Nature.com сайтаар зочилсонд баярлалаа.Та хязгаарлагдмал CSS дэмжлэгтэй хөтчийн хувилбарыг ашиглаж байна.Хамгийн сайн ашиглахын тулд бид танд шинэчилсэн хөтөч ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer-д нийцтэй байдлын горимыг идэвхгүй болгох).Нэмж дурдахад, байнгын дэмжлэгийг хангахын тулд бид сайтыг хэв маяг, JavaScript-гүй харуулж байна.
Гурван слайдаас бүрдсэн тойргийг нэг дор харуулна.Өмнөх болон Дараагийн товчийг ашиглан гурван слайдыг нэг дор гүйлгэх, эсвэл төгсгөлд байрлах гулсагч товчлуурыг ашиглан гурван слайдыг нэг дор гүйлгэж болно.
Энэхүү судалгаанд флоккуляцийн гидродинамикийг лабораторийн масштабтай сэлүүрт флокулаторт турбулент урсгалын хурдны талбайн туршилтын болон тоон судалгаагаар үнэлэв.Бөөмийн бөөгнөрөл эсвэл флокын задралыг дэмждэг турбулент урсгал нь нарийн төвөгтэй бөгөөд SST k-ω ба IDDES гэсэн хоёр турбулент загвар ашиглан энэ нийтлэлд авч үзэж, харьцуулсан болно.Үр дүн нь IDDES нь SST k-ω-тэй харьцуулахад маш бага сайжруулалтыг үзүүлж байгааг харуулж байгаа бөгөөд энэ нь сэлүүртэй флокулатор доторх урсгалыг зөв загварчлахад хангалттай юм.Тохиромжтой оноо нь PIV болон CFD үр дүнгийн нийлмэл байдлыг судлах, ашигласан CFD турбулент загварын үр дүнг харьцуулах зорилгоор ашигладаг.Судалгаа нь мөн 0.25 гэсэн ердийн ердийн утгыг 3 ба 4 эрг / мин-ийн бага хурдтай үед 0.18 байх гулсалтын хүчин зүйлийн k-ийн хэмжээг тодорхойлоход анхаарлаа хандуулдаг.k-ийг 0.25-аас 0.18 болгон бууруулснаар шингэнд хүргэх хүчийг 27-30%-иар нэмэгдүүлж, хурдны градиент (G) ойролцоогоор 14%-иар нэмэгдэнэ.Энэ нь хүлээгдэж байснаас илүү эрчимтэй холилддог тул бага эрчим хүч зарцуулдаг тул ундны ус цэвэрлэх байгууламжийн флокуляцийн нэгжийн эрчим хүчний зарцуулалт бага байж болно гэсэн үг юм.
Ус цэвэршүүлэхэд коагулянт нэмэх нь коллоид жижиг тоосонцор, хольцыг тогтворгүй болгож, дараа нь флоккуляцийн үе шатанд нийлж флоккуляци үүсгэдэг.Хайрс нь сул нийлсэн фрактал массын агрегатууд бөгөөд тэдгээрийг тунадасжуулах замаар арилгадаг.Бөөмийн шинж чанар, шингэний холилтын нөхцөл нь флокуляци ба цэвэрлэх үйл явцын үр ашгийг тодорхойлдог.Флокуляци нь харьцангуй богино хугацаанд удаан хутгах, их хэмжээний усыг хутгахын тулд маш их энерги шаарддаг1.
Флокуляцийн үед бүхэл системийн гидродинамик ба коагулянт-бөөмийн харилцан үйлчлэлийн хими нь хөдөлгөөнгүй бөөмийн хэмжээ тархах хурдыг тодорхойлдог2.Бөөмүүд мөргөлдөхдөө бие биендээ наалдана3.Oyegbile, Ay4 мөргөлдөөн нь броуны тархалт, шингэний зүсэлт, дифференциал суулт зэрэг флоккуляцийн тээвэрлэлтийн механизмаас хамаардаг гэж мэдээлсэн.Ширхэгүүд мөргөлдөх үед томорч тодорхой хэмжээний хязгаарт хүрдэг бөгөөд энэ нь хайрс нь гидродинамик хүчний хүчийг тэсвэрлэх чадваргүй тул хугарахад хүргэдэг5.Эдгээр хугарсан ширхэгүүдийн зарим нь дахин нэгдэж жижиг юмуу ижил хэмжээтэй болно6.Гэсэн хэдий ч хүчтэй ширхэгүүд нь энэ хүчийг эсэргүүцэж, хэмжээгээ хадгалж, бүр ургаж чаддаг7.Юксэлэн, Грегори8 нар ширхгийг устгах, нөхөн төлжих чадвартай холбоотой судалгааны талаар мэдээлсэн нь эргэлт буцалтгүй байдал хязгаарлагдмал болохыг харуулсан.Бриджман, Жефферсон 9 орон нутгийн хурдны градиентээр дамжин хөвөн үүсэх, хуваагдахад дундаж урсгал ба үйрмэгийн орон нутгийн нөлөөг тооцоолохын тулд CFD ашигласан.Роторын ирээр тоноглогдсон танкуудад коагуляцийн үе шатанд хангалттай тогтворгүй болсон үед дүүргэгч нь бусад хэсгүүдтэй мөргөлдөх хурдыг өөрчлөх шаардлагатай.CFD ба 15 эрг / мин-ээс бага эргэлтийн хурдыг ашигласнаар Вадасаруккай, Гагнон11 нар конус иртэй флокуляцийн G утгыг олж авч, улмаар хутгахад зарцуулагдах эрчим хүчний зарцуулалтыг багасгасан.Гэсэн хэдий ч өндөр G утгууд дээр ажиллах нь флоккуляцид хүргэж болзошгүй юм.Тэд нисгэгч сэлүүрт флоккуляторын дундаж хурдны градиентийг тодорхойлоход холих хурд хэрхэн нөлөөлж байгааг судалжээ.Тэд 5 эрг / мин-ээс дээш хурдтай эргэлддэг.
