təmin edir.Böyük burulğanları həll etmək üçün LES modelinə əsaslanır və kiçik miqyaslı burulğanları simulyasiya etmək üçün SST k-ω-ə qayıdır.SST k–ω və IDDES simulyasiyalarının nəticələrinin statistik təhlili modeli təsdiqləmək üçün PIV nəticələri ilə müqayisə edilmişdir.
Təzyiq əsaslı keçici həlledicidən istifadə edin və Y istiqamətində cazibə qüvvəsindən istifadə edin.Dönmə, fırlanma oxunun başlanğıcının üfüqi oxun mərkəzində və fırlanma oxunun istiqamətinin Z istiqamətində olduğu mikserə bir mesh hərəkəti təyin etməklə əldə edilir.Hər iki model həndəsə interfeysi üçün mesh interfeysi yaradılır, nəticədə iki məhdudlaşdırıcı qutu kənarı yaranır.Eksperimental texnikada olduğu kimi, fırlanma sürəti 3 və 4 dövrəyə uyğundur.
Mikserin və flokulyatorun divarları üçün sərhəd şərtləri divar tərəfindən, flokulyatorun yuxarı açılışı isə sıfır gauge təzyiqi olan çıxış tərəfindən müəyyən edilmişdir (şəkil 3c).SADƏ təzyiq-sürət rabitəsi sxemi, ən kiçik kvadratlar elementləri əsasında bütün parametrlərlə ikinci dərəcəli funksiyaların qradient fəzasının diskretləşdirilməsi.Bütün axın dəyişənləri üçün yaxınlaşma meyarı miqyaslı qalıqdır 1 x \({10}^{-3}\).Zaman addımında təkrarların maksimum sayı 20-dir və zaman addımının ölçüsü 0,5° fırlanmaya uyğundur.Həll SST k–ω modeli üçün 8-ci iterasiyada və IDDES istifadə edərək 12-ci iterasiyada birləşir.Bundan əlavə, vaxt addımlarının sayı hesablandı ki, mikser ən azı 12 inqilab etdi.Eksperimental prosedura bənzər axının normallaşdırılmasına imkan verən 3 fırlanmadan sonra vaxt statistikası üçün məlumat nümunəsini tətbiq edin.Hər bir inqilab üçün sürət dövrələrinin çıxışını müqayisə etmək, son dörd inqilab üçün tam olaraq eyni nəticələr verir və sabit vəziyyətə çatdığını göstərir.Əlavə dövrələr orta sürət konturlarını yaxşılaşdırmadı.
Vaxt addımı fırlanma sürəti, 3 rpm və ya 4 rpm ilə əlaqədar müəyyən edilir.Vaxt addımı mikserin 0,5° fırlanması üçün tələb olunan vaxta qədər dəqiqləşdirilir.Bu kifayətdir, çünki həll əvvəlki hissədə təsvir olunduğu kimi asanlıqla birləşir.Beləliklə, hər iki turbulentlik modeli üçün bütün ədədi hesablamalar 3 rpm, 0,0208 \(\stackrel{\mathrm{-} üçün 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) dəyişdirilmiş zaman addımından istifadə etməklə aparılmışdır. {3}\) 4 rpm.Verilmiş dəqiqləşdirmə vaxtı addımı üçün xananın Courant sayı həmişə 1,0-dan azdır.
Model-mesh asılılığını araşdırmaq üçün əvvəlcə orijinal 2.14M mesh və daha sonra təmizlənmiş 2.88M mesh istifadə edərək nəticələr əldə edildi.Şəbəkənin dəqiqləşdirilməsi mikser gövdəsinin hücrə ölçüsünü 9 × \({10}^{-3}\) m-dən 7 × \({10}^{-3}\) m-ə endirməklə əldə edilir.İki model turbulentin orijinal və zərif meshləri üçün bıçağın ətrafındakı müxtəlif yerlərdə sürət modullarının orta dəyərləri müqayisə edildi.Nəticələr arasındakı faiz fərqi SST k–ω modeli üçün 1,73%, IDDES modeli üçün isə 3,51% təşkil edir.IDDES daha yüksək faiz fərqi göstərir, çünki o, hibrid RANS-LES modelidir.Bu fərqlər əhəmiyyətsiz hesab edildi, buna görə də simulyasiya 2,14 milyon element və 0,5 ° fırlanma vaxtı addımı olan orijinal şəbəkədən istifadə edərək həyata keçirildi.
