Gràcies per visitar Nature.com.Esteu utilitzant una versió del navegador amb suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).A més, per garantir un suport permanent, mostrem el lloc sense estils ni JavaScript.
El tipus 316Ti (UNS 31635) és un acer inoxidable austenític crom-níquel estabilitzat amb titani que conté molibdè.Aquesta addició augmenta la resistència a la corrosió, millora la resistència a les solucions d'ions de clorur i proporciona una major resistència a temperatures elevades.Les propietats són similars a les del tipus 316 excepte que el 316Ti a causa de la seva addició de titani es pot utilitzar a temperatures de sensibilització elevades.Es millora la resistència a la corrosió, especialment contra els àcids sulfúric, clorhídric, acètic, fòrmic i tartàric, els sulfats àcids i els clorurs alcalins.
Composició química:
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo |
| ≤ 0,08 | ≤ 1,0 | ≤ 2,0 | ≤ 0,045 | ≤ 0,03 | 16.0 - 18.0 | 10.0 - 14.0 | 2,0 - 3,0 |
Propietats: Recuit：
Resistència a la tracció màxima: 75 KSI min (515 MPa min)
Resistència de rendiment: (0,2% de compensació) 30 KSI min (205 MPa min)
Elongació: 40% min
Duresa: Rb 95 màx
Controls lliscants que mostren tres articles per diapositiva.Utilitzeu els botons enrere i següent per moure's per les diapositives, o els botons del controlador de diapositives al final per moure's per cada diapositiva.
En aquest estudi, la hidrodinàmica de la floculació s'avalua mitjançant la investigació experimental i numèrica del camp de velocitat de flux turbulent en un floculador de pales a escala de laboratori.El flux turbulent que promou l'agregació de partícules o la ruptura del floc és complex i es considera i es compara en aquest article mitjançant dos models de turbulència, a saber, SST k-ω i IDDES.Els resultats mostren que IDDES proporciona una millora molt petita respecte a SST k-ω, que és suficient per simular amb precisió el flux dins d'un floculador de paletes.La puntuació d'ajust s'utilitza per investigar la convergència dels resultats de PIV i CFD i per comparar els resultats del model de turbulència CFD utilitzat.L'estudi també se centra a quantificar el factor de lliscament k, que és de 0,18 a velocitats baixes de 3 i 4 rpm en comparació amb el valor típic habitual de 0,25.Disminuir k de 0,25 a 0,18 augmenta la potència lliurada al fluid en un 27-30% aproximadament i augmenta el gradient de velocitat (G) en un 14%.Això vol dir que es proporciona més agitació de l'esperada, per tant es consumeix menys energia i, per tant, el consum d'energia a la unitat de floculació de la depuradora d'aigua potable pot ser menor.
En la purificació d'aigua, l'addició de coagulants desestabilitza petites partícules col·loïdals i impureses, que després es combinen per formar floculació en l'etapa de floculació.Els flocs són agregats fractals de massa lligats sense problemes, que després s'eliminen per sedimentació.Les propietats de les partícules i les condicions de mescla líquida determinen l'eficiència del procés de floculació i tractament.La floculació requereix una agitació lenta durant un període de temps relativament curt i molta energia per agitar grans volums d'aigua1.
Durant la floculació, la hidrodinàmica de tot el sistema i la química de la interacció coagulant-partícula determinen la velocitat a la qual s'aconsegueix una distribució estacionària de la mida de les partícules2.Quan les partícules xoquen, s'enganxen entre elles3.Oyegbile, Ay4 va informar que les col·lisions depenen dels mecanismes de transport de floculació de la difusió browniana, el cisallament del fluid i la sedimentació diferencial.Quan els flocs xoquen, creixen i assoleixen un cert límit de mida, que pot provocar trencaments, ja que els flocs no poden suportar la força de les forces hidrodinàmiques5.Alguns d'aquests flocs trencats es recombinen en altres més petits o de la mateixa mida6.Tanmateix, els flocs forts poden resistir aquesta força i mantenir la seva mida i fins i tot créixer7.Yukselen i Gregory8 van informar sobre estudis relacionats amb la destrucció de flocs i la seva capacitat de regeneració, demostrant que la irreversibilitat és limitada.Bridgeman, Jefferson9 va utilitzar CFD per estimar la influència local del flux mitjà i la turbulència en la formació i fragmentació de flocs mitjançant gradients de velocitat locals.En els dipòsits equipats amb pales de rotor, cal variar la velocitat amb què els àrids xoquen amb altres partícules quan estan prou desestabilitzats en la fase de coagulació.Mitjançant l'ús de CFD i velocitats de rotació inferiors d'unes 15 rpm, Vadasarukkai i Gagnon11 van poder aconseguir el valor G per a la floculació de la paleta cònica, minimitzant així el consum