Корпиярви, Ahlstedt12 танкийн туршилтын вандан дээр урсгалын талбайг судлахын тулд дөрвөн өөр турбулентийн загварыг ашигласан.Тэд урсгалын талбайг лазер Доплер анемометр болон PIV-ээр хэмжиж, тооцоолсон үр дүнг хэмжсэн үр дүнтэй харьцуулсан.де Оливейра, Донадел13 нар CFD ашиглан гидродинамик шинж чанараас хурдны градиентийг тооцоолох өөр аргыг санал болгосон.Санал болгож буй аргыг мушгиа геометрт суурилсан зургаан флокуляцийн төхөөрөмж дээр туршсан.Флокулянтуудад хадгалах хугацааны нөлөөг үнэлж, хадгалах хугацаа багатай эсийн оновчтой загварыг дэмжих хэрэгсэл болгон ашиглаж болох флоккуляцийн загварыг санал болгосон14.Жан, You15 бүрэн хэмжээний флоккуляци дахь урсгалын шинж чанар болон флокийн зан төлөвийг дуурайхын тулд CFD болон популяцийн тэнцвэрийн хосолсон загварыг санал болгосон.Llano-Serna, Coral-Portillo16 Колумбын Витербо дахь ус цэвэрлэх байгууламжид Кокс төрлийн гидрофлокуляторын урсгалын шинж чанарыг судалжээ.Хэдийгээр CFD нь давуу талтай ч тооцооллын тоон алдаа зэрэг хязгаарлалтууд байдаг.Тиймээс олж авсан аливаа тоон үр дүнг сайтар шалгаж, дүн шинжилгээ хийж, чухал дүгнэлт гаргах хэрэгтэй17.Уран зохиолд хэвтээ тэнхлэгт флокуляторын дизайны талаархи судалгаа цөөхөн байдаг бол гидродинамик флокуляторын дизайны зөвлөмж хязгаарлагдмал байдаг18.Чен, Liao19 бие даасан бөөмсөөс тархсан гэрлийн туйлшралын төлөвийг хэмжихийн тулд туйлширсан гэрлийн тархалт дээр суурилсан туршилтын тохиргоог ашигласан.Feng, Zhang20 нь Ansys-Fluent-ийг коагуляцлагдсан хавтан флокулатор болон атираат атираат флоккуляторын урсгалын талбарт эргэлдэх гүйдлийн тархалтыг загварчлахад ашигласан.Ansys-Fluent ашиглан флоккулатор дахь турбулент шингэний урсгалыг дуурайсны дараа Gavi21 үр дүнг ашиглан флоккулаторын загвар зохион бүтээжээ.Ванели, Тейшейра22 нар спираль хоолойн флокулаторуудын шингэний динамик ба флоккуляцийн процессын хоорондын хамаарлыг оновчтой дизайныг дэмжихийн тулд сайн ойлгоогүй хэвээр байна гэж мэдээлсэн.де Оливейра, Коста Тейшейра23 нар үр ашгийг судалж, спираль хоолойн флоккуляторын гидродинамик шинж чанарыг физикийн туршилт болон CFD загварчлалаар харуулсан.Олон судлаачид ороомог хоолойн реактор эсвэл ороомог хоолойн флокулаторуудыг судалжээ.Гэсэн хэдий ч эдгээр реакторуудын янз бүрийн загвар, ашиглалтын нөхцөлд хариу үйлдэл үзүүлэх талаар нарийвчилсан гидродинамик мэдээлэл байхгүй хэвээр байна (Сартори, Оливейра24; Оливейра, Тейшейра25).Oliveira болон Teixeira26 нар спираль флоккуляторын онолын, туршилтын болон CFD загварчлалын анхны үр дүнг танилцуулж байна.Оливейра, Тейшейра27 нар спираль ороомгийг ердийн декантерын системтэй хослуулан коагуляци-флокуляцийн реактор болгон ашиглахыг санал болгов.Тэд булингарыг арилгах үр дүнтэй үр дүн нь флокуляцийг үнэлэхэд түгээмэл хэрэглэгддэг загваруудын үр дүнгээс эрс ялгаатай гэж мэдээлсэн бөгөөд ийм загварыг ашиглахдаа болгоомжтой байхыг зөвлөж байна.Морузци ба де Оливейра [28] янз бүрийн үйл ажиллагааны нөхцөлд тасралтгүй флокуляцийн камеруудын системийн зан төлөвийг загварчилсан бөгөөд үүнд ашигласан камерын тооны өөрчлөлт, тогтмол эсвэл масштабтай эсийн хурдны градиент ашиглах зэрэг болно.Romphophak, Le Men29 Бараг хоёр хэмжээст тийрэлтэт цэвэрлэгч дэх агшин зуурын хурдны PIV хэмжилт.Тэд флоккуляцийн бүсэд тийрэлтэт хүчтэй эргэлтийг олж, орон нутгийн болон агшин зуурын зүсэлтийн хурдыг тооцоолсон.
Шах, Жоши30 мэдээлснээр CFD нь дизайныг сайжруулах, виртуал урсгалын шинж чанарыг олж авах сонирхолтой хувилбарыг санал болгодог.Энэ нь өргөн хүрээтэй туршилтын тохиргооноос зайлсхийхэд тусална.CFD нь ус болон бохир ус цэвэрлэх байгууламжид дүн шинжилгээ хийхэд улам бүр ашиглагдаж байна (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Хэд хэдэн судлаачид лаазны туршилтын төхөөрөмж (Бриджман, Жефферсон36; Бриджман, Жефферсон5; Жарвис, Жефферсон6; Ван, Ву34) болон цоолсон дискний флокулятор31 дээр туршилт хийсэн.Бусад нь гидрофлокуляторыг үнэлэхийн тулд CFD ашигласан (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 мэдээлснээр механик флоккулятор нь ихэвчлэн эвдэрч, маш их цахилгаан шаарддаг тул байнгын засвар үйлчилгээ шаарддаг.
Сэлүүрт флоккуляторын ажиллагаа нь усан сангийн гидродинамикаас ихээхэн хамаардаг.Ийм флоккулятор дахь урсгалын хурдны талбайн талаарх тоон ойлголт дутмаг байгааг уран зохиолд тодорхой тэмдэглэсэн байдаг (Хоу, Ханд38; Хендрикс39).Усны масс бүхэлдээ флоккулаторын импеллерийн хөдөлгөөнд өртдөг тул гулсах төлөвтэй байна.Дүрмээр бол шингэний хурд нь хутгуурын хурдаас гулсалтын коэффициент k-ээр бага байдаг бөгөөд энэ нь усны биетийн хурдыг сэлүүрт хүрдний хурдтай харьцуулсан харьцаагаар тодорхойлогддог.Bhole40-ийн мэдээлснээр флоккулаторыг зохион бүтээхдээ хурдны градиент, чирэх коэффициент, иртэй харьцуулахад усны харьцангуй хурд зэрэг гурван үл мэдэгдэх хүчин зүйлийг анхаарч үзэх хэрэгтэй.
