Grazas por visitar Nature.com.Estás a usar unha versión do navegador con soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Ademais, para garantir a asistencia continua, mostramos o sitio sen estilos e JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositivas á vez.Use os botóns Anterior e Seguinte para moverse por tres diapositivas á vez, ou use os botóns deslizantes ao final para moverse por tres diapositivas á vez.
Neste estudo, a hidrodinámica da floculación avalíase mediante a investigación experimental e numérica do campo de velocidade de fluxo turbulento nun floculador de paletas a escala de laboratorio.O fluxo turbulento que promove a agregación de partículas ou a ruptura de flóculos é complexo e considérase e compárase neste traballo utilizando dous modelos de turbulencia, a saber, SST k-ω e IDDES.Os resultados mostran que IDDES proporciona unha mellora moi pequena sobre SST k-ω, que é suficiente para simular con precisión o fluxo dentro dun floculador de paletas.A puntuación de axuste úsase para investigar a converxencia dos resultados de PIV e CFD e para comparar os resultados do modelo de turbulencia CFD utilizado.O estudo tamén se centra na cuantificación do factor de deslizamento k, que é 0,18 a baixas velocidades de 3 e 4 rpm fronte ao valor típico habitual de 0,25.Diminuíndo k de 0,25 a 0,18 aumenta a potencia entregada ao fluído nun 27-30% e aumenta o gradiente de velocidade (G) nun 14%.Isto significa que se consegue unha mestura máis intensiva do esperado, polo que se consume menos enerxía e, polo tanto, o consumo enerxético na unidade de floculación da depuradora de auga potable pode ser menor.
Na purificación de auga, a adición de coagulantes desestabiliza pequenas partículas coloidais e impurezas, que despois se combinan para formar floculación na fase de floculación.Os flocos son agregados fractais de masa ligados libremente, que despois se eliminan por sedimentación.As propiedades das partículas e as condicións de mestura do líquido determinan a eficiencia do proceso de floculación e tratamento.A floculación require axitación lenta durante un período de tempo relativamente curto e moita enerxía para axitar grandes volumes de auga1.
Durante a floculación, a hidrodinámica de todo o sistema e a química da interacción coagulante-partícula determinan a velocidade á que se consegue unha distribución estacionaria de tamaño de partícula2.Cando as partículas chocan, péganse unhas ás outras3.Oyegbile, Ay4 informou de que as colisións dependen dos mecanismos de transporte de floculación da difusión browniana, o cizallamento do fluído e o asentamento diferencial.Cando as folerpas chocan, medran e acadan un límite de tamaño determinado, o que pode provocar a rotura, xa que as folerpas non poden soportar a forza das forzas hidrodinámicas5.Algunhas destas escamas rotas recombinanse noutras máis pequenas ou do mesmo tamaño6.Non obstante, os copos fortes poden resistir esta forza e manter o seu tamaño e mesmo medrar7.Yukselen e Gregory8 informaron sobre estudos relacionados coa destrución das escamas e a súa capacidade de rexeneración, mostrando que a irreversibilidade é limitada.Bridgeman, Jefferson9 utilizou CFD para estimar a influencia local do fluxo medio e da turbulencia na formación e fragmentación de flóculos a través de gradientes de velocidade locais.Nos tanques equipados con palas de rotor é necesario variar a velocidade á que chocan os áridos con outras partículas cando están suficientemente desestabilizadas na fase de coagulación.Usando CFD e velocidades de rotación máis baixas de arredor de 15 rpm, Vadasarukkai e Gagnon11 foron capaces de acadar valores G para a floculación con láminas cónicas, minimizando así o consumo de enerxía para a axitación.Non obstante, a operación con valores G máis altos pode provocar floculación.Investigaron o efecto da velocidade de mestura na determinación do gradiente de velocidade media dun floculador de paletas piloto.Xiran a unha velocidade superior a 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 utilizou catro modelos de turbulencia diferentes para estudar o campo de fluxo nun banco de probas de tanques.Mediron o campo de fluxo cun anemómetro láser Doppler e PIV e compararon os resultados calculados cos resultados medidos.de Oliveira e Donadel13 propuxeron un método alternativo para estimar gradientes de velocidade a partir de propiedades hidrodinámicas mediante CFD.O método proposto foi probado en seis unidades de floculación baseadas na xeometría helicoidal.avaliou o efecto do tempo de retención