Altı təcrübənin hər birinin ikinci dəfə yerinə yetirilməsi və nəticələrin müqayisəsi ilə eksperimental nəticələrin təkrarlanabilirliyi yoxlanılıb.İki sınaq seriyasında bıçağın mərkəzindəki sürət dəyərlərini müqayisə edin.İki eksperimental qrup arasında orta faiz fərqi 3,1% təşkil etmişdir.PIV sistemi də hər bir təcrübə üçün müstəqil olaraq yenidən kalibrlənmişdir.Hər bir bıçağın mərkəzində analitik hesablanmış sürəti eyni yerdəki PIV sürəti ilə müqayisə edin.Bu müqayisə 1-ci bıçaq üçün 6,5% maksimum faiz səhvi ilə fərqi göstərir.
Sürüşmə əmsalının kəmiyyətini təyin etməzdən əvvəl avarlı flokulyatorda sürüşmə anlayışını elmi şəkildə başa düşmək lazımdır ki, bu da flokulyatorun avarlarının ətrafında axın strukturunun öyrənilməsini tələb edir.Konseptual olaraq, sürüşmə əmsalı avarlı flokulyatorların dizaynında bıçaqların suya nisbətən sürətini nəzərə almaq üçün qurulur.Ədəbiyyat bu sürətin bıçaq sürətinin 75%-ni təşkil etməsini tövsiyə edir, buna görə də əksər dizaynlar bu tənzimləməni hesablamaq üçün adətən 0,25 ak istifadə edir.Bu, axın sürəti sahəsini tam başa düşmək və bu sürüşməni öyrənmək üçün PIV təcrübələrindən əldə edilən sürət xətlərinin istifadəsini tələb edir.Bıçaq 1 milə ən yaxın olan ən daxili bıçaqdır, bıçaq 3 ən xarici bıçaqdır və bıçaq 2 orta bıçaqdır.
Bıçaq 1-dəki sürət xətləri bıçaq ətrafında birbaşa fırlanan axını göstərir.Bu axın nümunələri bıçağın sağ tərəfində, rotor və bıçaq arasında bir nöqtədən çıxır.Şəkil 4a-da qırmızı nöqtəli qutu ilə göstərilən sahəyə baxsaq, bıçağın üstündə və ətrafında resirkulyasiya axınının başqa bir aspektini müəyyən etmək maraqlıdır.Axın vizuallaşdırılması resirkulyasiya zonasına az axın göstərir.Bu axın bıçağın sağ tərəfindən bıçağın ucundan təxminən 6 sm hündürlükdə yaxınlaşır, ola bilsin ki, təsvirdə görünən bıçaqdan əvvəlki əlin birinci bıçağının təsiri ilə.4 rpm-də axın vizuallaşdırılması eyni davranışı və quruluşu, yəqin ki, daha yüksək sürətlərlə göstərir.
3 rpm və 4 rpm olan iki fırlanma sürətində üç bıçağın sürət sahəsi və cari qrafikləri.Üç bıçağın 3 rpm-də maksimum orta sürəti müvafiq olaraq 0,15 m/s, 0,20 m/s və 0,16 m/s, 4 rpm-də isə maksimum orta sürət 0,15 m/s, 0,22 m/s və 0,22 m/s təşkil edir. s, müvafiq olaraq.üç vərəqdə.
1 və 2-ci qanadlar arasında spiral axının başqa bir forması tapıldı. Vektor sahəsi aydın şəkildə göstərir ki, su axını vektorun istiqaməti ilə göstərildiyi kimi 2-ci qanadın dibindən yuxarıya doğru hərəkət edir.Şəkil 4b-də nöqtəli qutu ilə göstərildiyi kimi, bu vektorlar bıçaq səthindən şaquli olaraq yuxarıya doğru getmir, lakin sağa dönür və tədricən aşağı enirlər.Bıçağın 1 səthində hər iki bıçağa yaxınlaşan və onların arasında yaranan resirkulyasiya axınından onları əhatə edən aşağı yönlü vektorlar fərqlənir.Eyni axın strukturu 4 rpm daha yüksək sürət amplitudası ilə hər iki fırlanma sürətində müəyyən edilmişdir.
