Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат.Сиз чектелген CSS колдоосу менен серепчи версиясын колдонуп жатасыз.Мыкты тажрыйба үчүн жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerдеги Шайкештик режимин өчүрүү).Мындан тышкары, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн биз сайтты стилсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Бир эле учурда үч слайддан турган каруселди көрсөтөт.Бир убакта үч слайд аркылуу өтүү үчүн Мурунку жана Кийинки баскычтарын колдонуңуз, же бир эле учурда үч слайд аркылуу өтүү үчүн аягындагы сыдырма баскычтарын колдонуңуз.
Бул изилдөөдө флокуляциянын гидродинамикасы лабораториялык масштабдагы калак флокуляторунда турбуленттүү агымдын ылдамдыгы талаасын эксперименталдык жана сандык изилдөө аркылуу бааланат.Бөлүкчөлөрдүн агрегациясына же флоктун бөлүнүшүнө өбөлгө түзгөн турбуленттүү агым татаал жана бул документте эки турбуленттүү моделди, атап айтканда SST k-ω жана IDDES колдонуу менен каралат жана салыштырылат.Натыйжалар көрсөткөндөй, IDDES SST k-ωге караганда өтө аз жакшырууну камсыз кылат, бул калак флокуляторунун ичиндеги агымды так моделдөө үчүн жетиштүү.Ылайыктуу балл PIV жана CFD натыйжаларынын конвергенциясын изилдөө жана колдонулган CFD турбуленттүү моделинин натыйжаларын салыштыруу үчүн колдонулат.Изилдөө ошондой эле 0,25 кадимки типтүү мааниге салыштырмалуу 3 жана 4 айн/мин төмөн ылдамдыкта 0,18 болгон тайгалануу факторун к сандык баалоого багытталган.k ды 0,25тен 0,18ге чейин азайтуу суюктукка берилген кубаттуулукту болжол менен 27-30%ке жогорулатат жана ылдамдык градиентин (G) болжол менен 14%ке жогорулатат.Бул күтүлгөндөн көбүрөөк интенсивдүү аралаштырууга жетишилет, демек, азыраак энергия керектелет, демек, ичүүчү сууну тазалоочу станциянын флокуляциялоо блогунда энергия керектөө төмөн болушу мүмкүн.
Сууну тазалоодо коагулянттарды кошуу майда коллоиддик бөлүкчөлөрдү жана аралашмаларды туруксуздаштырат, кийин алар биригип, флокуляция стадиясында флокуляцияны пайда кылат.Кабырчыктар - бул массасынын эркин байланыштырылган фракталдык агрегаттары, алар кийинчерээк чөгүрүү жолу менен жок кылынат.Бөлүкчөлөрдүн касиеттери жана суюктуктун аралашуу шарттары флокуляция жана тазалоо процессинин натыйжалуулугун аныктайт.Флокуляция салыштырмалуу кыска убакытка жай агитацияны жана чоң көлөмдөгү сууну агитациялоо үчүн көп энергияны талап кылат1.
Флокуляция учурунда бүт системанын гидродинамикасы жана коагулянт менен бөлүкчөлөрдүн өз ара аракеттешүүсүнүн химиясы бөлүкчөлөрдүн стационардык өлчөмдө бөлүштүрүүгө жетишүү ылдамдыгын аныктайт2.Бөлүкчөлөр кагылышканда бири-бирине жабышат3.Oyegbile, Ay4 кагылышуулар Броун диффузиясынын, суюктуктун жылышынын жана дифференциалдык отурукташуунун флокуляциялык транспорттук механизмдеринен көз каранды экенин билдирди.Кабырактар кагылышканда чоңоюп, белгилүү өлчөмдөгү чекке жетет, бул сынууга алып келиши мүмкүн, анткени кабыкчалар гидродинамикалык күчтөрдүн күчүнө туруштук бере албайт5.Бул сынган үлүштөрдүн айрымдары кайра биригип, кичине же бирдей өлчөмдөргө айланат6.Бирок, күчтүү кабыктар бул күчкө туруштук берип, көлөмүн сактап, ал тургай өсө алат7.Юкселен жана Грегори8 кабырчыктарды жок кылуу жана алардын кайра жаралуу жөндөмдүүлүгүнө байланыштуу изилдөөлөр жөнүндө кабарлашып, кайтарылгыстык чектелүү экенин көрсөтүштү.Бриджман, Джефферсон9 CFDди орточо агымдын жана турбуленттүүлүктүн флоктун пайда болушуна жана жергиликтүү ылдамдык градиенттери аркылуу фрагментацияга жергиликтүү таасирин баалоо үчүн колдонгон.Ротордун калпактары менен жабдылган резервуарларда, коагуляция фазасында жетишерлик туруксуздукка учураганда агрегаттардын башка бөлүкчөлөр менен кагылышынын ылдамдыгын өзгөртүү зарыл.CFD жана 15 айн / мин төмөн айлануу ылдамдыгын колдонуу менен, Vadasarukkai жана Gagnon11 конус бычактары менен флокуляция үчүн G маанилерине жетише алышты, ошону менен агитация үчүн электр энергиясын керектөөнү азайтышты.Бирок, жогору G баалуулуктарында иштөө флокуляцияга алып келиши мүмкүн.Алар пилоттук калак флокуляторунун орточо ылдамдык градиентин аныктоого аралаштыруу ылдамдыгынын таасирин изилдешкен.Алар 5 айн/мин ылдамдыкта айланышат.