sobre os floculantes e propuxo un modelo de floculación que se pode utilizar como ferramenta para apoiar un deseño celular racional con tempos de retención baixos14.Zhan, You15 propuxo un modelo combinado de CFD e balance de poboación para simular as características do fluxo e o comportamento do flóculo na floculación a gran escala.Llano-Serna, Coral-Portillo16 investigou as características de fluxo dun hidrofloculador tipo Cox nunha planta de tratamento de auga en Viterbo, Colombia.Aínda que o CFD ten as súas vantaxes, tamén hai limitacións como os erros numéricos nos cálculos.Polo tanto, os resultados numéricos obtidos deben ser coidadosamente examinados e analizados para extraer conclusións críticas17.Existen poucos estudos na literatura sobre o deseño de floculadores deflectores horizontais, mentres que as recomendacións para o deseño de floculadores hidrodinámicos son limitadas18.Chen, Liao19 utilizou unha configuración experimental baseada na dispersión da luz polarizada para medir o estado de polarización da luz dispersa de partículas individuais.Feng, Zhang20 utilizou Ansys-Fluent para simular a distribución de correntes de Foucault e remolinos no campo de fluxo dun floculador de placas coaguladas e un floculador intercorrugado.Despois de simular o fluxo de fluído turbulento nun floculador usando Ansys-Fluent, Gavi21 utilizou os resultados para deseñar o floculador.Vaneli e Teixeira22 informaron de que a relación entre a dinámica de fluídos dos floculadores de tubos en espiral e o proceso de floculación aínda se entende mal para apoiar un deseño racional.de Oliveira e Costa Teixeira23 estudaron a eficiencia e demostraron as propiedades hidrodinámicas do floculador de tubo espiral mediante experimentos de física e simulacións CFD.Moitos investigadores estudaron reactores de tubo enrolado ou floculadores de tubo enrolado.Non obstante, aínda falta información hidrodinámica detallada sobre a resposta destes reactores a diversos deseños e condicións de funcionamento (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira e Teixeira26 presentan resultados orixinais de simulacións teóricas, experimentais e CFD dun floculador espiral.Oliveira e Teixeira27 propuxeron utilizar un serpentín espiral como reactor de coagulación-floculación en combinación cun sistema decantador convencional.Informan de que os resultados obtidos para a eficiencia de eliminación da turbidez son significativamente diferentes dos obtidos cos modelos de uso habitual para avaliar a floculación, o que suxire precaución ao utilizar tales modelos.Moruzzi e de Oliveira [28] modelaron o comportamento dun sistema de cámaras de floculación continua baixo diversas condicións de operación, incluíndo variacións no número de cámaras utilizadas e o uso de gradientes de velocidade celulares fixos ou escalados.Romphophak, Le Men29 Medidas PIV de velocidades instantáneas en limpiadores de chorro cuasi bidimensional.Atoparon unha forte circulación inducida por chorros na zona de floculación e estimaron as taxas de cizallamento local e instantánea.
Shah, Joshi30 informan que CFD ofrece unha alternativa interesante para mellorar os deseños e obter características de fluxo virtuais.Isto axuda a evitar instalacións experimentais extensas.O CFD utilízase cada vez máis para analizar as depuradoras de augas e augas residuais (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Varios investigadores realizaron experimentos en equipos de proba de latas (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) e floculadores de discos perforados31.Outros utilizaron CFD para avaliar hidrofloculadores (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 informou de que os floculadores mecánicos requiren un mantemento regular, xa que moitas veces se avarian e requiren moita electricidade.
O rendemento dun floculador de paletas depende moito da hidrodinámica do depósito.A falta de comprensión cuantitativa dos campos de velocidade de fluxo en tales floculadores nótase claramente na literatura (Howe, Hand38; Hendricks39).Toda a masa de auga está suxeita ao movemento do impulsor do floculador, polo que se espera un deslizamento.Normalmente, a velocidade do fluído é menor que a velocidade da pala polo factor de deslizamento k, que se define como a relación entre a velocidade da masa de auga e a velocidade da roda de paletas.Bhole40 informou de que hai tres factores descoñecidos a considerar ao deseñar un floculador, a saber, o gradiente de velocidade, o coeficiente de arrastre e a velocidade relativa da auga en relación á lámina.