d'energia per a l'agitació.Tanmateix, el funcionament a valors G més alts pot provocar floculació.Van investigar l'efecte de la velocitat de barreja en la determinació del gradient de velocitat mitjà d'un floculador de paleta pilot.Giren a una velocitat de més de 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 va utilitzar quatre models de turbulència diferents per estudiar el camp de flux en un banc de proves de tancs.Van mesurar el camp de flux amb un anemòmetre làser Doppler i PIV i van comparar els resultats calculats amb els resultats mesurats.de Oliveira i Donadel13 han proposat un mètode alternatiu per estimar gradients de velocitat a partir de propietats hidrodinàmiques mitjançant CFD.El mètode proposat es va provar en sis unitats de floculació basades en geometria helicoïdal.va avaluar l'efecte del temps de retenció sobre els floculants i va proposar un model de floculació que es pot utilitzar com a eina per donar suport al disseny de cèl·lules racionals amb temps de retenció baixos14.Zhan, You15 va proposar un model combinat de CFD i balanç de població per simular les característiques del flux i el comportament del floc en la floculació a gran escala.Llano-Serna, Coral-Portillo16 va investigar les característiques de flux d'un hidrofloculador tipus Cox en una planta de tractament d'aigua a Viterbo, Colòmbia.Tot i que el CFD té els seus avantatges, també hi ha limitacions com ara errors numèrics en els càlculs.Per tant, els resultats numèrics obtinguts s'han d'examinar i analitzar acuradament per tal d'extreure conclusions crítiques17.Hi ha pocs estudis a la literatura sobre el disseny de floculadors deflectors horitzontals, mentre que les recomanacions per al disseny de floculadors hidrodinàmics són limitades18.Chen, Liao19 va utilitzar una configuració experimental basada en la dispersió de la llum polaritzada per mesurar l'estat de polarització de la llum dispersa de partícules individuals.Feng, Zhang20 va utilitzar Ansys-Fluent per simular la distribució de corrents de Foucault i remolí en el camp de flux d'un floculador de plaques coagulades i un floculador intercorrugat.Després de simular el flux de fluids turbulents en un floculador mitjançant Ansys-Fluent, Gavi21 va utilitzar els resultats per dissenyar el floculador.Vaneli i Teixeira22 van informar que la relació entre la dinàmica de fluids dels floculadors de tubs espirals i el procés de floculació encara s'entén poc per donar suport a un disseny racional.de Oliveira i Costa Teixeira23 van estudiar l'eficiència i van demostrar les propietats hidrodinàmiques del floculador de tub espiral mitjançant experiments de física i simulacions CFD.Molts investigadors han estudiat reactors de tubs enrotllats o floculadors de tubs espirals.Tanmateix, encara falta informació hidrodinàmica detallada sobre la resposta d'aquests reactors a diferents dissenys i condicions de funcionament (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira i Teixeira26 presenten resultats originals de simulacions teòriques, experimentals i CFD d'un floculador espiral.Oliveira i Teixeira27 van proposar utilitzar una bobina espiral com a reactor de coagulació-floculació en combinació amb un sistema decantador convencional.Informen que els resultats obtinguts per a l'eficiència d'eliminació de la terbolesa són significativament diferents dels obtinguts amb els models d'ús habitual per avaluar la floculació, cosa que suggereix precaució quan s'utilitzen aquests models.Moruzzi i de Oliveira [28] van modelar el comportament d'un sistema de cambres de floculació contínua sota diverses condicions de funcionament, incloent variacions en el nombre de cambres utilitzades i l'ús de gradients de velocitat cel·lulars fixos o escalats.Romphophak, Le Men29 Mesures PIV de velocitats instantànies en netejadors de raig quasi bidimensionals.Van trobar una forta circulació induïda per raigs a la zona de floculació i van estimar les taxes de cisalla local i instantània.
Shah, Joshi30 informa que CFD ofereix una alternativa interessant per millorar els dissenys i obtenir característiques de flux virtual.Això ajuda a evitar configuracions experimentals extenses.El CFD s'utilitza cada cop més per analitzar les plantes de tractament d'aigües i aigües residuals (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Diversos investigadors han realitzat experiments amb equips de prova de llaunes (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) i floculadors de disc perforat31.Altres han utilitzat CFD per avaluar hidrofloculadors (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 va informar que els floculadors mecànics requereixen un manteniment regular, ja que sovint es descomponen i requereixen molta electricitat.