Korpijärvi, Ahlstedt12 танк сыноо стендинде агым талаасын изилдөө үчүн төрт түрдүү турбуленттүүлүк моделдерин колдонгон.Алар агым талаасын лазердик доплер анемометри жана PIV менен өлчөп, эсептелген натыйжаларды ченелген натыйжалар менен салыштырышкан.де Оливейра жана Донадел13 CFDди колдонуу менен гидродинамикалык касиеттерден ылдамдык градиенттерин баалоо үчүн альтернативдүү ыкманы сунуш кылышкан.Сунуш кылынган метод спиралдык геометриянын негизинде алты флокуляциялык агрегатта сыналды.флокулянттарга кармоо убактысынын таасирин баалады жана кармоо убактысы аз болгон рационалдуу клетка дизайнын колдоо үчүн курал катары колдонула турган флокуляция моделин сунуштады14.Жан, You15 толук масштабдуу флокуляцияда агымдын мүнөздөмөлөрүн жана флоктун жүрүм-турумун имитациялоо үчүн бириккен CFD жана популяция балансынын моделин сунуштады.Llano-Serna, Coral-Portillo16 Колумбиянын Витербо шаарындагы суу тазалоочу станцияда Кокс тибиндеги гидрофлокулятордун агымынын өзгөчөлүктөрүн изилдеген.CFD өзүнүн артыкчылыктарына ээ болгону менен, эсептөөлөрдөгү сандык каталар сыяктуу чектөөлөр да бар.Демек, ар кандай сандык натыйжалар сын тыянак чыгаруу үчүн кылдат текшерилип, талданууга тийиш17.Адабиятта горизонталдык бафлектордук флокуляторлорду долбоорлоо боюнча изилдөөлөр аз, ал эми гидродинамикалык флокуляторлорду долбоорлоо боюнча сунуштар чектелүү18.Чен, Liao19 жеке бөлүкчөлөрдөн чачыраган жарыктын поляризациясынын абалын өлчөө үчүн поляризацияланган жарыктын чачырашына негизделген эксперименталдык түзүлүштү колдонгон.Feng, Zhang20 Ansys-Fluentти коагуляцияланган пластина флокуляторунун жана толкундар аралык флоккулатордун агым талаасында куюндуу агымдардын жана айланмалардын бөлүштүрүлүшүн моделдөө үчүн колдонушкан.Ansys-Fluent аркылуу флокулятордогу турбуленттүү суюктуктун агымын имитациялагандан кийин, Gavi21 флокуляторду долбоорлоо үчүн жыйынтыктарды колдонгон.Vaneli жана Teixeira22 спиралдык түтүк flocculators суюктук динамикасы жана floculation жараянынын ортосундагы мамиле дагы эле начар рационалдуу долбоорду колдоо үчүн түшүнүлөт деп билдирди.де Оливейра жана Коста Тейшейра23 физикалык эксперименттер жана CFD симуляциялары аркылуу спиралдык түтүк флокуляторунун эффективдүүлүгүн изилдеп, гидродинамикалык касиеттерин көрсөтүштү.Көптөгөн изилдөөчүлөр бурмаланган түтүктүү реакторлорду же спиралдуу түтүктүү флокуляторлорду изилдешкен.Бирок, бул реакторлордун ар кандай конструкцияларга жана иштөө шарттарына реакциясы жөнүндө толук гидродинамикалык маалымат дагы деле жок (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira жана Teixeira26 спиралдык флокулятордун теориялык, эксперименталдык жана CFD моделдөөлөрүнүн оригиналдуу натыйжаларын беришет.Oliveira жана Teixeira27 кадимки декантер системасы менен айкалышта коагуляция-флокуляциялык реактор катары спиралдык катушканы колдонууну сунушташты.Алар булганууну жоюунун эффективдүүлүгү үчүн алынган натыйжалар флокуляцияны баалоо үчүн кеңири колдонулган моделдер менен алынган натыйжалардан бир топ айырмаланарын билдиришип, мындай моделдерди колдонууда этият болууну сунуштайт.Моруцци жана де Оливейра [28] ар кандай иштөө шарттарында үзгүлтүксүз флокуляциялык камералар системасынын жүрүм-турумун моделдешти, анын ичинде колдонулган камералардын санынын вариациялары жана туруктуу же масштабдуу клетканын ылдамдык градиенттерин колдонуу.Romphophak, Le Men29 Квази-эки өлчөмдүү реактивдүү тазалагычтарда заматта ылдамдыкты PIV өлчөө.Алар флокуляция зонасында реактивдүү реактивдүү циркуляцияны табышкан жана жергиликтүү жана көз ирмемдик жылышуу ылдамдыгын эсептешкен.
Шах, Жоши30 CFD дизайнды жакшыртуу жана виртуалдык агымдын мүнөздөмөлөрүн алуу үчүн кызыктуу альтернатива сунуштайт деп билдирди.Бул кеңири эксперименттик орнотуулардан качууга жардам берет.CFD сууну жана саркынды сууларды тазалоочу түзүлүштөрдү талдоо үчүн барган сайын көбүрөөк колдонулууда (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Бир нече изилдөөчүлөр тестирлөөчү жабдыктарды (Бриджман, Джефферсон36; Бриджман, Джефферсон5; Жарвис, Джефферсон6; Ванг, Ву34) жана тешиктүү диск флокуляторлорунда31 эксперимент жасашты.Башкалары гидрофлокуляторлорду баалоо үчүн CFD колдонушкан (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 билдиргендей, механикалык флокуляторлор үзгүлтүксүз техникалык тейлөөнү талап кылат, анткени алар тез-тез бузулуп, көп электр энергиясын талап кылат.