Camp41 informa que cando se consideran máquinas de alta velocidade, a velocidade é de aproximadamente o 24% da velocidade do rotor e ata o 32% para as máquinas de baixa velocidade.En ausencia de septos, Droste e Ger42 utilizaron un valor de ak de 0,25, mentres que no caso dos septos, k variou de 0 a 0,15.Howe, Hand38 suxire que k está no intervalo de 0,2 a 0,3.Hendrix39 relacionou o factor de deslizamento coa velocidade de rotación mediante unha fórmula empírica e concluíu que o factor de deslizamento tamén estaba dentro do intervalo establecido por Camp41.Bratby43 informou de que k é de aproximadamente 0,2 para velocidades do impulsor de 1,8 a 5,4 rpm e aumenta a 0,35 para velocidades do impulsor de 0,9 a 3 rpm.Outros investigadores informan dunha ampla gama de valores do coeficiente de arrastre (Cd) de 1,0 a 1,8 e valores do coeficiente de deslizamento k de 0,25 a 0,40 (Feir e Geyer44; Hyde e Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; e Bratby e Marais48). ).A literatura non mostra avances significativos na definición e cuantificación de k desde o traballo de Camp41.
O proceso de floculación baséase na turbulencia para facilitar as colisións, onde se utiliza o gradiente de velocidade (G) para medir a turbulencia/floculación.A mestura é o proceso de dispersión rápida e uniforme de produtos químicos na auga.O grao de mestura mídese polo gradiente de velocidade:
onde G = gradiente de velocidade (seg-1), P = potencia de entrada (W), V = volume de auga (m3), μ = viscosidade dinámica (Pa s).
Canto maior sexa o valor G, máis mesturado.A mestura completa é esencial para garantir unha coagulación uniforme.A literatura indica que os parámetros de deseño máis importantes son o tempo de mestura (t) e o gradiente de velocidade (G).O proceso de floculación baséase na turbulencia para facilitar as colisións, onde se utiliza o gradiente de velocidade (G) para medir a turbulencia/floculación.Os valores típicos de deseño para G son de 20 a 70 s–1, t é de 15 a 30 minutos e Gt (sen dimensión) é de 104 a 105. Os tanques de mestura rápida funcionan mellor con valores G de 700 a 1000, con tempo de permanencia. uns 2 minutos.
onde P é a potencia impartida ao líquido por cada lámina do floculador, N é a velocidade de rotación, b é a lonxitude da lámina, ρ é a densidade da auga, r é o raio e k é o coeficiente de deslizamento.Esta ecuación aplícase a cada lámina individualmente e os resultados súmanse para dar a entrada de potencia total do floculador.Un estudo coidadoso desta ecuación mostra a importancia do factor de deslizamento k no proceso de deseño dun floculador de paletas.A literatura non indica o valor exacto de k, senón que recomenda un intervalo como se indicou anteriormente.Non obstante, a relación entre a potencia P e o coeficiente de escorregamento k é cúbica.Así, sempre que todos os parámetros sexan iguais, por exemplo, cambiar k de 0,25 a 0,3 levará a unha diminución da potencia transmitida ao fluído por lámina nun 20% aproximadamente, e reducir k de 0,25 a 0,18 aumentará a ela.nun 27-30% por aspa A potencia impartida ao fluído.En definitiva, o efecto de k no deseño sostible de floculadores de paletas debe investigarse mediante a cuantificación técnica.
A cuantificación empírica precisa do deslizamento require a visualización e simulación do fluxo.Polo tanto, é importante describir a velocidade tanxencial da lámina na auga a unha determinada velocidade de rotación a diferentes distancias radiais do eixe e a diferentes profundidades da superficie da auga para avaliar o efecto das diferentes posicións da lámina.
Neste estudo, a hidrodinámica da floculación avalíase mediante a investigación experimental e numérica do campo de velocidade de fluxo turbulento nun floculador de paletas a escala de laboratorio.As medicións do PIV rexístranse no floculador, creando contornos de velocidade mediados no tempo que mostran a velocidade das partículas de auga ao redor das follas.Ademais, utilizouse ANSYS-Fluent CFD para simular o fluxo remolino dentro do floculador e crear contornos de velocidade mediados no tempo.O modelo CFD resultante confirmouse avaliando a correspondencia entre os resultados do PIV e do CFD.O foco deste traballo está na cuantificación do coeficiente de deslizamento k, que é un parámetro de deseño adimensional dun floculador de paletas.O traballo aquí presentado proporciona unha nova base para cuantificar o coeficiente de deslizamento k a baixas velocidades de 3 rpm e 4 rpm.As implicacións dos resultados contribúen directamente a unha mellor comprensión da hidrodinámica do tanque de floculación.