El rendiment d'un floculador de pales depèn molt de la hidrodinàmica del dipòsit.La manca de comprensió quantitativa dels camps de velocitat de flux en aquests floculadors es nota clarament a la literatura (Howe, Hand38; Hendricks39).Tota la massa d'aigua està subjecta al moviment de l'impulsor del floculador, per la qual cosa s'espera un lliscament.Normalment, la velocitat del fluid és menor que la velocitat de la pala pel factor de lliscament k, que es defineix com la relació entre la velocitat de la massa d'aigua i la velocitat de la roda de pales.Bhole40 va informar que hi ha tres factors desconeguts a tenir en compte a l'hora de dissenyar un floculador, és a dir, el gradient de velocitat, el coeficient d'arrossegament i la velocitat relativa de l'aigua en relació a la pala.
Camp41 informa que quan es consideren màquines d'alta velocitat, la velocitat és al voltant del 24% de la velocitat del rotor i fins al 32% per a màquines de baixa velocitat.En absència de septes, Droste i Ger42 van utilitzar un valor d'ak de 0,25, mentre que en el cas dels septes, k va oscil·lar entre 0 i 0,15.Howe, Hand38 suggereix que k està en el rang de 0,2 a 0,3.Hendrix39 va relacionar el factor de lliscament amb la velocitat de rotació mitjançant una fórmula empírica i va concloure que el factor de lliscament també estava dins del rang establert per Camp41.Bratby43 va informar que k és d'aproximadament 0,2 per a velocitats de l'impulsor d'1,8 a 5,4 rpm i augmenta a 0,35 per a velocitats de l'impulsor de 0,9 a 3 rpm.Altres investigadors informen d'una àmplia gamma de valors del coeficient d'arrossegament (Cd) d'1,0 a 1,8 i valors del coeficient de lliscament k de 0,25 a 0,40 (Feir i Geyer44; Hyde i Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; i Bratby i Marais48; ).La literatura no mostra progressos significatius en la definició i quantificació de k des del treball de Camp41.
El procés de floculació es basa en la turbulència per facilitar les col·lisions, on el gradient de velocitat (G) s'utilitza per mesurar la turbulència/floculació.La mescla és el procés de dispersió ràpida i uniforme de productes químics a l'aigua.El grau de mescla es mesura pel gradient de velocitat:
on G = gradient de velocitat (sec-1), P = potència d'entrada (W), V = volum d'aigua (m3), μ = viscositat dinàmica (Pa s).
Com més alt sigui el valor G, més barreja.La barreja a fons és essencial per garantir una coagulació uniforme.La literatura indica que els paràmetres de disseny més importants són el temps de barreja (t) i el gradient de velocitat (G).El procés de floculació es basa en la turbulència per facilitar les col·lisions, on el gradient de velocitat (G) s'utilitza per mesurar la turbulència/floculació.Els valors típics de disseny per a G són de 20 a 70 s–1, t és de 15 a 30 minuts i Gt (adimensional) és de 104 a 105. Els tancs de mescla ràpida funcionen millor amb valors G de 700 a 1000, amb temps d'estada. uns 2 minuts.
on P és la potència impartida al líquid per cada pala del floculador, N és la velocitat de rotació, b és la longitud de la paleta, ρ és la densitat de l'aigua, r és el radi i k és el coeficient de lliscament.Aquesta equació s'aplica a cada fulla individualment i els resultats es sumen per donar la potència total d'entrada del floculador.Un estudi acurat d'aquesta equació mostra la importància del factor de lliscament k en el procés de disseny d'un floculador de pales.La literatura no indica el valor exacte de k, sinó que recomana un interval com s'ha dit anteriorment.Tanmateix, la relació entre la potència P i el coeficient de lliscament k és cúbica.Així, sempre que tots els paràmetres siguin iguals, per exemple, canviar k de 0,25 a 0,3 comportarà una disminució de la potència transmesa al fluid per pala en un 20%, i reduir k de 0,25 a 0,18 l'augmentarà.en un 27-30% per paleta La potència impartida al fluid.En última instància, s'ha d'investigar l'efecte de k en el disseny sostenible del floculador de pales mitjançant la quantificació tècnica.
La quantificació empírica precisa del lliscament requereix visualització i simulació del flux.Per tant, és important descriure la velocitat tangencial de la pala a l'aigua a una determinada velocitat de rotació a diferents distàncies radials de l'eix i a diferents profunditats de la superfície de l'aigua per avaluar l'efecte de les diferents posicions de la paleta.