Калакты флокулятордун иштеши суу сактагычтын гидродинамикасына абдан көз каранды.Мындай флокуляторлордо агымдын ылдамдыгы талааларынын сандык түшүнүгүнүн жоктугу адабияттарда ачык белгиленген (Howe, Hand38; Hendricks39).Бүткүл суунун массасы флокулятордун кыймылдаткычынын кыймылына баш ийет, ошондуктан тайгак болушу күтүлөт.Эреже катары, суюктуктун ылдамдыгы тайгалоо коэффициенти боюнча бычактын ылдамдыгынан азыраак болот, ал суу телонун ылдамдыгынын калак дөңгөлөкүнүн ылдамдыгына катышы катары аныкталат.Bhole40 флокуляторду долбоорлоодо үч белгисиз факторду, атап айтканда, ылдамдык градиентин, сүйрөө коэффициентин жана бычакка салыштырмалуу суунун салыштырмалуу ылдамдыгын эске алуу керектигин билдирди.
Camp41 жогорку ылдамдыктагы машиналарды эске алганда, ылдамдык ротордун ылдамдыгынын болжол менен 24% жана төмөн ылдамдыктагы машиналар үчүн 32% га чейин жетет деп билдирди.Септа жок болгон учурда, Droste жана Ger42 0,25 ак маанисин колдонушкан, ал эми септаларда k 0дөн 0,15ке чейин өзгөргөн.Кантсе да, Hand38 k 0,2ден 0,3кө чейинки диапазондо экенин болжолдойт.Хендрикс39 эмпирикалык формуланын жардамы менен тайгалануу факторун айлануу ылдамдыгы менен байланыштырды жана тайгалануу фактору да Кэмп41 тарабынан белгиленген диапазондо деген жыйынтыкка келди.Bratby43 к 1,8ден 5,4 айн/минага чейин дөңгөлөктүн ылдамдыгы үчүн 0,2ге жакын экенин жана 0,9дан 3 айн/минага чейин дөңгөлөктүн ылдамдыгы үчүн 0,35ке чейин көбөйөрүн билдирди.Башка изилдөөчүлөр 1,0дон 1,8ге чейин сүйрөө коэффициентинин (Cd) маанилеринин кенен диапазонунда жана 0,25тен 0,40ка чейин тайгалануу коэффициентинин к маанилерин айтышат (Фейр жана Гейер44; Хайд жана Людвиг45; Харрис, Кауфман46; ван Дурен47; жана Братби жана Мараис48) ).Адабият Кэмп41'тин ишинен бери к аныктоодо жана санында олуттуу прогрессти көрсөткөн жок.
Флокуляция процесси кагылышууларды жеңилдетүү үчүн турбуленттүүлүккө негизделген, мында ылдамдык градиенти (G) турбуленттүүлүк/флокуляцияны өлчөө үчүн колдонулат.Аралаштыруу – бул химиялык заттарды сууга тез жана бирдей чачуу процесси.Аралаштыруу даражасы ылдамдык градиенти менен өлчөнөт:
мында G = ылдамдык градиенти (сек-1), P = киргизүү кубаттуулугу (Вт), V = суунун көлөмү (м3), μ = динамикалык илешкектүүлүк (Па с).
G мааниси канчалык жогору болсо, ошончолук аралашат.Бир калыпта коагуляцияны камсыз кылуу үчүн кылдат аралаштыруу зарыл.Адабиятта эң маанилүү долбоорлоо параметрлери аралашуу убактысы (t) жана ылдамдык градиенти (G) экенин көрсөтүп турат.Флокуляция процесси кагылышууларды жеңилдетүү үчүн турбуленттүүлүккө негизделген, мында ылдамдык градиенти (G) турбуленттүүлүк/флокуляцияны өлчөө үчүн колдонулат.G үчүн типтүү дизайн маанилери 20дан 70 с–1ге чейин, t 15тен 30 мүнөткө чейин жана Gt (өлчөмсүз) 104төн 105ке чейин. болжол менен 2 мүнөт.
мында P - ар бир флокулятордун пычак суюктукка берген күчү, N - айлануу ылдамдыгы, b - бычактын узундугу, ρ - суунун тыгыздыгы, r - радиус, жана k - тайгалануу коэффициенти.Бул теңдеме ар бир бычакка өзүнчө колдонулат жана натыйжалар флокулятордун жалпы кубаттуулугун берүү үчүн жыйынтыкталат.Бул теңдемени кылдат изилдөө калак флокуляторун долбоорлоо процессинде тайгалануу факторунун k маанилүүлүгүн көрсөтөт.Адабият к-тын так маанисин билдирбейт, тескерисинче, мурда айтылгандай диапазону сунуштайт.Бирок, P күчү менен тайгалануу коэффициенти k ортосундагы байланыш куб.Ошентип, бардык параметрлер бирдей болгон шартта, мисалы, k ны 0,25тен 0,3кө чейин өзгөртүү ар бир пычактагы суюктукка берилүүчү кубаттуулуктун болжол менен 20% га төмөндөшүнө алып келет, ал эми k ны 0,25тен 0,18ге чейин кыскартуу аны жогорулатат.ар бир канага болжол менен 27-30% суюктукка берилген күч.Акыр-аягы, к-тын туруктуу калак флокуляторунун дизайнына тийгизген таасирин техникалык сандык аныктоо аркылуу изилдөө керек.
Жылуулукту так эмпирикалык сандык аныктоо агымдын визуализациясын жана симуляциясын талап кылат.Ошондуктан, бычактын ар кандай позицияларынын таасирине баа берүү үчүн, суудагы тактын белгилүү бир айлануу ылдамдыгында валдан ар кандай радиалдык аралыкта жана суунун бетинен ар кандай тереңдикте тангенциалдык ылдамдыгын сүрөттөө маанилүү.