O floculador de laboratorio consiste nunha caixa rectangular aberta cunha altura total de 147 cm, unha altura de 39 cm, un ancho total de 118 cm e unha lonxitude total de 138 cm (Fig. 1).Os principais criterios de deseño desenvolvidos por Camp49 utilizáronse para deseñar un floculador de paletas a escala de laboratorio e aplicar os principios da análise dimensional.A instalación experimental construíuse no Laboratorio de Enxeñaría Ambiental da Universidade Libanesa Americana (Byblos, Líbano).
O eixe horizontal sitúase a unha altura de 60 cm da parte inferior e alberga dúas rodas de remos.Cada roda de remos consta de 4 remos con 3 remos en cada pá para un total de 12 remos.A floculación require axitación suave a unha velocidade baixa de 2 a 6 rpm.As velocidades de mestura máis comúns nos floculadores son 3 rpm e 4 rpm.O fluxo do floculador a escala de laboratorio está deseñado para representar o fluxo no compartimento do tanque de floculación dunha planta de tratamento de auga potable.A potencia calcúlase mediante a ecuación tradicional 42 .Para ambas as velocidades de rotación, o gradiente de velocidade \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) é maior que 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , o número de Reynolds indica fluxo turbulento (táboa 1).
PIV utilízase para conseguir medicións precisas e cuantitativas de vectores de velocidade do fluído simultaneamente nun número moi grande de puntos50.A configuración experimental incluíu un floculador de paletas a escala de laboratorio, un sistema LaVision PIV (2017) e un disparador de sensor láser externo Arduino.Para crear perfís de velocidade media no tempo, as imaxes PIV foron gravadas secuencialmente no mesmo lugar.O sistema PIV está calibrado de xeito que a área de destino estea no punto medio da lonxitude de cada unha das tres láminas dun brazo de pa en particular.O disparador externo consiste nun láser situado nun lado do ancho do floculador e un receptor sensor no outro lado.Cada vez que o brazo floculador bloquea o camiño do láser, envíase un sinal ao sistema PIV para capturar unha imaxe co láser PIV e a cámara sincronizadas cunha unidade de temporización programable.Sobre a fig.2 mostra a instalación do sistema PIV e o proceso de adquisición de imaxes.
A gravación do PIV comezou despois de que o floculador funcionase durante 5-10 minutos para normalizar o fluxo e ter en conta o mesmo campo de índice de refracción.A calibración conséguese utilizando unha placa de calibración inmersa no floculador e colocada no punto medio da lonxitude da lámina de interese.Axuste a posición do láser PIV para formar unha folla de luz plana directamente sobre a placa de calibración.Rexistra os valores medidos para cada velocidade de rotación de cada lámina e as velocidades de rotación escollidas para o experimento son 3 rpm e 4 rpm.
Para todas as gravacións PIV, o intervalo de tempo entre dous pulsos láser estableceuse no intervalo de 6900 a 7700 µs, o que permitiu un desprazamento mínimo de partículas de 5 píxeles.Realizáronse probas piloto sobre o número de imaxes necesarias para obter medicións precisas coa media temporal.Comparáronse as estatísticas vectoriais para mostras que conteñan 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 e 280 imaxes.Atopouse que un tamaño de mostra de 240 imaxes proporciona resultados estables cunha media temporal dado que cada imaxe consta de dous cadros.
Dado que o fluxo no floculador é turbulento, requírese unha pequena ventá de interrogación e un gran número de partículas para resolver pequenas estruturas turbulentas.Aplícanse varias iteracións de redución de tamaño xunto cun algoritmo de correlación cruzada para garantir a precisión.Un tamaño inicial da xanela de sondeo de 48×48 píxeles cun 50 % de superposición e un proceso de adaptación foi seguido por un tamaño final da xanela de sondeo de 32×32 píxeles con 100 % de superposición e dous procesos de adaptación.Ademais, utilizáronse esferas ocas de vidro como partículas de semente no fluxo, o que permitiu polo menos 10 partículas por xanela de votación.A gravación PIV é activada por unha fonte de disparo nunha Unidade de temporización programable (PTU), que se encarga de operar e sincronizar a fonte láser e a cámara.
Utilizouse o paquete comercial de CFD ANSYS Fluent v 19.1 para desenvolver o modelo 3D e resolver as ecuacións de fluxo básicas.