Camp41-ийн мэдээлснээр өндөр хурдтай машинуудын хувьд хурд нь роторын хурдны 24% орчим, бага хурдтай машинуудын хувьд 32% хүрдэг.Септа байхгүй үед Droste болон Ger42 нь 0.25-ийн ak утгыг ашигласан бол septa-ийн хувьд k нь 0-0.15 хооронд хэлбэлзэж байв.Howe, Hand38 k нь 0.2-0.3-ын мужид байгааг харуулж байна.Хендрикс39 гулсалтын хүчин зүйлийг эргэлтийн хурдтай эмпирик томъёогоор холбосон бөгөөд гулсалтын хүчин зүйл нь Camp41-ийн тогтоосон хязгаарт багтаж байна гэж дүгнэсэн.Bratby43-ийн мэдээлснээр k нь сэнсний эргэлтийн хурд нь 1,8-аас 5,4 эрг / мин хүртэл 0,2 орчим, харин сэнсний хурд нь 0,9-ээс 3 эрг / мин хүртэл 0,35 болж нэмэгддэг.Бусад судлаачид 1.0-аас 1.8 хүртэлх ачааллын коэффициент (Cd) болон гулсалтын коэффициентийн k утгуудын утгыг 0.25-аас 0.40 (Фейр ба Гейер44; Хайд, Людвиг45; Харрис, Кауфман46; ван Дуурен47; Братби, Марайс48) зэрэг өргөн хүрээтэй гэж мэдээлсэн. ).Уран зохиолд Camp41-ийн ажлаас хойш k-ийг тодорхойлох, тоон үзүүлэлтийг тодорхойлоход мэдэгдэхүйц ахиц дэвшил гараагүй байна.
Хурдны градиент (G) нь үймээн самуун/флоккуляцийг хэмжихэд ашиглагддаг мөргөлдөөнийг хөнгөвчлөхийн тулд флоккуляцийн процесс нь үймээн самуун дээр суурилдаг.Холих гэдэг нь химийн бодисыг усанд хурдан, жигд тараах үйл явц юм.Холих зэргийг хурдны градиентаар хэмждэг.
Энд G = хурдны градиент (сек-1), P = оролтын эрчим хүч (W), V = усны эзэлхүүн (м3), μ = динамик зуурамтгай чанар (Па с).
G-ийн утга өндөр байх тусам холилдсон байна.Нэг төрлийн коагуляцийг хангахын тулд сайтар холих шаардлагатай.Уран зохиолоос харахад дизайны хамгийн чухал үзүүлэлтүүд нь холих хугацаа (t) ба хурдны градиент (G) юм.Хурдны градиент (G) нь үймээн самуун/флоккуляцийг хэмжихэд ашиглагддаг мөргөлдөөнийг хөнгөвчлөхийн тулд флоккуляцийн процесс нь үймээн самуун дээр суурилдаг.G-ийн дизайны ердийн утга нь 20-70 с–1, t нь 15-30 минут, Gt (хэмжээгүй) нь 104-105 байна. Хурдан холих савнууд нь G-ийн 700-аас 1000-ийн утгуудаар хамгийн сайн ажилладаг бөгөөд энэ нь үргэлжлэх хугацаа юм. 2 минут орчим.
Энд P - флоккулаторын ир тус бүрээс шингэнд өгөх хүч, N - эргэлтийн хурд, b - ирний урт, ρ - усны нягт, r - радиус, k - гулсалтын коэффициент.Энэ тэгшитгэлийг ир бүрт тус тусад нь хэрэглэж, үр дүнг нэгтгэн флоккуляторын нийт оролтын хүчийг гаргана.Энэ тэгшитгэлийг сайтар судалснаар сэлүүрт флоккуляторыг зохион бүтээх явцад гулсалтын хүчин зүйл k чухал болохыг харуулж байна.Уран зохиолд k-ийн яг утгыг заагаагүй бөгөөд өмнө нь хэлсэнчлэн мужийг санал болгож байна.Гэсэн хэдий ч P хүч ба гулсалтын коэффициент k хоорондын хамаарал нь куб байна.Тиймээс, бүх параметрүүд ижил байх тохиолдолд, жишээлбэл, k-ийг 0.25-аас 0.3 болгон өөрчлөх нь нэг хутганы шингэнд дамжих хүчийг 20% -иар бууруулж, k-ийг 0.25-аас 0.18 хүртэл бууруулахад хүргэдэг.ойролцоогоор 27-30%-иар сэнгэнцэрт шингэнд өгөх хүч.Эцсийн эцэст, тогтвортой сэлүүртэй флокулаторын загварт k-ийн нөлөөг техникийн тоон үзүүлэлтээр судлах шаардлагатай.
Гулсах хэмжигдэхүүнийг эмпирикээр нарийн тодорхойлохын тулд урсгалын дүрслэл, загварчлал шаардлагатай.Иймээс хутганы янз бүрийн байрлалын нөлөөллийг үнэлэхийн тулд босоо амнаас өөр өөр радиаль зайд, усны гадаргуугаас өөр өөр гүнд тодорхой эргэлтийн хурдтай усанд хутганы шүргэгч хурдыг дүрслэх нь чухал юм.