Бул изилдөөдө флокуляциянын гидродинамикасы лабораториялык масштабдагы калак флокуляторунда турбуленттүү агымдын ылдамдыгы талаасын эксперименталдык жана сандык изилдөө аркылуу бааланат.PIV өлчөөлөрү флокуляторго жазылып, жалбырактардын айланасындагы суунун бөлүкчөлөрүнүн ылдамдыгын көрсөткөн убакыттын орточо ылдамдыгынын контурларын түзөт.Мындан тышкары, ANSYS-Fluent CFD флокулятордун ичиндеги айланма агымды симуляциялоо жана убакыттын орточо ылдамдыгы контурларын түзүү үчүн колдонулган.Жыйынтыгында CFD модели PIV жана CFD натыйжаларынын ортосундагы дал келүүлөрдү баалоо менен тастыкталды.Бул иштин көңүлү калак флокуляторунун өлчөмсүз конструктивдүү параметри болгон тайгалануу коэффициентин к сандык аныктоого багытталган.Бул жерде келтирилген иш 3 айн/мин жана 4 айн/мин төмөн ылдамдыкта тайгалануу коэффициентин к сандык эсептөө үчүн жаңы негизди берет.Натыйжалардын натыйжалары флокуляциялык резервуардын гидродинамикасын жакшыраак түшүнүүгө түздөн-түз өбөлгө түзөт.
Лабораториялык флокулятор жалпы бийиктиги 147 см, бийиктиги 39 см, жалпы туурасы 118 см, жалпы узундугу 138 см болгон үстү ачык тик бурчтуу кутудан турат (1-сүрөт).Camp49 тарабынан иштелип чыккан негизги долбоорлоо критерийлери лабораториялык масштабдагы калак флокуляторун долбоорлоо жана өлчөмдүү анализдин принциптерин колдонуу үчүн колдонулган.Эксперименталдык объект Ливан Америка университетинин (Библос, Ливан) экологиялык инженерия лабораториясында курулган.
Горизонталдык огу түбүнөн 60 см бийиктикте жайгашкан жана эки калак дөңгөлөктөрүн батырат.Ар бир калак дөңгөлөк 4 калактан турат, ар биринде 3 калак бар, бардыгы 12 калак.Флокуляция 2—6 айн/мин төмөн ылдамдыкта жумшак агитацияны талап кылат.Флокуляторлордо эң кеңири таралган аралаштыруу ылдамдыгы 3 айн/мин жана 4 айн/мин.Лабораториялык масштабдагы флокулятордун агымы ичүүчү сууну тазалоочу станциянын флокуляциялык резервуар бөлүмүндөгү агымды көрсөтүү үчүн иштелип чыккан.Күч салттуу 42 теңдемесин колдонуу менен эсептелет.Эки айлануу ылдамдыгы үчүн ылдамдык градиенти \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) чоңураак. , Рейнольдс саны турбуленттүү агымды көрсөтөт (таблица 1).
PIV бир эле учурда абдан көп сандагы суюктуктун ылдамдыгынын векторлорун так жана сандык өлчөө үчүн колдонулат50.Эксперименталдык орнотууга лабораториялык масштабдагы калак флокулятору, LaVision PIV системасы (2017) жана Arduino тышкы лазердик сенсордук триггери кирген.Убакыт боюнча орточо ылдамдык профилдерин түзүү үчүн, PIV сүрөттөрү ошол эле жерде ырааттуу түрдө жазылган.PIV системасы максаттуу аймак белгилүү бир калак колунун үч бычактарынын ар биринин узундугунун ортосунда тургандай калибрленген.Сырткы триггер флокулятордун туурасынын бир тарабында жайгашкан лазерден жана экинчи тарабында сенсордук кабылдагычтан турат.Флокулятордун колу лазердик жолду тоскон сайын PIV лазер жана программалоочу убакыт бирдиги менен синхрондогон камера менен сүрөт тартуу үчүн PIV системасына сигнал жөнөтүлөт.fig боюнча.2 PIV системасын орнотууну жана сүрөттү алуу процессин көрсөтөт.
PIV жазуусу агымды нормалдаштыруу жана ошол эле сынуу көрсөткүчүнүн талаасын эске алуу үчүн флокулятор 5–10 мүнөт иштетилгенден кийин башталды.Калибрлөө флокуляторго чөмүлдүрүлгөн жана кызыктырган бычактын узундугунун ортосуна коюлган калибрлөө пластинасынын жардамы менен ишке ашат.Түздөн-түз калибрлөө пластинасынын үстүндө жалпак жарык баракты түзүү үчүн PIV лазеринин абалын тууралаңыз.Ар бир бычактын ар бир айлануу ылдамдыгы үчүн өлчөнгөн маанилерди жазыңыз, ал эми эксперимент үчүн тандалган айлануу ылдамдыгы 3 rpm жана 4 rpm.
Бардык PIV жазуулары үчүн эки лазер импульстарынын ортосундагы убакыт аралыгы 6900дөн 7700 мкс чейинки диапазондо орнотулган, бул бөлүкчөлөрдүн минималдуу 5 пикселдик жылышына мүмкүндүк берген.Так убакыт боюнча орточо өлчөөлөрдү алуу үчүн талап кылынган сүрөттөрдүн саны боюнча пилоттук сыноолор өткөрүлдү.Вектордук статистика 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 жана 280 сүрөттөрдү камтыган үлгүлөр үчүн салыштырылган.240 сүрөттөлүштүн үлгү өлчөмү ар бир сүрөт эки кадрдан тураарын эске алганда, орточо убакыт боюнча туруктуу натыйжаларды берери аныкталган.
Флоккулятордогу агым турбуленттүү болгондуктан, кичинекей турбуленттүү структураларды чечүү үчүн кичинекей сурак терезеси жана көп сандагы бөлүкчөлөр талап кылынат.Өлчөмдү кичирейтүүнүн бир нече итерациялары тактыкты камсыз кылуу үчүн кайчылаш-корреляция алгоритми менен бирге колдонулат.Сурамжылоо терезесинин баштапкы өлчөмү 48×48 пиксель, 50% кайталанган жана бир адаптация процессинен кийин 100% дал келген 32×32 пикселдик акыркы сурамжылоонун терезесинин өлчөмү жана эки адаптация процесси коштолду.Мындан тышкары, айнек көңдөй шарлар агымында үрөн бөлүкчөлөрү катары колдонулган, бул добуш берүү терезесине 10 бөлүкчөдөн кем эмес жол берген.PIV жаздыруу лазер булагы менен камераны иштетүү жана синхрондоштуруу үчүн жооптуу болгон Программалануучу Убакыт Бирдигиндеги (PTU) триггер булагы тарабынан ишке ашырылат.