Usando ANSYS-Fluent, creouse un modelo 3D dun floculador de paletas a escala de laboratorio.O modelo realízase en forma de caixa rectangular, formada por dúas rodas de paletas montadas nun eixe horizontal, como o modelo de laboratorio.O modelo sen francobordo mide 108 cm de alto, 118 cm de ancho e 138 cm de longo.Engadiuse un plano cilíndrico horizontal ao redor do mesturador.A xeración de planos cilíndricos debe implementar a rotación de todo o mesturador durante a fase de instalación e simular o campo de fluxo rotativo dentro do floculador, como se mostra na figura 3a.
Diagrama 3D de xeometría ANSYS-fluente e modelo, malla do corpo do floculador ANSYS-fluente no plano de interese, diagrama ANSYS-fluido no plano de interese.
A xeometría do modelo consta de dúas rexións, cada unha das cales é un fluído.Isto conséguese mediante a función de resta lóxica.Primeiro resta o cilindro (incluído o mesturador) da caixa para representar o líquido.A continuación, resta o mesturador do cilindro, resultando dous obxectos: o mesturador e o líquido.Finalmente, aplicouse unha interface deslizante entre as dúas áreas: unha interface cilindro-cilindro e unha interface cilindro-mesturadora (Fig. 3a).
Completouse o mallado dos modelos construídos para cumprir cos requisitos dos modelos de turbulencia que se utilizarán para realizar as simulacións numéricas.Utilizouse unha malla non estruturada con capas expandidas preto da superficie sólida.Cree capas de expansión para todos os muros cunha taxa de crecemento de 1,2 para garantir que se capten patróns de fluxo complexos, cun grosor da primeira capa de \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m para garantir que \ ( {\texto {y))^{+}\le 1.0\).O tamaño corporal axústase mediante o método de axuste de tetraedros.Créase un tamaño de lado frontal de dúas interfaces cun tamaño de elemento de 2,5 × \({10}^{-3}\) m e un tamaño frontal do mesturador de 9 × \({10}^{-3}\ ) aplícase m.A malla xerada inicial estaba formada por 2144409 elementos (Fig. 3b).
Elixiuse un modelo de turbulencia k–ε de dous parámetros como modelo base inicial.Para simular con precisión o fluxo remolino dentro do floculador, escolleuse un modelo computacionalmente máis caro.O fluxo turbulento de remolinos dentro do floculador investigouse numericamente utilizando dous modelos CFD: SST k–ω51 e IDDES52.Os resultados de ambos os modelos comparáronse cos resultados experimentais de PIV para validar os modelos.En primeiro lugar, o modelo de turbulencia SST k-ω é un modelo de viscosidade turbulenta de dúas ecuacións para aplicacións de dinámica de fluídos.Este é un modelo híbrido que combina os modelos k-ω e k-ε de Wilcox.A función de mestura activa o modelo de Wilcox preto da parede e o modelo k-ε no fluxo que se achega.Isto garante que se use o modelo correcto en todo o campo de fluxo.Predí con precisión a separación do fluxo debido a gradientes de presión adversos.En segundo lugar, seleccionouse o método Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), moi utilizado no modelo Individual Eddy Simulation (DES) co modelo SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES é un modelo híbrido RANS-LES (simulación de remolinos grandes) que proporciona un modelo de simulación de escalado de resolución (SRS) máis flexible e fácil de usar.Está baseado no modelo LES para resolver remolinos grandes e volve a SST k-ω para simular remolinos a pequena escala.Comparáronse as análises estatísticas dos resultados das simulacións SST k–ω e IDDES cos resultados do PIV para validar o modelo.
Elixiuse un modelo de turbulencia k–ε de dous parámetros como modelo base inicial.Para simular con precisión o fluxo remolino dentro do floculador, escolleuse un modelo computacionalmente máis caro.O fluxo turbulento de remolinos dentro do floculador investigouse numericamente utilizando dous modelos CFD: SST k–ω51 e IDDES52.Os resultados de ambos os modelos comparáronse cos resultados experimentais de PIV para validar os modelos.En primeiro lugar, o modelo de turbulencia SST k-ω é un modelo de viscosidade turbulenta de dúas ecuacións para aplicacións de dinámica de fluídos.Este é un modelo híbrido que combina os modelos k-ω e k-ε de Wilcox.A función de mestura activa o modelo de Wilcox preto da parede e o modelo k-ε no fluxo que se achega.Isto garante que se use o modelo correcto en todo o campo de fluxo.Predí con precisión a separación do fluxo debido a gradientes de presión adversos.En segundo lugar, seleccionouse o método Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), moi utilizado no modelo Individual Eddy Simulation (DES) co modelo SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES é un modelo híbrido RANS-LES (simulación de remolinos grandes) que proporciona un modelo de simulación de escalado de resolución (SRS) máis flexible e fácil de usar.Está baseado no modelo LES para resolver remolinos grandes e volve a SST k-ω para simular remolinos a pequena escala.Comparáronse as análises estatísticas dos resultados das simulacións SST k–ω e IDDES cos resultados do PIV para validar o modelo.