Энэхүү судалгаанд флоккуляцийн гидродинамикийг лабораторийн масштабтай сэлүүрт флокулаторт турбулент урсгалын хурдны талбайн туршилтын болон тоон судалгаагаар үнэлэв.PIV хэмжилтийг флокулятор дээр тэмдэглэж, навчны эргэн тойрон дахь усны хэсгүүдийн хурдыг харуулсан дундаж хурдны контурыг үүсгэдэг.Нэмж дурдахад ANSYS-Fluent CFD-ийг флоккулятор доторх эргэлдэх урсгалыг дуурайж, цаг хугацааны дундаж хурдны контурыг бий болгоход ашигласан.Үүссэн CFD загварыг PIV болон CFD үр дүнгийн хоорондын уялдаа холбоог үнэлж баталгаажуулсан.Энэ ажлын гол зорилго нь сэлүүрт флоккуляторын хэмжээсгүй дизайны параметр болох гулсалтын коэффициент k-ийн тоон үзүүлэлт юм.Энд танилцуулсан ажил нь 3 эрг / мин ба 4 эрг / мин бага хурдтай гулсалтын коэффициент k-ийн хэмжээг тодорхойлох шинэ үндэслэл болж байна.Үр дүнгийн үр дагавар нь флокуляцийн савны гидродинамикийг илүү сайн ойлгоход шууд хувь нэмэр оруулдаг.
Лабораторийн флоккулатор нь нийт өндөр нь 147 см, өндөр нь 39 см, нийт өргөн нь 118 см, нийт урт нь 138 см урттай нээлттэй дээд тэгш өнцөгт хайрцагнаас бүрдэнэ (Зураг 1).Camp49-ийн боловсруулсан дизайны үндсэн шалгуурыг лабораторийн масштабтай сэлүүрт флоккуляторыг зохион бүтээх, хэмжээст шинжилгээний зарчмуудыг хэрэгжүүлэхэд ашигласан.Туршилтын байгууламжийг Ливаны Америкийн Их Сургуулийн Байгаль орчны инженерийн лабораторид (Библос, Ливан) барьсан.
Хэвтээ тэнхлэг нь доод талаас 60 см-ийн өндөрт байрладаг бөгөөд хоёр сэлүүр дугуйг байрлуулна.Сэлүүр бүр нь 4 сэлүүрт 3 сэлүүртэй, нийт 12 сэлүүрээс бүрдэнэ.Flocculation нь 2-6 эрг / мин хурдтай зөөлөн хутгах шаардлагатай.Флокулятор дахь хамгийн түгээмэл холих хурд нь 3 эрг / мин ба 4 эргэлт юм.Лабораторийн масштабын флоккуляторын урсгал нь ундны ус цэвэрлэх байгууламжийн флоккуляцийн савны тасалгааны урсгалыг илэрхийлэх зориулалттай.Эрчим хүчийг уламжлалт тэгшитгэлээр тооцдог 42 .Хоёр эргэлтийн хурдны хувьд хурдны градиент \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\)-ээс их байна. , Рейнольдсын тоо нь турбулент урсгалыг илэрхийлдэг (Хүснэгт 1).
PIV нь маш олон тооны цэгүүдэд нэгэн зэрэг шингэний хурдны векторыг үнэн зөв, тоон хэмжилт хийхэд ашигладаг50.Туршилтын тохиргоонд лабораторийн хэмжээний сэлүүрт флокулатор, LaVision PIV систем (2017), Arduino гадаад лазер мэдрэгч гохыг оруулсан.Хугацааны дундаж хурдны профайлыг бий болгохын тулд PIV зургийг нэг байршилд дараалан бүртгэсэн.PIV систем нь зорилтот хэсэг нь тодорхой сэлүүр гарны гурван ир бүрийн уртын дунд байхаар тохируулагдсан байдаг.Гаднах гох нь флоккуляторын өргөний нэг талд байрлах лазер, нөгөө талд мэдрэгч хүлээн авагчаас бүрдэнэ.Флокуляторын гар нь лазерын замыг хаах бүрт PIV лазер болон программчлагдсан цаг хугацааны нэгжтэй синхрончлогдсон камертай зураг авах дохиог PIV систем рүү илгээдэг.Зураг дээр.2-т PIV системийг суурилуулах, зураг авах үйл явцыг харуулав.
Урсгалыг хэвийн болгож, хугарлын илтгэгчийн ижил талбайг харгалзан флоккулаторыг 5-10 минутын турш ажиллуулсны дараа PIV-ийн бичлэгийг эхлүүлсэн.Шалгалт тохируулга нь флоккулаторт дүрж, сонирхсон ирний уртын дунд хэсэгт байрлуулсан тохируулгын хавтанг ашиглан хийгддэг.PIV лазерын байрлалыг тохируулж тохируулгын хавтангийн дээгүүр шууд хавтгай гэрлийн хуудас үүсгэнэ.Ир тус бүрийн эргэлтийн хурд тус бүрийн хэмжсэн утгыг тэмдэглэж, туршилтанд сонгосон эргэлтийн хурд нь 3 эрг / мин ба 4 эрг / мин байна.
Бүх PIV бичлэгийн хувьд хоёр лазер импульсийн хоорондох хугацааны интервалыг 6900-аас 7700 μs хооронд тогтоосон бөгөөд энэ нь хамгийн багадаа 5 пикселийн бөөмийн шилжилтийг зөвшөөрсөн.Цагийн дундаж хэмжилтийг үнэн зөв гаргахад шаардагдах зургийн тоогоор туршилтын туршилт хийсэн.40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240, 280 зураг агуулсан дээжийн вектор статистикийг харьцуулсан.240 зураг бүхий түүврийн хэмжээ нь зураг бүр хоёр фреймээс бүрддэг тул цаг хугацааны дундаж үр дүн тогтвортой байна.
Флоккулатор дахь урсгал нь үймээнтэй байдаг тул жижиг турбулент бүтцийг шийдвэрлэхийн тулд жижиг байцаалтын цонх, олон тооны тоосонцор шаардагдана.Нарийвчлалыг баталгаажуулахын тулд хөндлөн хамаарлын алгоритмын хамт хэмжээг багасгах хэд хэдэн давталтыг ашигладаг.Санал асуулгын эхний цонхны хэмжээ 48×48 пиксел, 50% давхцаж, нэг дасан зохицох үйл явцын дараа 100% давхцал бүхий 32×32 пикселийн эцсийн санал авах цонхны хэмжээ, дасан зохицох хоёр процесс явагдсан.Үүнээс гадна шилэн хөндий бөмбөрцөгийг урсгалд үрийн тоосонцор болгон ашигласан бөгөөд энэ нь санал авах цонхонд дор хаяж 10 ширхэг тоосонцор оруулах боломжийг олгосон.PIV бичлэг нь лазерын эх үүсвэр болон камерыг ажиллуулах, синхрончлох үүрэгтэй Программчлагдах цаг хугацааны нэгжийн (PTU) гох эх үүсвэрээр өдөөгддөг.