Коммерциялык CFD пакети ANSYS Fluent v 19.1 3D моделин иштеп чыгуу жана негизги агым теңдемелерин чечүү үчүн колдонулган.
ANSYS-Fluent программасын колдонуу менен лабораториялык масштабдагы калак флокуляторунун 3D модели түзүлгөн.Модель лабораториялык модель сыяктуу горизонталдык огуна орнотулган эки калак дөңгөлөктөн турган тик бурчтуу кутуча түрүндө жасалган.Фрибордсуз моделдин бийиктиги 108 см, туурасы 118 см жана узундугу 138 см.Миксердин айланасына горизонталдуу цилиндрдик тегиздик кошулган.Цилиндрдик тегиздиктин генерациясы монтаждоо фазасында бүт аралаштыргычтын айлануусун ишке ашырышы керек жана 3а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, флоккулятордун ичиндеги айлануучу агым талаасын окшоштурушу керек.
3D ANSYS-флюент жана модель геометрия диаграммасы, ANSYS-fluent флоккулятордун тулку сеткасы кызыгуу тегиздигинде, ANSYS-флюент диаграммасы кызыгуу тегиздигинде.
Модель геометриясы эки аймактан турат, алардын ар бири суюктук.Бул логикалык кемитүү функциясын колдонуу менен жетишилет.Алгач суюктукту көрсөтүү үчүн кутудан цилиндрди (анын ичинде аралаштыргычты) алып салыңыз.Андан кийин миксерди цилиндрден чыгарыңыз, натыйжада эки объект пайда болот: аралаштыргыч жана суюктук.Акырында, эки аймактын ортосунда жылма интерфейс колдонулган: цилиндр-цилиндр интерфейси жана цилиндр-микшер интерфейси (сүрөт 3a).
Сандык симуляцияларды жүргүзүү үчүн колдонула турган турбуленттүү моделдердин талаптарын канааттандыруу үчүн курулган моделдердин торлору аяктады.Катуу бетинин жанында кеңейтилген катмарлары бар структураланбаган тор колдонулган.Бардык дубалдар үчүн 1,2 өсүү темпи менен комплекстүү агым схемалары тартылып алынышын камсыз кылуу үчүн, биринчи катмардын калыңдыгы \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) м болушун камсыз кылуу үчүн кеңейтүүчү катмарларды түзүңүз. ( {\text {y})^{+}\le 1.0\).Дененин өлчөмү тетраэдрдик фитинг ыкмасы менен жөнгө салынат.Элементтин өлчөмү 2,5 × \({10}^{-3}\) м жана миксердин алдыңкы өлчөмү 9 × \({10}^{-3}\ ) болгон эки интерфейстин алдыңкы каптал өлчөмү түзүлдү м колдонулат.Алгачкы түзүлгөн тор 2144409 элементтен турган (сүрөт 3б).
Баштапкы базалык модель катары эки параметрдүү k–ε турбуленттүүлүк модели тандалган.Флокулятордун ичиндеги айланма агымды так симуляциялоо үчүн эсептөө жагынан кымбатыраак модель тандалган.Флокулятордун ичиндеги турбуленттүү айланма агым эки CFD моделин колдонуу менен сандык түрдө изилденген: SST k–ω51 жана IDDES52.Эки моделдин натыйжалары моделдерди ырастоо үчүн эксперименталдык PIV натыйжалары менен салыштырылган.Биринчиден, SST k-ω турбуленттүүлүк модели суюктуктун динамикасын колдонуу үчүн эки теңдеме турбуленттүү илешкектүүлүк модели болуп саналат.Бул Wilcox k-ω жана k-ε моделдерин бириктирген гибрид модели.Аралаштыруу функциясы дубалдын жанындагы Вилкокс моделин жана келе жаткан агымда k-ε моделин иштетет.Бул агым талаасында туура моделдин колдонулушун камсыздайт.Ал терс басымдын градиенттеринен улам агымдын бөлүнүшүн так болжолдойт.Экинчиден, SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) модели менен Individual Eddy Simulation (DES) моделинде кеңири колдонулган Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) ыкмасы тандалды.IDDES – бул гибрид RANS-LES (чоң куюлма моделдөө) модели, ал ийкемдүү жана колдонуучуга ыңгайлуу чечим масштабын (SRS) моделдөө моделин камсыз кылат.Ал чоң куюндарды чечүү үчүн LES моделине негизделген жана чакан масштабдагы куюндарды имитациялоо үчүн SST k-ωге кайтарылат.SST k–ω жана IDDES симуляцияларынын натыйжаларынын статистикалык анализдери моделди ырастоо үчүн PIV натыйжалары менен салыштырылган.