Bıçağın 3-ün sürət sahəsi, bıçaq 3-ün altındakı axını birləşdirən əvvəlki bıçağın sürət vektorundan əhəmiyyətli bir töhfə vermir. Bıçaq 3-ün altındakı əsas axın, su ilə yüksələn şaquli sürət vektoru ilə əlaqədardır.
Bıçağın 3 səthi üzərindəki sürət vektorlarını Şəkil 4c-də göstərildiyi kimi üç qrupa bölmək olar.Birinci dəst bıçağın sağ kənarındadır.Bu vəziyyətdə axın quruluşu düz sağa və yuxarıya (yəni bıçaq 2-yə doğru) yönəldilmişdir.İkinci qrup bıçağın ortasıdır.Bu mövqe üçün sürət vektoru heç bir sapma və fırlanma olmadan düz yuxarı yönəldilmişdir.Sürət dəyərinin azalması bıçağın sonundan yuxarı hündürlüyün artması ilə müəyyən edilmişdir.Bıçaqların sol periferiyasında yerləşən üçüncü qrup üçün axın dərhal sola, yəni flokulyatorun divarına yönəldilir.Sürət vektoru ilə təmsil olunan axının çox hissəsi yuxarı qalxır və axının bir hissəsi üfüqi olaraq aşağı enir.
Bıçağın orta uzunluğu müstəvisində 3 rpm və 4 rpm üçün vaxta görə orta sürət profillərini qurmaq üçün iki turbulentlik modeli, SST k–ω və IDDES istifadə edilmişdir.Şəkil 5-də göstərildiyi kimi, sabit vəziyyət dörd ardıcıl fırlanma ilə yaradılan sürət konturları arasında mütləq oxşarlığa nail olmaqla əldə edilir.Bundan əlavə, IDDES tərəfindən yaradılan zamana görə orta sürət konturları Şəkil 6a-da, SST k – ω tərəfindən yaradılan zamana görə orta sürət profilləri isə Şəkil 6a-da göstərilmişdir.6b.
IDDES və SST k–ω tərəfindən yaradılan zamana görə orta sürət dövrələrindən istifadə edərək, IDDES sürət döngələrinin daha yüksək nisbətinə malikdir.
Şəkil 7-də göstərildiyi kimi IDDES ilə 3 rpm-də yaradılmış sürət profilini diqqətlə yoxlayın. Mikser saat əqrəbi istiqamətində fırlanır və axın göstərilən qeydlərə uyğun olaraq müzakirə edilir.
Əncirdə.7-dən görünür ki, I kvadrantda bıçağın 3 səthində axının ayrılması var, çünki yuxarı çuxurun olması səbəbindən axın məhdudlaşdırılmır.II kvadrantda axının ayrılması müşahidə edilmir, çünki axın flokulyatorun divarları ilə tamamilə məhdudlaşdırılır.III kvadrantda su əvvəlki kvadrantlara nisbətən xeyli aşağı və ya aşağı sürətlə fırlanır.I və II kvadrantlardakı su qarışdırıcının hərəkəti ilə aşağıya doğru hərəkət edir (yəni fırlanır və ya itələyir).III kvadrantda isə su qarışdırıcının bıçaqları ilə itələnir.Aydındır ki, bu yerdəki su kütləsi yaxınlaşan flokulyator qoluna müqavimət göstərir.Bu kvadrantda fırlanan axın tamamilə ayrılmışdır.IV kvadrant üçün qanad 3-ün üstündəki hava axınının çox hissəsi flokulyator divarına doğru yönəlir və hündürlük yuxarı açılışa qədər artdıqca tədricən öz ölçüsünü itirir.
Bundan əlavə, mərkəzi yer, mavi nöqtəli ellipslərlə göstərildiyi kimi III və IV kvadrantlarda üstünlük təşkil edən mürəkkəb axın modellərini əhatə edir.Bu işarələnmiş sahənin avar flokulyatorunda fırlanma axını ilə heç bir əlaqəsi yoxdur, çünki fırlanma hərəkəti müəyyən edilə bilər.Bu, daxili axın və tam fırlanma axını arasında aydın bir ayrılığın olduğu I və II kvadrantlardan fərqlidir.