Use un solucionador de transitorios baseado na presión e use a gravidade na dirección Y.A rotación conséguese asignando un movemento de malla ao mesturador, onde a orixe do eixe de rotación está no centro do eixe horizontal e a dirección do eixe de rotación está na dirección Z.Créase unha interface de malla para ambas as interfaces de xeometría do modelo, dando como resultado dous bordos de caixa delimitadora.Como na técnica experimental, a velocidade de rotación corresponde a 3 e 4 revolucións.
As condicións de límite para as paredes do mesturador e do floculador foron establecidas pola parede, e a abertura superior do floculador foi establecida pola saída con presión manométrica cero (Fig. 3c).Esquema SIMPLE de comunicación presión-velocidade, discretización do espazo de gradiente de funcións de segunda orde con todos os parámetros baseados en elementos de mínimos cadrados.O criterio de converxencia para todas as variables de fluxo é o residual escalado 1 x \({10}^{-3}\).O número máximo de iteracións por paso de tempo é 20 e o tamaño do paso de tempo corresponde a unha rotación de 0,5°.A solución converxe na 8ª iteración para o modelo SST k–ω e na 12ª iteración usando IDDES.Ademais, o número de pasos de tempo foi calculado para que o mesturador fixo polo menos 12 revolucións.Aplicar a mostraxe de datos para estatísticas de tempo despois de 3 rotacións, o que permite a normalización do fluxo, de xeito similar ao procedemento experimental.A comparación da saída dos bucles de velocidade para cada revolución dá exactamente os mesmos resultados para as últimas catro revolucións, o que indica que se alcanzou un estado estacionario.As revolucións adicionais non melloraron os contornos de velocidade media.
O paso de tempo defínese en relación á velocidade de rotación, 3 rpm ou 4 rpm.O paso de tempo refírase ao tempo necesario para xirar o mesturador 0,5°.Isto resulta ser suficiente, xa que a solución converxe facilmente, como se describe no apartado anterior.Así, todos os cálculos numéricos para ambos modelos de turbulencia realizáronse utilizando un paso de tempo modificado de 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) para 3 rpm, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.Para un determinado paso de tempo de refinamento, o número de Courant dunha cela é sempre inferior a 1,0.
Para explorar a dependencia do modelo da malla, os resultados obtivéronse primeiro usando a malla orixinal de 2,14 M e despois a malla refinada de 2,88 M.O refinamento da grella conséguese reducindo o tamaño da cela do corpo do mesturador de 9 × \({10}^{-3}\) m a 7 × \({10}^{-3}\) m.Para as mallas orixinais e refinadas dos dous modelos de turbulencia, comparáronse os valores medios dos módulos de velocidade en diferentes lugares ao redor da lámina.A diferenza porcentual entre os resultados é do 1,73% para o modelo SST k–ω e do 3,51% para o modelo IDDES.IDDES mostra unha diferenza porcentual maior porque é un modelo híbrido RANS-LES.Estas diferenzas consideráronse insignificantes, polo que a simulación realizouse utilizando a malla orixinal con 2,14 millóns de elementos e un paso de tempo de rotación de 0,5°.
Examinouse a reproducibilidade dos resultados experimentais realizando cada un dos seis experimentos por segunda vez e comparando os resultados.Compare os valores de velocidade no centro da lámina en dúas series de experimentos.A diferenza porcentual media entre os dous grupos experimentais foi do 3,1%.O sistema PIV tamén se recalibrou de forma independente para cada experimento.Compare a velocidade calculada analiticamente no centro de cada lámina coa velocidade PIV no mesmo lugar.Esta comparación mostra a diferenza cun erro porcentual máximo do 6,5 % para a lámina 1.