Баштапкы базалык модель катары эки параметрдүү k–ε турбуленттүүлүк модели тандалган.Флокулятордун ичиндеги айланма агымды так симуляциялоо үчүн эсептөө жагынан кымбатыраак модель тандалган.Флокулятордун ичиндеги турбуленттүү айланма агым эки CFD моделин колдонуу менен сандык түрдө изилденген: SST k–ω51 жана IDDES52.Эки моделдин натыйжалары моделдерди ырастоо үчүн эксперименталдык PIV натыйжалары менен салыштырылган.Биринчиден, SST k-ω турбуленттүүлүк модели суюктуктун динамикасын колдонуу үчүн эки теңдеме турбуленттүү илешкектүүлүк модели болуп саналат.Бул Wilcox k-ω жана k-ε моделдерин бириктирген гибрид модели.Аралаштыруу функциясы дубалдын жанындагы Вилкокс моделин жана келе жаткан агымда k-ε моделин иштетет.Бул агым талаасында туура моделдин колдонулушун камсыздайт.Ал терс басымдын градиенттеринен улам агымдын бөлүнүшүн так болжолдойт.Экинчиден, SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) модели менен Individual Eddy Simulation (DES) моделинде кеңири колдонулган Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) ыкмасы тандалды.IDDES – бул гибрид RANS-LES (чоң куюлма моделдөө) модели, ал ийкемдүү жана колдонуучуга ыңгайлуу чечим масштабын (SRS) моделдөө моделин камсыз кылат.Ал чоң куюндарды чечүү үчүн LES моделине негизделген жана чакан масштабдагы куюндарды имитациялоо үчүн SST k-ωге кайтарылат.SST k–ω жана IDDES симуляцияларынын натыйжаларынын статистикалык анализдери моделди ырастоо үчүн PIV натыйжалары менен салыштырылган.
Басымга негизделген убактылуу чечүүчүнү колдонуңуз жана Y багытында тартылуу күчүн колдонуңуз.Айлануу аралаштыргычка тор кыймылын дайындоо аркылуу ишке ашат, мында айлануу огунун башталышы горизонталдык огтун борборунда жана айлануу огунун багыты Z багытында болот.Эки моделдин геометриялык интерфейси үчүн тор интерфейси түзүлүп, эки чектеш кутучанын четтери пайда болот.Эксперименталдык техникадагыдай эле айлануу ылдамдыгы 3 жана 4 айланууга туура келет.
Миксердин жана флокулятордун дубалдары үчүн чектик шарттар дубал тарабынан, ал эми флокулятордун үстүнкү ачылышы нөлдүк ченегич басымы бар розетка тарабынан орнотулган (3c-сүрөт).Жөнөкөй басым менен ылдамдыктын байланыш схемасы, эң кичине квадраттар элементтеринин негизинде бардык параметрлери менен экинчи даражадагы функциялардын градиент мейкиндигин дискреттөө.Бардык агым өзгөрмөлөрү үчүн конвергенция критерийи масштабдуу калдык 1 x \({10}^{-3}\) болуп саналат.Убакыт кадамына кайталануунун максималдуу саны 20, ал эми убакыт кадамынын өлчөмү 0,5° айланууга туура келет.Чечим SST k–ω модели үчүн 8-итерацияда жана IDDES колдонуу менен 12-итерацияда жакындайт.Мындан тышкары, убакыт кадамдардын саны аралаштыргыч, жок эле дегенде, 12 айлануу жасаган деп эсептелген.3 айлануудан кийин убакыт статистикасы үчүн маалыматтарды тандоону колдонуңуз, бул эксперименттик процедурага окшош агымды нормалдаштырууга мүмкүндүк берет.Ар бир революция үчүн ылдамдык циклдеринин чыгышын салыштыруу, туруктуу абалга жеткенин көрсөтүү менен акыркы төрт революция үчүн дал ушундай натыйжаларды берет.Кошумча айлануулар орто ылдамдыктагы контурларды жакшырткан жок.
Убакыт кадамы айлануу ылдамдыгына, 3 айн/мин же 4 айн/мин карата аныкталат.Убакыт кадамы аралаштыргычты 0,5° айлантуу үчүн талап кылынган убакытка чейин такталган.Бул жетиштүү болуп чыгат, анткени чечим мурунку бөлүмдө сүрөттөлгөндөй оңой биригет.Ошентип, эки турбуленттүүлүк модели үчүн бардык сандык эсептөөлөр 3 rpm, 0,0208 \(\stackrel{\mathrm{-} үчүн 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) модификацияланган убакыт кадамын колдонуу менен жүргүзүлдү. {3}\) 4 айн/мин.Берилген тактоо убакыт кадамы үчүн уячанын Courant саны ар дайым 1,0ден аз болот.
Моделге көз карандылыкты изилдөө үчүн натыйжалар алгач оригиналдуу 2.14M торду, андан кийин тазаланган 2.88M торду колдонуу менен алынган.Торду тактоо аралаштыргыч корпусунун клетка өлчөмүн 9 × \({10}^{-3}\) мден 7 × \({10}^{-3}\) мге чейин азайтуу аркылуу ишке ашат.Турбуленттиктин эки моделинин оригиналдуу жана тазаланган торлору үчүн бычактын айланасындагы ар кандай жерлерде ылдамдык модулдарынын орточо маанилери салыштырылган.Натыйжалардын ортосундагы пайыздык айырма SST k–ω модели үчүн 1,73% жана IDDES модели үчүн 3,51% түзөт.IDDES жогорку пайыздык айырманы көрсөтөт, анткени ал гибрид RANS-LES модели.Бул айырмачылыктар анча деле маанилүү эмес деп эсептелгендиктен, симуляция 2,14 миллион элементи жана 0,5° айлануу убактысы кадамы бар баштапкы торду колдонуу менен аткарылган.
Эксперименталдык натыйжалардын кайталануу мүмкүнчүлүгү алты эксперименттин ар бирин экинчи жолу аткаруу жана натыйжаларды салыштыруу жолу менен текшерилди.Эксперименттердин эки сериясында бычактын борборундагы ылдамдыктын маанилерин салыштырыңыз.Эки эксперименталдык топтун ортосундагы орточо пайыздык айырма 3,1% түздү.PIV системасы да ар бир эксперимент үчүн өз алдынча кайра калибрленген.Ар бир бычактын борборундагы аналитикалык эсептелген ылдамдыкты ошол эле жердеги PIV ылдамдыгы менен салыштырыңыз.Бул салыштыруу бычак 1 үчүн 6,5% максималдуу пайыздык ката менен айырманы көрсөтөт.