En aquest estudi, la hidrodinàmica de la floculació s'avalua mitjançant la investigació experimental i numèrica del camp de velocitat de flux turbulent en un floculador de pales a escala de laboratori.Les mesures de PIV es registren al floculador, creant contorns de velocitat mitjana en el temps que mostren la velocitat de les partícules d'aigua al voltant de les fulles.A més, es va utilitzar ANSYS-Fluent CFD per simular el flux remolí dins del floculador i crear contorns de velocitat mitjana en el temps.El model de CFD resultant es va confirmar mitjançant l'avaluació de la correspondència entre els resultats de PIV i CFD.El focus d'aquest treball és quantificar el coeficient de lliscament k, que és un paràmetre de disseny adimensional d'un floculador de pales.El treball aquí presentat proporciona una nova base per quantificar el coeficient de lliscament k a velocitats baixes de 3 rpm i 4 rpm.Les implicacions dels resultats contribueixen directament a una millor comprensió de la hidrodinàmica del dipòsit de floculació.
El floculador de laboratori consta d'una caixa rectangular oberta amb una alçada total de 147 cm, una alçada de 39 cm, una amplada total de 118 cm i una longitud total de 138 cm (Fig. 1).Els principals criteris de disseny desenvolupats per Camp49 s'han utilitzat per dissenyar un floculador de pales a escala de laboratori i aplicar els principis de l'anàlisi dimensional.La instal·lació experimental es va construir al Laboratori d'Enginyeria Ambiental de la Universitat Americana Libanesa (Byblos, Líban).
L'eix horitzontal està situat a una alçada de 60 cm des de la part inferior i acull dues rodes de pales.Cada roda de pales consta de 4 pales amb 3 pales a cada paleta per a un total de 12 pales.La floculació requereix una suau agitació a una velocitat baixa de 2 a 6 rpm.Les velocitats de mescla més habituals als floculadors són 3 rpm i 4 rpm.El flux del floculador a escala de laboratori està dissenyat per representar el flux al compartiment del dipòsit de floculació d'una planta de tractament d'aigua potable.La potència es calcula mitjançant l'equació tradicional 42 .Per a ambdues velocitats de rotació, el gradient de velocitat \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) és superior a 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , el nombre de Reynolds indica un flux turbulent (taula 1).
El PIV s'utilitza per aconseguir mesures precises i quantitatives de vectors de velocitat del fluid simultàniament en un nombre molt gran de punts50.La configuració experimental incloïa un floculador de pales a escala de laboratori, un sistema LaVision PIV (2017) i un disparador de sensor làser extern Arduino.Per crear perfils de velocitat mitjana en el temps, les imatges PIV es van gravar seqüencialment a la mateixa ubicació.El sistema PIV està calibrat de manera que l'àrea objectiu es troba al punt mitjà de la longitud de cadascuna de les tres fulles d'un braç de paleta particular.El disparador extern consisteix en un làser situat a un costat de l'amplada del floculador i un receptor del sensor a l'altre costat.Cada vegada que el braç floculador bloqueja el camí del làser, s'envia un senyal al sistema PIV per capturar una imatge amb el làser PIV i la càmera sincronitzada amb una unitat de cronometratge programable.A la fig.La figura 2 mostra la instal·lació del sistema PIV i el procés d'adquisició d'imatges.
L'enregistrament de PIV es va iniciar després que el floculador s'hagués operat durant 5-10 min per normalitzar el flux i tenir en compte el mateix camp d'índex de refracció.El calibratge s'aconsegueix utilitzant una placa de calibratge immersa al floculador i col·locada al punt mitjà de la longitud de la fulla d'interès.Ajusteu la posició del làser PIV per formar una làmina de llum plana directament sobre la placa de calibratge.Anoteu els valors mesurats per a cada velocitat de rotació de cada fulla, i les velocitats de rotació escollides per a l'experiment són 3 rpm i 4 rpm.
Per a tots els enregistraments PIV, l'interval de temps entre dos polsos làser es va establir en el rang de 6900 a 7700 µs, la qual cosa va permetre un desplaçament mínim de partícules de 5 píxels.Es van realitzar proves pilot sobre el nombre d'imatges necessàries per obtenir mesures precises de mitjana temporal.Es van comparar les estadístiques vectorials per a mostres que contenien 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 i 280 imatges.Es va trobar que una mida de mostra de 240 imatges donava resultats estables amb una mitjana de temps donat que cada imatge consta de dos fotogrames.