Antes de cuantificar o factor de deslizamento, é necesario comprender cientificamente o concepto de escorregamento nun floculador de paletas, o que require estudar a estrutura do fluxo ao redor das paletas do floculador.Conceptualmente, o coeficiente de deslizamento está incorporado no deseño dos floculadores de paletas para ter en conta a velocidade das láminas con respecto á auga.A literatura recomenda que esta velocidade sexa o 75% da velocidade da lámina, polo que a maioría dos deseños normalmente usan ak de 0,25 para ter en conta este axuste.Isto require o uso de liñas de velocidade derivadas dos experimentos PIV para comprender completamente o campo de velocidade de fluxo e estudar este deslizamento.A lámina 1 é a lámina máis interna máis próxima ao eixe, a lámina 3 é a lámina máis externa e a lámina 2 a lámina media.
As liñas de velocidade da lámina 1 mostran un fluxo rotativo directo ao redor da lámina.Estes patróns de fluxo emanan dun punto no lado dereito da lámina, entre o rotor e a lámina.Mirando a área indicada pola caixa de puntos vermellos da Figura 4a, é interesante identificar outro aspecto do fluxo de recirculación por riba e arredor da lámina.A visualización do fluxo mostra pouco fluxo na zona de recirculación.Este fluxo achégase dende o lado dereito da lámina a unha altura duns 6 cm do extremo da lámina, posiblemente debido á influencia da primeira lámina da man que precede á lámina, que é visible na imaxe.A visualización do fluxo a 4 rpm mostra o mesmo comportamento e estrutura, aparentemente con velocidades máis altas.
Campo de velocidade e gráficos de corrente de tres aspas a dúas velocidades de rotación de 3 rpm e 4 rpm.A velocidade media máxima das tres palas a 3 rpm é de 0,15 m/s, 0,20 m/s e 0,16 m/s respectivamente, e a velocidade media máxima a 4 rpm é de 0,15 m/s, 0,22 m/s e 0,22 m/s. s, respectivamente.en tres follas.
Atopouse outra forma de fluxo helicoidal entre as paletas 1 e 2. O campo vectorial mostra claramente que o fluxo de auga se move cara arriba dende o fondo da paleta 2, como indica a dirección do vector.Como mostra o cadro de puntos da figura 4b, estes vectores non van verticalmente cara arriba desde a superficie da lámina, senón que xiran cara á dereita e descenden gradualmente.Na superficie da lámina 1 distínguense vectores descendentes, que se achegan a ambas as aspas e as rodean a partir do fluxo de recirculación formado entre elas.A mesma estrutura de fluxo determinouse a ambas as velocidades de rotación cunha amplitude de velocidade maior de 4 rpm.
O campo de velocidade da lámina 3 non fai unha contribución significativa do vector velocidade da lámina anterior que se une ao fluxo debaixo da lámina 3. O fluxo principal baixo a lámina 3 débese ao vector velocidade vertical que sube coa auga.
Os vectores velocidade sobre a superficie da lámina 3 pódense dividir en tres grupos, como se mostra na figura 4c.O primeiro conxunto é o que está no bordo dereito da lámina.A estrutura do fluxo nesta posición é recta cara á dereita e cara arriba (é dicir, cara á lámina 2).O segundo grupo é o medio da lámina.O vector velocidade para esta posición diríxese directamente cara arriba, sen desviación ningunha e sen rotación.A diminución do valor da velocidade determinouse cun aumento da altura por riba do extremo da lámina.Para o terceiro grupo, situado na periferia esquerda das láminas, o fluxo diríxese inmediatamente cara á esquerda, é dicir, cara á parede do floculador.A maior parte do fluxo representado polo vector velocidade sobe, e parte do fluxo baixa horizontalmente.
Utilizáronse dous modelos de turbulencia, SST k–ω e IDDES, para construír perfís de velocidade media no tempo para 3 rpm e 4 rpm no plano da lonxitude media das palas.Como se mostra na Figura 5, o estado estacionario conséguese conseguindo unha semellanza absoluta entre os contornos de velocidade creados por catro rotacións sucesivas.Ademais, os contornos de velocidade mediados no tempo xerados por IDDES móstranse na figura 6a, mentres que os perfís de velocidade mediados no tempo xerados por SST k - ω aparecen na figura 6a.6b.
Usando IDDES e bucles de velocidade media no tempo xerados por SST k–ω, o IDDES ten unha maior proporción de bucles de velocidade.
Examine coidadosamente o perfil de velocidade creado con IDDES a 3 rpm como se mostra na Figura 7. O mesturador xira no sentido das agullas do reloxo e o fluxo é discutido segundo as notas mostradas.