Şəkildə göstərildiyi kimi.Şəkil 6, IDDES və SST k-ω nəticələrini müqayisə edərək, sürət konturları arasındakı əsas fərq 3-cü bıçaqdan dərhal aşağı olan sürətin böyüklüyüdür. SST k-ω modeli açıq şəkildə göstərir ki, uzadılmış yüksək sürətli axın bıçaq 3 tərəfindən aparılır. IDDES ilə müqayisədə.
Başqa bir fərq III kvadrantda tapıla bilər.IDDES-dən, əvvəllər qeyd edildiyi kimi, flokulyator qolları arasında fırlanma axınının ayrılması qeyd edildi.Bununla belə, bu mövqe künclərdən və birinci bıçağın daxili hissəsindən aşağı sürət axınından güclü şəkildə təsirlənir.Eyni yer üçün SST k–ω-dən kontur xətləri IDDES ilə müqayisədə nisbətən daha yüksək sürət göstərir, çünki digər bölgələrdən birləşən axın yoxdur.
Axının davranışını və strukturunu düzgün başa düşmək üçün sürət vektor sahələrinin və aerozolların keyfiyyətcə başa düşülməsi tələb olunur.Hər bıçağın eninin 5 sm olduğunu nəzərə alaraq, sürət profilini təmsil etmək üçün eni boyunca yeddi sürət nöqtəsi seçilmişdir.Bundan əlavə, sürət profilini bilavasitə hər bir bıçaq səthi üzərində və şaquli olaraq 10 sm hündürlüyə qədər 2,5 sm davamlı məsafədə çəkməklə, bıçaq səthinin üstündəki hündürlükdən asılı olaraq sürətin böyüklüyünün kəmiyyətcə başa düşülməsi tələb olunur.Əlavə məlumat üçün şəkildəki S1, S2 və S3-ə baxın.Əlavə A. Şəkil 8-də PIV təcrübələri və IDDES və SST k-ω istifadə edərək ANSYS-Fluent analizindən istifadə etməklə əldə edilmiş hər bir bıçağın səth sürətinin paylanmasının oxşarlığı (Y = 0.0) göstərilir.Hər iki ədədi model flokulyator bıçaqlarının səthində axın strukturunu dəqiq simulyasiya etməyə imkan verir.
Bıçaq səthində sürət paylamaları PIV, IDDES və SST k–ω.X oxu hər bir vərəqin enini millimetrlə ifadə edir, mənşəyi (0 mm) vərəqin sol periferiyasını və sonu (50 mm) vərəqin sağ ətrafını təmsil edir.
Açıq şəkildə görünür ki, bıçaq 2 və 3-ün sürət paylamaları Şəkil 8 və Şəkil 8-də göstərilmişdir.Əlavə A-dakı S2 və S3 hündürlüklə oxşar meylləri göstərir, bıçaq 1 isə müstəqil olaraq dəyişir.2 və 3-cü bıçaqların sürət profilləri mükəmməl düz olur və bıçağın ucundan 10 sm hündürlükdə eyni amplituda malikdir.Bu o deməkdir ki, bu nöqtədə axın vahid olur.Bu, IDDES tərəfindən yaxşı əks olunan PIV nəticələrindən aydın görünür.Bu arada, SST k–ω nəticələri, xüsusən də 4 rpm-də bəzi fərqlər göstərir.
Qeyd etmək vacibdir ki, bıçaq 1 bütün mövqelərdə sürət profilinin eyni formasını saxlayır və hündürlüyü normallaşdırılmır, çünki mikserin mərkəzində formalaşan burulğan bütün qolların birinci bıçağını ehtiva edir.Həmçinin, IDDES ilə müqayisədə, PIV bıçaq sürət profilləri 2 və 3, bıçaq səthindən 10 sm yuxarıda təxminən bərabər olana qədər əksər yerlərdə bir qədər yüksək sürət dəyərləri göstərdi.
Göndərmə vaxtı: 27 dekabr 2022-ci il