Слип факторун сандык аныктоодон мурун, калак флокуляторундагы тайгалоо түшүнүгүн илимий жактан түшүнүү зарыл, ал флоккулатордун калактарынын айланасындагы агымдын түзүлүшүн изилдөөнү талап кылат.Концептуалдык жактан тайгалануу коэффициенти калак флокулаторлорунун конструкциясына сууга салыштырмалуу бычактардын ылдамдыгын эске алуу үчүн киргизилген.Адабиятта бул ылдамдык бычактын ылдамдыгынын 75% болушун сунуштайт, ошондуктан көпчүлүк конструкциялар бул тууралоону эсепке алуу үчүн адатта 0,25 ак колдонушат.Бул агымдын ылдамдыгы талаасын толук түшүнүү жана бул тайганды изилдөө үчүн PIV эксперименттеринен алынган ылдамдык сызыктарын колдонууну талап кылат.Бычак 1 - стволго эң жакын ички бычак, 3 - эң сырткы бычак, 2 - ортоңку бычак.
1-карактагы ылдамдык сызыктары бычактын айланасында түз айлануучу агымды көрсөтөт.Бул агым схемалары бычактын оң жагындагы, ротор менен бычактын ортосундагы чекиттен келип чыгат.4а-сүрөттөгү кызыл чекиттүү кутуча менен көрсөтүлгөн аймакка карап, бычактын үстүндө жана айланасында рециркуляциялык агымдын дагы бир аспектисин аныктоо кызыктуу.Агымды визуализациялоо рециркуляция зонасына аз агымды көрсөтөт.Бул агым бычактын учунан болжол менен 6 см бийиктикте бычактын оң тарабынан жакындайт, балким, сүрөттө көрүнүп турган колдун бычактын алдындагы биринчи бычактын таасиринен улам.4 айн / мүнөттө агымдын визуализациясы, кыязы, жогорку ылдамдыкта, ошол эле жүрүм-турумду жана түзүлүштү көрсөтөт.
3 айн/мин жана 4 айн/мин эки айлануу ылдамдыгында үч канаттын ылдамдык талаасы жана учурдагы графиктери.Үч бычактын максималдуу орточо ылдамдыгы 0,15 м/с, 0,20 м/с жана 0,16 м/с, ал эми максималдуу орточо ылдамдыгы 4 айн/с 0,15 м/с, 0,22 м/с жана 0,22 м/с. с, тиешелүүлүгүнө жараша.үч баракта.
Спиральдуу агымдын дагы бир формасы 1 жана 2 канагынын ортосунда табылган. Вектор талаасы суунун агымы вектордун багыты менен көрсөтүлгөндөй, 2-флакондун түбүнөн жогору карай жылып жатканын ачык көрсөтүп турат.4б-сүрөттөгү чекиттүү кутучадан көрүнүп тургандай, бул векторлор бычак бетинен вертикалдуу жогору көтөрүлбөй, оңго бурулуп, акырындык менен төмөндөйт.Чачтын 1 бетинде ылдый карай багыт алган векторлор айырмаланат, алар эки кабакка жакындап, алардын ортосунда пайда болгон рециркуляциялык агымдан аларды курчап турат.Бир эле агымдын структурасы эки айлануу ылдамдыгында 4 айн/мин жогору ылдамдыктагы амплитудасы менен аныкталган.
3-качактын ылдамдык талаасы 3-кабактын астындагы агымга кошулган мурунку бычактын ылдамдык векторунан олуттуу салым кошпойт. 3-кабактын астындагы негизги агым вертикалдык ылдамдык векторунун суу менен көтөрүлүшүнө байланыштуу.
4в-сүрөттө көргөзүлгөндөй, бычактын 3 бетиндеги ылдамдык векторлорун үч топко бөлүүгө болот.Биринчи топтом бычактын оң четинде жайгашкан.Бул позициядагы агым түзүлүшү түз оңго жана өйдө (б.а. 2-капага карай).Экинчи топ - бычактын ортосу.Бул позиция үчүн ылдамдык вектору эч кандай четтөөсүз жана айлануусуз түз өйдө багытталган.Ылдамдыктын маанисинин төмөндөшү бычактын учунан бийиктиктин жогорулашы менен аныкталган.Лайктардын сол четинде жайгашкан үчүнчү топ үчүн агым дароо солго, башкача айтканда, флокулятордун дубалына багытталат.Ылдамдык вектору менен көрсөтүлгөн агымдын көбү жогору, ал эми агымдын бир бөлүгү горизонталдуу төмөндөйт.
Эки турбуленттик модели, SST k–ω жана IDDES, бычактын орточо узундугунун тегиздигинде 3 айн/мин жана 4 айн/мин убакыт боюнча орточо ылдамдык профилдерин куруу үчүн колдонулган.5-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, стабилдүү абалга төрт кезектеги айлануу менен түзүлгөн ылдамдык контурларынын абсолюттук окшоштугуна жетишүү аркылуу жетишилет.Кошумчалай кетсек, IDDES тарабынан түзүлгөн убакыт боюнча орточо ылдамдык контурлары 6а-сүрөттө, ал эми SST k – ω тарабынан түзүлгөн орточо ылдамдык профилдери 6а-сүрөттө көрсөтүлгөн.6б.
IDDES жана SST k–ω тарабынан түзүлгөн орточо ылдамдык циклдерин колдонуу менен IDDES ылдамдык циклдеринин көбүрөөк үлүшүнө ээ.