Sobre a fig.7 pódese observar que na superficie da lámina 3 no cuadrante I hai unha separación do fluxo, xa que o fluxo non está restrinxido pola presenza do burato superior.No cuadrante II non se observa separación do fluxo, xa que o caudal está completamente limitado polas paredes do floculador.No cuadrante III, a auga xira a unha velocidade moito menor ou menor que nos cuadrantes anteriores.A auga dos cuadrantes I e II móvese (é dicir, rótase ou empurrase) cara abaixo pola acción do mesturador.E no cuadrante III, a auga é empuxada polas aspas do axitador.É obvio que a masa de auga neste lugar resiste a aproximación da manga do floculador.O fluxo rotatorio neste cuadrante está completamente separado.Para o cuadrante IV, a maior parte do fluxo de aire por riba da paleta 3 diríxese cara á parede do floculador e perde gradualmente o seu tamaño a medida que a altura aumenta ata a abertura superior.
Ademais, a localización central inclúe patróns de fluxo complexos que dominan os cuadrantes III e IV, como mostran as elipses de puntos azuis.Esta zona marcada non ten nada que ver co fluxo remolino no floculador de paletas, xa que se pode identificar o movemento remolino.Isto contrasta cos cuadrantes I e II onde hai unha clara separación entre o fluxo interno e o fluxo de rotación total.
Como se mostra na fig.6, comparando os resultados de IDDES e SST k-ω, a principal diferenza entre os contornos de velocidade é a magnitude da velocidade inmediatamente por debaixo da lámina 3. O modelo SST k-ω mostra claramente que o fluxo estendido de alta velocidade é transportado pola lámina 3. en comparación co IDDES.
Outra diferenza pódese atopar no cuadrante III.Desde o IDDES, como se mencionou anteriormente, notouse a separación do fluxo rotacional entre os brazos do floculador.Non obstante, esta posición está fortemente afectada polo fluxo de baixa velocidade das esquinas e do interior da primeira lámina.Desde SST k–ω para a mesma localización, as curvas de nivel mostran velocidades relativamente maiores en comparación co IDDES porque non hai fluxo confluente doutras rexións.
Requírese unha comprensión cualitativa dos campos de vectores velocidade e das liñas de corrente para unha correcta comprensión do comportamento e estrutura do fluxo.Dado que cada lámina ten 5 cm de ancho, elixíronse sete puntos de velocidade en toda a anchura para proporcionar un perfil de velocidade representativo.Ademais, é necesaria unha comprensión cuantitativa da magnitude da velocidade en función da altura sobre a superficie da lámina representando o perfil de velocidade directamente sobre cada superficie da lámina e nunha distancia continua de 2,5 cm verticalmente ata unha altura de 10 cm.Consulte S1, S2 e S3 na figura para obter máis información.Apéndice A. A figura 8 mostra a semellanza da distribución da velocidade superficial de cada lámina (Y = 0,0) obtida mediante experimentos PIV e análise ANSYS-Fluent mediante IDDES e SST k-ω.Ambos modelos numéricos permiten simular con precisión a estrutura do fluxo na superficie das láminas do floculador.
Distribucións de velocidades PIV, IDDES e SST k–ω na superficie da pala.O eixe x representa o ancho de cada folla en milímetros, coa orixe (0 mm) representando a periferia esquerda da folla e o extremo (50 mm) representando a periferia dereita da folla.
Vese claramente que as distribucións de velocidade das láminas 2 e 3 aparecen na Fig.8 e Fig.8.S2 e S3 no Apéndice A mostran tendencias similares coa altura, mentres que a lámina 1 cambia de forma independente.Os perfís de velocidade das láminas 2 e 3 vólvense perfectamente rectos e teñen a mesma amplitude a unha altura de 10 cm do extremo da lámina.Isto significa que o fluxo faise uniforme neste punto.Isto vese claramente nos resultados do PIV, que están ben reproducidos polo IDDES.Mentres tanto, os resultados de SST k–ω mostran algunhas diferenzas, especialmente a 4 rpm.
É importante ter en conta que a lámina 1 conserva a mesma forma do perfil de velocidade en todas as posicións e non está normalizada en altura, xa que o remolino formado no centro do mesturador contén a primeira lámina de todos os brazos.Ademais, en comparación co IDDES, os perfís de velocidade da lámina PIV 2 e 3 mostraron valores de velocidade lixeiramente máis altos na maioría dos lugares ata que foron case iguais a 10 cm por riba da superficie da lámina.
Hora de publicación: 27-12-2022