Com que el flux al floculador és turbulent, es requereix una petita finestra d'interrogació i un gran nombre de partícules per resoldre petites estructures turbulentes.S'apliquen diverses iteracions de reducció de mida juntament amb un algorisme de correlació creuada per garantir la precisió.Una mida inicial de la finestra de sondeig de 48 × 48 píxels amb un 50% de solapament i un procés d'adaptació va ser seguida per una mida final de la finestra de sondeig de 32 × 32 píxels amb un 100% de solapament i dos processos d'adaptació.A més, es van utilitzar esferes buides de vidre com a partícules de llavors en el flux, la qual cosa va permetre almenys 10 partícules per finestra de votació.L'enregistrament PIV s'inicia per una font d'activació dins d'una unitat de temporització programable (PTU), que s'encarrega de fer funcionar i sincronitzar la font làser i la càmera.
El paquet comercial de CFD ANSYS Fluent v 19.1 es va utilitzar per desenvolupar el model 3D i resoldre les equacions de flux bàsiques.
Amb ANSYS-Fluent, es va crear un model 3D d'un floculador de pales a escala de laboratori.La maqueta està feta en forma de caixa rectangular, formada per dues rodes de pales muntades sobre un eix horitzontal, com el model de laboratori.El model sense francbord fa 108 cm d'alçada, 118 cm d'ample i 138 cm de llarg.S'ha afegit un pla cilíndric horitzontal al voltant del mesclador.La generació de pla cilíndric hauria d'implementar la rotació de tot el mesclador durant la fase d'instal·lació i simular el camp de flux giratori dins del floculador, tal com es mostra a la figura 3a.
Diagrama de geometria 3D ANSYS-fluent i model, malla del cos del floculador ANSYS-fluent al pla d'interès, diagrama ANSYS-fluent al pla d'interès.
La geometria del model consta de dues regions, cadascuna de les quals és un fluid.Això s'aconsegueix mitjançant la funció de resta lògica.Primer resteu el cilindre (inclòs el mesclador) de la caixa per representar el líquid.A continuació, resteu el mesclador del cilindre, donant com a resultat dos objectes: el mesclador i el líquid.Finalment, es va aplicar una interfície lliscant entre les dues àrees: una interfície cilindre-cilindre i una interfície cilindre-mesclador (Fig. 3a).
S'ha completat el mallat dels models construïts per satisfer els requisits dels models de turbulència que s'utilitzaran per executar les simulacions numèriques.Es va utilitzar una malla no estructurada amb capes expandides prop de la superfície sòlida.Creeu capes d'expansió per a totes les parets amb una taxa de creixement d'1,2 per garantir que es capturen patrons de flux complexos, amb un gruix de la primera capa de \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m per garantir que \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).La mida del cos s'ajusta mitjançant el mètode d'ajust tetraedre.Es crea una mida frontal de dues interfícies amb una mida d'element de 2,5 × \({10}^{-3}\) m i una mida frontal del mesclador de 9 × \({10}^{-3}\ ) s'aplica m.La malla generada inicial estava formada per 2144409 elements (Fig. 3b).
Es va triar un model de turbulència k–ε de dos paràmetres com a model base inicial.Per simular amb precisió el flux remolí dins del floculador, es va triar un model més car computacionalment.El flux turbulent de remolí dins del floculador es va investigar numèricament mitjançant dos models CFD: SST k–ω51 i IDDES52.Els resultats d'ambdós models es van comparar amb els resultats experimentals de PIV per validar els models.En primer lloc, el model de turbulència SST k-ω és un model de viscositat turbulenta de dues equacions per a aplicacions de dinàmica de fluids.Aquest és un model híbrid que combina els models k-ω i k-ε de Wilcox.La funció de mescla activa el model Wilcox a prop de la paret i el model k-ε al flux que s'acosta.Això assegura que s'utilitza el model correcte a tot el camp de flux.Prediu amb precisió la separació del flux a causa de gradients de pressió adversos.En segon lloc, es va seleccionar el mètode Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), molt utilitzat en el model Individual Eddy Simulation (DES) amb el model SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES és un model híbrid RANS-LES (simulació de grans remolins) que proporciona un model de simulació d'escala de resolució (SRS) més flexible i fàcil d'utilitzar.Es basa en el model LES per resoldre grans remolins i torna a SST k-ω per simular remolins a petita escala.Les anàlisis estadístiques dels resultats de les simulacions SST k–ω i IDDES es van comparar amb els resultats del PIV per validar el model.