Арилжааны CFD багц ANSYS Fluent v 19.1-ийг 3D загвар боловсруулж, урсгалын үндсэн тэгшитгэлийг шийдвэрлэхэд ашигласан.
ANSYS-Fluent программыг ашиглан лабораторийн хэмжээний сэлүүрт флоккуляторын 3D загварыг бүтээсэн.Загвар нь лабораторийн загвар шиг хэвтээ тэнхлэгт суурилуулсан хоёр сэлүүрт дугуйнаас бүрдэх тэгш өнцөгт хайрцаг хэлбэрээр хийгдсэн.Фрибордгүй загвар нь 108 см өндөр, 118 см өргөн, 138 см урт юм.Холигчийг тойруулан хэвтээ цилиндр хавтгайг нэмсэн.Цилиндр хавтгай үүсгэх нь угсралтын үе шатанд холигчийг бүхэлд нь эргүүлж, 3а-р зурагт үзүүлсэн шиг флоккулаторын доторх эргэлдэх урсгалын талбайг дуурайлган хийх ёстой.
3D ANSYS-үнэн болон загварын геометрийн диаграмм, сонирхсон хавтгай дээрх ANSYS-флюент флоккуляторын биеийн тор, сонирхсон хавтгай дээрх ANSYS-флюент диаграм.
Загварын геометр нь хоёр бүсээс бүрдэх бөгөөд тус бүр нь шингэн юм.Энэ нь логик хасах функцийг ашиглан хийгддэг.Эхлээд шингэнийг илэрхийлэхийн тулд цилиндрийг (холигчийг оруулаад) хайрцагнаас хасна.Дараа нь холигчийг цилиндрээс хасаад холигч ба шингэн гэсэн хоёр объект гарч ирнэ.Эцэст нь цилиндр-цилиндр интерфейс ба цилиндр холигч интерфейс (Зураг 3a) гэсэн хоёр талбайн хооронд гулсах интерфейсийг ашигласан.
Тоон симуляцийг ажиллуулахад ашиглагдах турбулент загваруудын шаардлагыг хангахын тулд бүтээгдсэн загваруудын сүлжээг хийж дуусгасан.Хатуу гадаргуугийн ойролцоо өргөссөн давхарга бүхий бүтэцгүй торыг ашигласан.Бүх хананд 1.2 өсөлтийн хурдтай өргөтгөлийн давхаргууд үүсгэж, нарийн төвөгтэй урсгалын хэв маягийг авахын тулд эхний давхаргын зузаан нь \(7\матрм{ x }{10}^{-4}\) м байхаар \ ( {\текст {y})^{+}\le 1.0\).Биеийн хэмжээг тетраэдрон холбох аргыг ашиглан тохируулна.2.5 × \({10}^{-3}\) м-ийн элементийн хэмжээтэй хоёр интерфэйсийн урд талын хэмжээ, холигчийн урд талын хэмжээ 9 × \({10}^{-3}\ ) үүсгэгдсэн. м хэрэглэж байна.Анхны үүсгэсэн тор нь 2144409 элементээс бүрдсэн (Зураг 3б).
Анхны суурь загвараар хоёр параметрийн k–ε турбулентийн загварыг сонгосон.Флокулятор доторх эргэлдэх урсгалыг үнэн зөв загварчлахын тулд тооцооллын хувьд илүү үнэтэй загварыг сонгосон.Флокулятор доторх эргэлдэх эргэлтийн урсгалыг SST k–ω51 ба IDDES52 гэсэн хоёр CFD загвар ашиглан тоон аргаар судалсан.Загваруудыг баталгаажуулахын тулд хоёр загварын үр дүнг туршилтын PIV үр дүнтэй харьцуулсан.Нэгдүгээрт, SST k-ω турбулентийн загвар нь шингэний динамикийн хэрэглээнд зориулагдсан хоёр тэгшитгэлийн турбулент зуурамтгай байдлын загвар юм.Энэ бол Wilcox k-ω болон k-ε загваруудыг нэгтгэсэн эрлийз загвар юм.Холих функц нь хананд ойрхон Wilcox загвар болон ирж буй урсгалд k-ε загварыг идэвхжүүлдэг.Энэ нь урсгалын талбарт зөв загварыг ашиглахыг баталгаажуулдаг.Энэ нь даралтын сөрөг нөлөөллөөс болж урсгалын тусгаарлалтыг нарийн тооцоолдог.Хоёрдугаарт, SST k-ω RANS (Рейнольдсын дундаж Навиер-Стокс) загвартай Individual Eddy Simulation (DES) загварт өргөн хэрэглэгддэг Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) аргыг сонгосон.IDDES нь илүү уян хатан, хэрэглэгчдэд ээлтэй нягтралын масштабын (SRS) симуляцийн загварыг хангадаг эрлийз RANS-LES (том eddy simulation) загвар юм.Энэ нь LES загвар дээр суурилж, том эргэлтийг шийдвэрлэх ба SST k-ω руу буцаад жижиг хэмжээний эргүүлгийг дуурайдаг.Загварыг баталгаажуулахын тулд SST k–ω болон IDDES симуляцийн үр дүнгийн статистик шинжилгээг PIV үр дүнтэй харьцуулсан.