7-сүрөттө көрсөтүлгөндөй IDDES менен 3 айн/мин ылдамдыкта түзүлгөн ылдамдык профилин кылдат текшериңиз. Миксер саат жебеси боюнча айланат жана агым көрсөтүлгөн эскертүүлөргө ылайык талкууланат.
fig боюнча.7 сызыктын 3 бетинде I квадрантта агымдын бөлүнүшү байкалат, анткени үстүңкү тешиктин болушуна байланыштуу агым чектелбейт.II квадрантта агымдын бөлүнүшү байкалбайт, анткени агым флокулятордун дубалдары менен толук чектелген.III квадрантта суу мурунку квадранттарга караганда бир топ төмөн же азыраак ылдамдыкта айланат.I жана II квадранттардагы суу аралаштыргычтын аракети менен ылдыйга жылдырылат (б.а. айланган же түртүлгөн).Ал эми III квадрантта суу агитатордун бычактары менен сыртка чыгарылат.Бул жердеги суу массасы жакындап келе жаткан флокулятордун жеңине туруштук берери айдан ачык.Бул квадрантта айлануучу агым толугу менен бөлүнгөн.IV квадрантта аба агымынын көбү 3 флокулятордун дубалын көздөй багытталат жана бийиктиги үстүнкү тешикке чейин өскөн сайын өзүнүн өлчөмүн акырындык менен жоготот.
Кошумчалай кетсек, борбордук жайгашкан жер III жана IV квадранттарда үстөмдүк кылган агымдын татаал схемаларын камтыйт, бул көк чекиттүү эллипс менен көрсөтүлгөн.Бул белгиленген аймак калак флокуляторундагы айланма агымга эч кандай тиешеси жок, анткени айлануу кыймылын аныктоого болот.Бул ички агым менен толук айлануучу агымдын ортосунда так бөлүнүү бар I жана II квадранттардан айырмаланып турат.
Сүрөттө көрсөтүлгөндөй.6, IDDES жана SST k-ω натыйжаларын салыштырып, ылдамдык контурларынын ортосундагы негизги айырма ылдамдыктын дароо эле 3 ылдый жагындагы чоңдугу болуп саналат. SST k-ω модели 3-качка менен созулган жогорку ылдамдыктагы агымдын жүргүзүлөрүн ачык көрсөтүп турат. IDDES менен салыштырганда.
Дагы бир айырмачылыкты III квадрантта тапса болот.IDDESден, мурда айтылгандай, флоккулятордун колдорунун ортосунда айлануучу агымдын бөлүнүшү белгиленди.Бирок, бул позицияга бурчтардан жана биринчи бычактын ички бөлүгүнөн төмөн ылдамдыктагы агым катуу таасир этет.Ошол эле жер үчүн SST k–ω тартып, контур сызыктары IDDESге салыштырмалуу салыштырмалуу жогору ылдамдыкты көрсөтөт, анткени башка аймактардан кошулган агым жок.
Агымдын жүрүм-турумун жана түзүмүн туура түшүнүү үчүн ылдамдык векторунун талааларын жана сызыктарын сапаттуу түшүнүү талап кылынат.Ар бир бычактын туурасы 5 см экенин эске алып, ылдамдык профилин көрсөтүү үчүн туурасы боюнча жети ылдамдык чекити тандалган.Кошумчалай кетсек, ылдамдыктын чоңдугун бычак бетинин үстүндөгү бийиктиктин функциясы катары сандык түшүнүү ылдамдык профилин түз ар бир бычактын бетине жана 10 см бийиктикке чейин вертикалдуу 2,5 см үзгүлтүксүз аралыкка түшүрүү менен талап кылынат.Көбүрөөк маалымат алуу үчүн сүрөттө S1, S2 жана S3 караңыз.Тиркеме A. 8-сүрөттө PIV эксперименттеринин жана IDDES жана SST k-ω аркылуу ANSYS-Fluent анализинин жардамы менен алынган ар бир бычактын беттик ылдамдыгынын бөлүштүрүлүшүнүн окшоштугу (Y = 0,0) көрсөтүлгөн.Сандык моделдердин экөө тең флоккулятордун бычактарынын бетиндеги агымдын түзүлүшүн так окшоштурууга мүмкүндүк берет.
Бычактын бетиндеги ылдамдыктын бөлүштүрүлүшү PIV, IDDES жана SST k–ω.X огу ар бир барактын туурасын миллиметр менен билдирет, анын башталышы (0 мм) барактын сол четин жана аягы (50 мм) барактын оң четин билдирет.
2 жана 3-карактардын ылдамдык бөлүштүрүлүшү Fig.8 жана Fig.8де көрсөтүлгөнү ачык көрүнүп турат.А тиркемесинде S2 жана S3 бийиктикке окшош тенденцияларды көрсөтөт, ал эми 1-блейк өз алдынча өзгөрөт.2-жана 3-карактардын ылдамдык профилдери кемчиликсиз түз болуп калат жана бычактын учунан 10 см бийиктикте бирдей амплитудага ээ.Бул агым бул учурда бирдей болуп калат дегенди билдирет.Бул IDDES тарабынан жакшы чыгарылган PIV натыйжаларынан ачык көрүнүп турат.Ошол эле учурда, SST k–ω натыйжалары айрым айырмачылыктарды көрсөтөт, айрыкча 4 айн/мин.
Белгилеп кетүүчү нерсе, 1-лычка бардык позицияларда ылдамдык профилинин бирдей формасын сактайт жана бийиктиги нормалдаштырылбайт, анткени аралаштыргычтын борборунда пайда болгон айланма бардык колдордун биринчи бычактарын камтыйт.Ошондой эле, IDDES менен салыштырганда, PIV бычак ылдамдыгы профилдери 2 жана 3 көпчүлүк жерлерде бычак бетинен 10 см бийиктикте дээрлик бирдей болгонго чейин ылдамдыктын бир аз жогору маанилерин көрсөттү.
Посттун убактысы: 27-декабрь 2022-жыл