Es va triar un model de turbulència k–ε de dos paràmetres com a model base inicial.Per simular amb precisió el flux remolí dins del floculador, es va triar un model més car computacionalment.El flux turbulent de remolí dins del floculador es va investigar numèricament mitjançant dos models CFD: SST k–ω51 i IDDES52.Els resultats d'ambdós models es van comparar amb els resultats experimentals de PIV per validar els models.En primer lloc, el model de turbulència SST k-ω és un model de viscositat turbulenta de dues equacions per a aplicacions de dinàmica de fluids.Aquest és un model híbrid que combina els models k-ω i k-ε de Wilcox.La funció de mescla activa el model Wilcox a prop de la paret i el model k-ε al flux que s'acosta.Això assegura que s'utilitza el model correcte a tot el camp de flux.Prediu amb precisió la separació del flux a causa de gradients de pressió adversos.En segon lloc, es va seleccionar el mètode Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), molt utilitzat en el model Individual Eddy Simulation (DES) amb el model SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES és un model híbrid RANS-LES (simulació de grans remolins) que proporciona un model de simulació d'escala de resolució (SRS) més flexible i fàcil d'utilitzar.Es basa en el model LES per resoldre grans remolins i torna a SST k-ω per simular remolins a petita escala.Les anàlisis estadístiques dels resultats de les simulacions SST k–ω i IDDES es van comparar amb els resultats del PIV per validar el model.
Utilitzeu un solucionador de transitori basat en la pressió i utilitzeu la gravetat en la direcció Y.La rotació s'aconsegueix assignant un moviment de malla al mesclador, on l'origen de l'eix de rotació es troba al centre de l'eix horitzontal i la direcció de l'eix de rotació és en la direcció Z.Es crea una interfície de malla per a ambdues interfícies de geometria del model, donant lloc a dues vores de quadre delimitador.Com en la tècnica experimental, la velocitat de gir correspon a 3 i 4 revolucions.
Les condicions límit per a les parets del mesclador i el floculador es van establir per la paret, i l'obertura superior del floculador es va establir per la sortida amb pressió manomètrica zero (Fig. 3c).Esquema SIMPLE de comunicació pressió-velocitat, discretització de l'espai de gradient de funcions de segon ordre amb tots els paràmetres basats en elements de mínims quadrats.El criteri de convergència per a totes les variables de flux és el residu escalat 1 x \({10}^{-3}\).El nombre màxim d'iteracions per pas de temps és de 20 i la mida del pas de temps correspon a una rotació de 0,5°.La solució convergeix a la 8a iteració per al model SST k–ω i a la 12a iteració utilitzant IDDES.A més, es va calcular el nombre de passos de temps de manera que el mesclador fes almenys 12 revolucions.Aplicar el mostreig de dades per a estadístiques de temps després de 3 rotacions, que permet normalitzar el flux, de manera similar al procediment experimental.La comparació de la sortida dels bucles de velocitat per a cada revolució dóna exactament els mateixos resultats per a les últimes quatre revolucions, indicant que s'ha assolit un estat estacionari.Les revolucions addicionals no van millorar els contorns de velocitat mitjana.
El pas de temps es defineix en relació a la velocitat de gir, 3 rpm o 4 rpm.El pas de temps es perfecciona al temps necessari per girar el mesclador 0,5 °.Això resulta ser suficient, ja que la solució convergeix fàcilment, tal com es descriu a l'apartat anterior.Així, tots els càlculs numèrics per als dos models de turbulència es van dur a terme utilitzant un pas de temps modificat de 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) per a 3 rpm, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.Per a un pas de temps de perfeccionament determinat, el nombre de Courant d'una cel·la és sempre inferior a 1,0.
Per explorar la dependència del model de la malla, primer es van obtenir resultats mitjançant la malla original de 2,14 M i després la malla refinada de 2,88 M.El refinament de la quadrícula s'aconsegueix reduint la mida de la cel·la del cos del mesclador de 9 × \({10}^{-3}\) m a 7 × \({10}^{-3}\) m.Per a les malles originals i refinades dels dos models de turbulència, es van comparar els valors mitjans dels mòduls de velocitat en diferents llocs al voltant de la pala.La diferència percentual entre els resultats és de l'1,73% per al model SST k–ω i del 3,51% per al model IDDES.IDDES mostra una diferència percentual més alta perquè és un model híbrid RANS-LES.Aquestes diferències es van considerar insignificants, de manera que la simulació es va realitzar utilitzant la malla original amb 2,14 milions d'elements i un pas de temps de rotació de 0,5°.
La reproductibilitat dels resultats experimentals es va examinar realitzant cadascun dels sis experiments una segona vegada i comparant els resultats.Compareu els valors de velocitat al centre de la fulla en dues sèries d'experiments.La diferència percentual mitjana entre els dos grups experimentals va ser del 3,1%.El sistema PIV també es va recalibrar de manera independent per a cada experiment.Compareu la velocitat calculada analíticament al centre de cada fulla amb la velocitat PIV a la mateixa ubicació.Aquesta comparació mostra la diferència amb un percentatge d'error màxim del 6,5% per a la fulla 1.