Анхны суурь загвараар хоёр параметрийн k–ε турбулентийн загварыг сонгосон.Флокулятор доторх эргэлдэх урсгалыг үнэн зөв загварчлахын тулд тооцооллын хувьд илүү үнэтэй загварыг сонгосон.Флокулятор доторх эргэлдэх эргэлтийн урсгалыг SST k–ω51 ба IDDES52 гэсэн хоёр CFD загвар ашиглан тоон аргаар судалсан.Загваруудыг баталгаажуулахын тулд хоёр загварын үр дүнг туршилтын PIV үр дүнтэй харьцуулсан.Нэгдүгээрт, SST k-ω турбулентийн загвар нь шингэний динамикийн хэрэглээнд зориулагдсан хоёр тэгшитгэлийн турбулент зуурамтгай байдлын загвар юм.Энэ бол Wilcox k-ω болон k-ε загваруудыг нэгтгэсэн эрлийз загвар юм.Холих функц нь хананд ойрхон Wilcox загвар болон ирж буй урсгалд k-ε загварыг идэвхжүүлдэг.Энэ нь урсгалын талбарт зөв загварыг ашиглахыг баталгаажуулдаг.Энэ нь даралтын сөрөг нөлөөллөөс болж урсгалын тусгаарлалтыг нарийн тооцоолдог.Хоёрдугаарт, SST k-ω RANS (Рейнольдсын дундаж Навиер-Стокс) загвартай Individual Eddy Simulation (DES) загварт өргөн хэрэглэгддэг Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) аргыг сонгосон.IDDES нь илүү уян хатан, хэрэглэгчдэд ээлтэй нягтралын масштабын (SRS) симуляцийн загварыг хангадаг эрлийз RANS-LES (том eddy simulation) загвар юм.Энэ нь LES загвар дээр суурилж, том эргэлтийг шийдвэрлэх ба SST k-ω руу буцаад жижиг хэмжээний эргүүлгийг дуурайдаг.Загварыг баталгаажуулахын тулд SST k–ω болон IDDES симуляцийн үр дүнгийн статистик шинжилгээг PIV үр дүнтэй харьцуулсан.
Даралтад суурилсан түр зуурын уусгагчийг ашиглан таталцлыг Y чиглэлд хэрэглэнэ.Эргэлтийн тэнхлэгийн гарал үүсэл нь хэвтээ тэнхлэгийн төвд, эргэлтийн тэнхлэгийн чиглэл нь Z чиглэлд байрладаг холигч руу торон хөдөлгөөнийг хуваарилах замаар эргэлтийг гүйцэтгэдэг.Загварын геометрийн интерфэйсүүдийн аль алинд нь торон интерфэйс бий болж, хоёр хязгаарлах хайрцагны ирмэгүүд үүсдэг.Туршилтын техникийн нэгэн адил эргэлтийн хурд нь 3 ба 4 эргэлттэй тохирч байна.
Холигч ба флоккуляторын хананы хилийн нөхцлийг ханаар тогтоож, флоккуляторын дээд нээлхийг тэг даралттай гаралтын нүхээр тогтоов (Зураг 3в).Даралт-хурдны холбооны энгийн схем, хамгийн бага квадратын элементүүд дээр суурилсан бүх параметрүүдтэй хоёр дахь эрэмбийн функцүүдийн градиент орон зайг ялгах.Бүх урсгалын хувьсагчдын нэгдэх шалгуур нь масштабтай үлдэгдэл 1 x \({10}^{-3}\) юм.Хугацааны алхам тутамд давталтын хамгийн их тоо 20 байх ба хугацааны алхамын хэмжээ нь 0.5°-ийн эргэлттэй тохирч байна.Шийдэл нь SST k–ω загварын 8 дахь давталт болон IDDES ашиглан 12 дахь давталт дээр нийлдэг.Нэмж дурдахад холигч дор хаяж 12 эргэлт хийхээр цаг хугацааны алхмын тоог тооцоолсон.Туршилтын процедуртай адил урсгалыг хэвийн болгох боломжийг олгодог 3 эргэлтийн дараа цаг хугацааны статистикийн өгөгдөлд түүвэрлэлт хийнэ.Хувьсгал бүрийн хурдны гогцоонуудын гаралтыг харьцуулж үзэхэд сүүлийн дөрвөн эргэлтийн үр дүн яг ижил байгаа нь тогтвортой байдалд хүрсэнийг харуулж байна.Нэмэлт эргэлтүүд нь дунд хурдны контурыг сайжруулаагүй.
Цагийн алхамыг эргэлтийн хурд, 3 эрг / мин буюу 4 эрг / мин-тэй уялдуулан тодорхойлно.Хугацааны алхам нь холигчийг 0.5 ° эргүүлэхэд шаардагдах хугацаа хүртэл боловсронгуй болсон.Өмнөх хэсэгт дурдсанчлан шийдэл нь амархан нийлдэг тул энэ нь хангалттай юм.Ийнхүү турбулентийн хоёр загварын бүх тоон тооцоог 3 эрг/мин, 0,0208 \(\stackrel{\mathrm{-}-ийн хувьд 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) өөрчлөгдсөн хугацааны алхмыг ашиглан хийсэн. {3}\) 4 эрг/мин.Сайжруулах хугацааны өгөгдсөн алхамын хувьд нүдний Courant тоо үргэлж 1.0-ээс бага байна.
Загвар торон хамаарлыг судлахын тулд эхлээд анхны 2.14M тор, дараа нь цэвэршүүлсэн 2.88M тор ашиглан үр дүнг олж авсан.Холигч биеийн эсийн хэмжээг 9 × \({10}^{-3}\) м-ээс 7 × \({10}^{-3}\) м болгон багасгах замаар сүлжээг сайжруулна.Турбулентийн хоёр загварын анхны болон цэвэршүүлсэн торны хувьд ирний эргэн тойрон дахь өөр өөр газар дахь хурдны модулиудын дундаж утгыг харьцуулсан болно.Үр дүнгийн хоорондох хувийн зөрүү нь SST k–ω загварт 1.73%, IDDES загварт 3.51% байна.IDDES нь эрлийз RANS-LES загвар учраас илүү өндөр хувийн зөрүүг харуулж байна.Эдгээр ялгааг ач холбогдолгүй гэж үзсэн тул симуляцийг 2.14 сая элементтэй, 0.5 ° эргэлтийн хугацааны алхам бүхий анхны тор ашиглан гүйцэтгэсэн.
Туршилтын үр дүнгийн давтагдах чадварыг зургаан туршилт тус бүрийг хоёр дахь удаагаа хийж, үр дүнг харьцуулан шалгасан.Хоёр цуврал туршилтаар ирний төв дэх хурдны утгыг харьцуул.Туршилтын хоёр бүлгийн хоорондох дундаж хувийн зөрүү 3.1% байв.PIV системийг туршилт бүрт бие даан дахин тохируулсан.Ир тус бүрийн төвд аналитик тооцоолсон хурдыг ижил байрлал дахь PIV хурдтай харьцуул.Энэ харьцуулалт нь ир 1-ийн хувьд хамгийн ихдээ 6.5% алдаатай зөрүүг харуулж байна.
Гулсалтын хүчин зүйлийг тооцоолохын өмнө сэлүүртэй флокулаторын гулсалтын тухай ойлголтыг шинжлэх ухааны үндэслэлтэй ойлгох шаардлагатай бөгөөд энэ нь флоккуляторын сэлүүр орчмын урсгалын бүтцийг судлах шаардлагатай болдог.Үзэл баримтлалын хувьд гулсалтын коэффициентийг сэлүүртэй флокулаторуудын загварт устай харьцуулахад ирний хурдыг харгалзан үздэг.Уран зохиолд энэ хурд нь хутганы хурдны 75% байх ёстой гэж зөвлөдөг тул ихэнх загварууд энэ тохируулгыг тооцоолохын тулд ихэвчлэн 0.25-ийн ak-г ашигладаг.Энэ нь урсгалын хурдны талбарыг бүрэн ойлгож, энэ гулсалтыг судлахын тулд PIV туршилтаас гаргаж авсан хурдны шугамыг ашиглахыг шаарддаг.1-р ир нь тэнхлэгт хамгийн ойр байгаа хамгийн дотоод ир, 3-р ир нь хамгийн гадна талын ир, 2-р ир нь дунд ир юм.
1-р ир дээрх хурдны шугамууд нь хутганы эргэн тойронд шууд эргэлддэг урсгалыг харуулж байна.Эдгээр урсгалын хэв маяг нь ирний баруун талд, ротор ба хутганы хоорондох цэгээс үүсдэг.Зураг 4а дээрх улаан тасархай хайрцгаар заасан хэсгийг харахад ирний дээгүүр болон эргэн тойрон дахь эргэлтийн урсгалын өөр нэг талыг тодорхойлох нь сонирхолтой юм.Урсгалын дүрслэл нь эргэлтийн бүсэд бага хэмжээний урсгалыг харуулдаг.Энэ урсгал нь ирний баруун талаас ирний үзүүрээс ойролцоогоор 6 см өндөрт ойртож байгаа нь зурган дээр харагдаж байгаа ирний өмнөх гарын эхний ирний нөлөөллөөс үүдэлтэй байж магадгүй юм.4 эрг/мин хурдтай урсгалын дүрслэл нь өндөр хурдтай адил зан төлөв, бүтцийг харуулдаг.
3 эрг / мин ба 4 эрг / мин хоёр эргэлтийн хурдтай гурван ирний хурдны талбар ба гүйдлийн графикууд.Гурван ирний хамгийн дээд дундаж хурд нь 3 эрг/мин-д 0,15 м/с, 0,20 м/с, 0,16 м/с, 4 эрг/минд хамгийн их дундаж хурд нь 0,15 м/с, 0,22 м/с, 0,22 м/с байна. s, тус тус.гурван хуудсан дээр.
1 ба 2-р далавчны хооронд мушгиа урсгалын өөр нэг хэлбэр олдсон. Векторын талбар нь векторын чиглэлийн дагуу усны урсгал 2-р сэнсний ёроолоос дээш хөдөлж байгааг тодорхой харуулж байна.4б-р зурагт тасархай хайрцгаар харуулсанчлан эдгээр векторууд ирний гадаргуугаас босоо тэнхлэгт дээшлэхгүй, харин баруун тийш эргэж, аажмаар доошилдог.Хутга 1-ийн гадаргуу дээр доош чиглэсэн векторууд ялгагдана, тэдгээр нь хоёр ир рүү ойртож, тэдгээрийн хооронд үүссэн эргэлтийн урсгалаас тэдгээрийг хүрээлдэг.Ижил урсгалын бүтцийг 4 эрг / мин илүү хурдтай эргэлтийн хурдаар тодорхойлсон.
Хутга 3-ын хурдны талбар нь 3-р ирний доорхи урсгалтай нэгдэх өмнөх ирний хурдны вектороос ихээхэн хувь нэмэр оруулдаггүй. 3-р ирний доорхи гол урсгал нь босоо хурдны вектор устай хамт өсөж байгаатай холбоотой юм.
3-р ирний гадаргуу дээрх хурдны векторуудыг 4в-р зурагт үзүүлснээр гурван бүлэгт хувааж болно.Эхний багц нь ирний баруун ирмэг дээр байрладаг.Энэ байрлал дахь урсгалын бүтэц нь баруун ба дээшээ шулуун байна (өөрөөр хэлбэл ир 2 руу).Хоёр дахь бүлэг нь ирний дунд хэсэг юм.Энэ байрлалын хурдны вектор нь ямар ч хазайлт, эргэлтгүйгээр шууд дээшээ чиглэнэ.Хурдны утгын бууралтыг ирний төгсгөлөөс дээш өндрийн өсөлтөөр тодорхойлно.Хутганы зүүн захад байрлах гурав дахь бүлгийн хувьд урсгал нь нэн даруй зүүн тийш, өөрөөр хэлбэл флоккулаторын хананд чиглэнэ.Хурдны вектороор дүрслэгдсэн урсгалын ихэнх хэсэг нь дээшээ, урсгалын нэг хэсэг нь хэвтээ байдлаар доошилно.
Хутганы дундаж уртын хавтгайд 3 эрг/мин ба 4 эр/мин хурдны дундаж үзүүлэлтийг бүтээхэд SST k–ω ба IDDES гэсэн хоёр турбулент загварыг ашигласан.5-р зурагт үзүүлснээр, дараалсан дөрвөн эргэлтээр үүссэн хурдны контурын хооронд үнэмлэхүй ижил төстэй байдлыг бий болгосноор тогтвортой төлөвт хүрнэ.Түүнчлэн, IDDES-ийн үүсгэсэн хугацааны дундаж хурдны контурыг Зураг 6а-д үзүүлсэн бол SST k – ω-ийн үүсгэсэн хугацааны дундаж хурдны профайлыг Зураг 6а-д үзүүлэв.6б.
IDDES болон SST k–ω-ээр үүсгэгдсэн хугацааны дундаж хурдны гогцоонуудыг ашигласнаар IDDES нь хурдны гогцоонуудын эзлэх хувь өндөр байна.
7-р зурагт үзүүлсэн шиг IDDES-ээр 3 эрг/мин хурдтайгаар үүсгэсэн хурдны профайлыг сайтар шалгана уу. Холигч нь цагийн зүүний дагуу эргэлдэж, урсгалыг харуулсан тэмдэглэлийн дагуу хэлэлцэнэ.