Abans de quantificar el factor de lliscament, cal entendre científicament el concepte de lliscament en un floculador de pales, que requereix estudiar l'estructura del flux al voltant de les pales del floculador.Conceptualment, el coeficient de lliscament està integrat en el disseny dels floculadors de pales per tenir en compte la velocitat de les pales respecte de l'aigua.La literatura recomana que aquesta velocitat sigui del 75% de la velocitat de la fulla, de manera que la majoria dels dissenys solen utilitzar ak de 0,25 per tenir en compte aquest ajust.Això requereix l'ús de línies de velocitat derivades dels experiments PIV per entendre completament el camp de velocitat de flux i estudiar aquest lliscament.La fulla 1 és la fulla més interna més propera a l'eix, la fulla 3 és la fulla més externa i la fulla 2 és la fulla mitjana.
Les línies de velocitat de la pala 1 mostren un flux giratori directe al voltant de la pala.Aquests patrons de flux emanen d'un punt del costat dret de la pala, entre el rotor i la pala.Mirant l'àrea indicada pel quadre de punts vermells de la figura 4a, és interessant identificar un altre aspecte del flux de recirculació per sobre i al voltant de la fulla.La visualització del flux mostra poc flux a la zona de recirculació.Aquest flux s'acosta des del costat dret de la fulla a una alçada d'uns 6 cm des de l'extrem de la fulla, possiblement per la influència de la primera fulla de la mà que precedeix la fulla, que és visible a la imatge.La visualització del flux a 4 rpm mostra el mateix comportament i estructura, aparentment amb velocitats més altes.
Camp de velocitat i gràfics de corrent de tres pales a dues velocitats de rotació de 3 rpm i 4 rpm.La velocitat mitjana màxima de les tres pales a 3 rpm és de 0,15 m/s, 0,20 m/s i 0,16 m/s respectivament, i la velocitat mitjana màxima a 4 rpm és de 0,15 m/s, 0,22 m/s i 0,22 m/s. s, respectivament.en tres fulls.
Es va trobar una altra forma de flux helicoïdal entre les paletes 1 i 2. El camp vectorial mostra clarament que el flux d'aigua es mou cap amunt des de la part inferior de la paleta 2, tal com indica la direcció del vector.Tal com mostra el quadre de punts de la figura 4b, aquests vectors no van verticalment cap amunt des de la superfície de la fulla, sinó que giren cap a la dreta i baixen gradualment.A la superfície de la pala 1 es distingeixen vectors descendents, que s'apropen a les dues pales i les envolten a partir del flux de recirculació format entre elles.La mateixa estructura de flux es va determinar a les dues velocitats de rotació amb una amplitud de velocitat més alta de 4 rpm.
El camp de velocitat de la pala 3 no fa una contribució significativa del vector velocitat de la pala anterior que s'uneix al flux per sota de la pala 3. El flux principal sota la pala 3 es deu al vector velocitat vertical que puja amb l'aigua.
Els vectors de velocitat sobre la superfície de la fulla 3 es poden dividir en tres grups, tal com es mostra a la figura 4c.El primer conjunt és el conjunt a la vora dreta de la fulla.L'estructura del flux en aquesta posició és recta cap a la dreta i cap amunt (és a dir, cap a la pala 2).El segon grup és el mig de la fulla.El vector velocitat per a aquesta posició es dirigeix recte cap amunt, sense cap desviació i sense rotació.La disminució del valor de la velocitat es va determinar amb un augment de l'alçada per sobre de l'extrem de la fulla.Per al tercer grup, situat a la perifèria esquerra de les pales, el flux es dirigeix immediatament cap a l'esquerra, és a dir, cap a la paret del floculador.La major part del flux representat pel vector velocitat puja, i una part del flux baixa horitzontalment.
Es van utilitzar dos models de turbulència, SST k–ω i IDDES, per construir perfils de velocitat mitjana en el temps per a 3 rpm i 4 rpm en el pla de longitud mitjana de la fulla.Com es mostra a la figura 5, l'estat estacionari s'aconsegueix aconseguint una similitud absoluta entre els contorns de velocitat creats per quatre rotacions successives.A més, els contorns de velocitat mitjana del temps generats per IDDES es mostren a la figura 6a, mentre que els perfils de velocitat mitjana del temps generats per SST k - ω es mostren a la figura 6a.6b.
Utilitzant IDDES i bucles de velocitat mitjana en el temps generats per SST k–ω, IDDES té una proporció més alta de bucles de velocitat.
Examineu acuradament el perfil de velocitat creat amb IDDES a 3 rpm tal com es mostra a la figura 7. El mesclador gira en el sentit de les agulles del rellotge i el flux es comenta segons les notes mostrades.