Зураг дээр.7-аас харахад I квадрат дахь ир 3-ийн гадаргуу дээр дээд нүх байгаа тул урсгал нь хязгаарлагдахгүй тул урсгалын тусгаарлалт байгааг харж болно.II квадратад урсгал нь флоккуляторын ханаар бүрэн хязгаарлагддаг тул урсгалын тусгаарлалт ажиглагддаггүй.III квадратад ус өмнөх квадрантуудаас хамаагүй бага эсвэл бага хурдтайгаар эргэлддэг.I ба II квадрантад байгаа ус нь холигчийн үйлдлээр доошоо хөдөлдөг (өөрөөр хэлбэл эргүүлэх эсвэл гадагшлуулах).Мөн III квадратад усыг хутгагчийн ирээр шахаж гаргадаг.Энэ газар дахь усны масс ойртож буй флокуляторын ханцуйг эсэргүүцэх нь илт байна.Энэ квадрат дахь эргэлтийн урсгал нь бүрэн тусгаарлагдсан байна.IV квадратын хувьд 3-р сэнсний дээрх агаарын урсгалын ихэнх хэсэг нь флоккуляторын хана руу чиглэж, дээд нээлхий хүртэл өндөр нэмэгдэх тусам аажмаар хэмжээ нь алдагддаг.
Нэмж дурдахад, төвийн байршил нь цэнхэр тасархай эллипсээр харуулсан шиг III ба IV квадрантад давамгайлж буй нарийн төвөгтэй урсгалын хэв маягийг агуулдаг.Эргэлтийн хөдөлгөөнийг тодорхойлох боломжтой тул энэ тэмдэглэгдсэн хэсэг нь сэлүүрт флокулатор дахь эргэлдэх урсгалтай ямар ч холбоогүй юм.Энэ нь дотоод урсгал ба бүрэн эргэлтийн урсгалын хооронд тодорхой тусгаарлагдсан I ба II квадратуудаас ялгаатай юм.
Зурагт үзүүлсэн шиг.6, IDDES ба SST k-ω-ийн үр дүнг харьцуулж үзвэл хурдны контурын гол ялгаа нь 3-р ирээс шууд доорх хурдны хэмжээ юм. SST k-ω загвар нь өргөтгөсөн өндөр хурдны урсгалыг 3-р ирээр дамжуулж байгааг тодорхой харуулж байна. IDDES-тэй харьцуулахад.
Өөр нэг ялгааг III квадратаас олж болно.IDDES-ээс өмнө дурьдсанчлан флоккуляторын гар хоорондын эргэлтийн урсгалын тусгаарлалтыг тэмдэглэв.Гэсэн хэдий ч, энэ байрлал нь булангаас бага хурдтай урсгал болон эхний ирний дотор талд хүчтэй нөлөөлдөг.Ижил байршлын хувьд SST k–ω-аас контурын шугамууд нь IDDES-тэй харьцуулахад харьцангуй өндөр хурдыг харуулж байна, учир нь бусад бүс нутгаас нийлсэн урсгал байхгүй.
Урсгалын төлөв байдал, бүтцийг зөв ойлгохын тулд хурдны векторын талбар ба шугамын чанарын талаархи ойлголт шаардлагатай.Ир бүр нь 5 см өргөнтэй тул хурдны профайлыг төлөөлөхийн тулд өргөний дагуу долоон хурдны цэгийг сонгосон.Нэмж дурдахад, хутганы гадаргуу тус бүр дээр хурдны профайлыг шууд зурж, босоо тэнхлэгээс 10 см хүртэл 2.5 см-ийн тасралтгүй зайд зурах замаар хутганы гадаргуугаас дээш өндрөөс хамаарч хурдны хэмжээг тоон байдлаар ойлгох шаардлагатай.Дэлгэрэнгүй мэдээллийг зураг дээрх S1, S2, S3-аас үзнэ үү.Хавсралт A. Зураг 8-д PIV туршилт, IDDES болон SST k-ω ашиглан ANSYS-Fluent шинжилгээ ашиглан олж авсан ир бүрийн гадаргуугийн хурдны тархалтын ижил төстэй байдлыг (Y = 0.0) харуулав.Хоёр тоон загвар нь флоккулаторын ирний гадаргуу дээрх урсгалын бүтцийг үнэн зөв дуурайлган хийх боломжийг олгодог.
Хутганы гадаргуу дээрх PIV, IDDES ба SST k–ω хурдны хуваарилалт.X тэнхлэг нь хуудас бүрийн өргөнийг миллиметрээр илэрхийлдэг бөгөөд гарал үүсэл (0 мм) нь хуудасны зүүн захыг, төгсгөл (50 мм) нь хуудасны баруун захыг илэрхийлнэ.
2 ба 3-р ирний хурдны хуваарилалтыг 8-р зураг, 8-р зурагт үзүүлсэн нь тодорхой харагдаж байна.Хавсралт А дахь S2 ба S3 нь өндөртэй төстэй чиг хандлагыг харуулж байгаа бол ир 1 нь бие даасан байдлаар өөрчлөгддөг.2 ба 3-р ирний хурдны профиль нь төгс шулуун болж, ирний төгсгөлөөс 10 см өндөрт ижил далайцтай байна.Энэ нь энэ үед урсгал жигд болно гэсэн үг юм.Энэ нь IDDES-ээр сайн хуулбарлагдсан PIV үр дүнгээс тодорхой харагдаж байна.Үүний зэрэгцээ, SST k–ω үр дүн нь зарим ялгааг харуулж байна, ялангуяа 4 эрг / мин.
Холигчны төвд үүссэн эргүүлэг нь бүх гарны эхний ирийг агуулж байгаа тул 1-р ир нь бүх байрлалд хурдны профайлын ижил хэлбэрийг хадгалж, өндрийг нь хэвийн болгодоггүй гэдгийг анхаарах нь чухал юм.Түүнчлэн, IDDES-тэй харьцуулахад PIV ирний хурдны профайл 2 ба 3 нь ирний гадаргуугаас бараг 10 см өндөрт тэнцүү байх хүртэл ихэнх байршилд бага зэрэг өндөр хурдны утгыг харуулсан.
Шуудангийн цаг: 2022 оны 12-р сарын 27