A la fig.A la figura 7 es pot observar que a la superfície de la pala 3 al quadrant I hi ha una separació del flux, ja que el flux no està restringit per la presència del forat superior.En el quadrant II no s'observa cap separació del flux, ja que el flux està totalment limitat per les parets del floculador.En el quadrant III, l'aigua gira a una velocitat molt menor o menor que en els quadrants anteriors.L'aigua dels quadrants I i II es mou (és a dir, gira o expulsa) cap avall per l'acció del mesclador.I al quadrant III, l'aigua és expulsada per les pales de l'agitador.És obvi que la massa d'aigua en aquest lloc resisteix l'aproximació de la màniga del floculador.El flux remolí en aquest quadrant està completament separat.Per al quadrant IV, la major part del flux d'aire per sobre de la paleta 3 es dirigeix cap a la paret del floculador i perd gradualment la seva mida a mesura que l'alçada augmenta fins a l'obertura superior.
A més, la ubicació central inclou patrons de flux complexos que dominen els quadrants III i IV, tal com mostren les el·lipses de punts blaus.Aquesta zona marcada no té res a veure amb el flux remolinat del floculador de paletes, ja que es pot identificar el moviment remolinat.Això contrasta amb els quadrants I i II on hi ha una clara separació entre el flux intern i el flux de rotació total.
Com es mostra a la fig.6, comparant els resultats d'IDDES i SST k-ω, la diferència principal entre els contorns de velocitat és la magnitud de la velocitat immediatament per sota de la fulla 3. El model SST k-ω mostra clarament que el flux estès d'alta velocitat és portat per la fulla 3. en comparació amb IDDES.
Una altra diferència es pot trobar al quadrant III.A partir de l'IDDES, com s'ha esmentat anteriorment, es va observar la separació del flux rotacional entre els braços del floculador.Tanmateix, aquesta posició es veu fortament afectada pel flux de baixa velocitat des de les cantonades i l'interior de la primera fulla.Des de SST k–ω per a la mateixa ubicació, les corbes de nivell mostren velocitats relativament més altes en comparació amb IDDES perquè no hi ha flux confluent d'altres regions.
Es requereix una comprensió qualitativa dels camps vectorials de velocitat i les línies de corrent per a una correcta comprensió del comportament i l'estructura del flux.Atès que cada fulla té 5 cm d'amplada, es van triar set punts de velocitat a l'amplada per proporcionar un perfil de velocitat representatiu.A més, es requereix una comprensió quantitativa de la magnitud de la velocitat en funció de l'alçada sobre la superfície de la fulla traçant el perfil de velocitat directament sobre cada superfície de la fulla i sobre una distància contínua de 2,5 cm verticalment fins a una alçada de 10 cm.Vegeu S1, S2 i S3 a la figura per obtenir més informació.Apèndix A. La figura 8 mostra la similitud de la distribució de velocitat superficial de cada pala (Y = 0,0) obtinguda mitjançant experiments PIV i anàlisi ANSYS-Fluent mitjançant IDDES i SST k-ω.Ambdós models numèrics permeten simular amb precisió l'estructura del flux a la superfície de les pales del floculador.
Distribucions de velocitat PIV, IDDES i SST k–ω a la superfície de la pala.L'eix X representa l'amplada de cada full en mil·límetres, amb l'origen (0 mm) que representa la perifèria esquerra de la làmina i l'extrem (50 mm) que representa la perifèria dreta de la làmina.
Es veu clarament que les distribucions de velocitat de les pales 2 i 3 es mostren a la Fig.8 i la Fig.8.S2 i S3 a l'apèndix A mostren tendències similars amb l'alçada, mentre que la fulla 1 canvia de manera independent.Els perfils de velocitat de les pales 2 i 3 es tornen perfectament rectes i tenen la mateixa amplitud a una alçada de 10 cm des de l'extrem de la fulla.Això vol dir que el flux es torna uniforme en aquest punt.Això es veu clarament a partir dels resultats del PIV, que estan ben reproduïts per IDDES.Mentrestant, els resultats de SST k–ω mostren algunes diferències, especialment a 4 rpm.
És important tenir en compte que la pala 1 conserva la mateixa forma del perfil de velocitat en totes les posicions i no es normalitza en alçada, ja que el remolí format al centre del mesclador conté la primera fulla de tots els braços.A més, en comparació amb IDDES, els perfils de velocitat de la fulla PIV 2 i 3 van mostrar valors de velocitat lleugerament més alts a la majoria d'ubicacions fins que eren gairebé iguals a 10 cm per sobre de la superfície de la fulla.
Hora de publicació: 26-feb-2023