Grazie per visità Nature.com.Aduprate una versione di navigatore cù supportu CSS limitatu.Per a megliu sperienza, ricumandemu chì utilizate un navigatore aghjurnatu (o disattivà u Modu di Compatibilità in Internet Explorer).Inoltre, per assicurà un supportu continuu, mostramu u situ senza stili è JavaScript.
Mostra un carrusel di trè diapositive à una volta.Aduprate i buttoni Previous è Next per passà per trè slides à un tempu, o utilizate i buttoni slider à a fine per passà trè slides à u tempu.
In questu studiu, l'idrodinamica di a floculazione hè valutata da l'investigazione sperimentale è numerica di u campu di velocità di flussu turbulente in un flocculatore à pale à scala di laboratoriu.Le flux turbulent qui favorise l'agrégation des particules ou la rupture du floc est complexe et est considéré et comparé dans cet article à l'aide de deux modèles de turbulence, à savoir SST k-ω et IDDES.Les résultats montrent que l'IDDES fournit une très petite amélioration par rapport à SST k-ω, qui est suffisante pour simuler avec précision l'écoulement dans un floculateur à pales.U fit score hè utilizatu per investigà a cunvergenza di i risultati PIV è CFD, è per paragunà i risultati di u mudellu di turbulenza CFD utilizatu.U studiu si focalizeghja ancu nantu à quantificà u fattore di slip k, chì hè 0,18 à bassa velocità di 3 è 4 rpm cumparatu cù u valore tipicu di solitu di 0,25.A diminuzione di k da 0,25 à 0,18 aumenta a putenza furnita à u fluidu da circa 27-30% è aumenta u gradiente di velocità (G) da circa 14%.Questu significa chì u mischju più intensivu hè ottinutu di l'aspittatu, per quessa hè cunsumata menu energia, è dunque u cunsumu d'energia in l'unità di floculazione di a pianta di trattamentu di l'acqua potabile pò esse più bassu.
In a purificazione di l'acqua, l'aghjunzione di coagulanti destabilizza i picculi particeddi coloidali è impurità, chì poi si combinanu per furmà a floculazione in u stadiu di floculazione.I fiocchi sò aggregati frattali di massa ligatu liberamente, chì sò poi eliminati da a stallazione.E proprietà di particelle è e cundizioni di mischju di liquidu determinanu l'efficienza di u prucessu di floculazione è trattamentu.A floculazione richiede una agitazione lenta per un periudu di tempu relativamente brevi è assai energia per agità grandi volumi d'acqua1.
Durante a floculazione, l'idrodinamica di u sistema sanu è a chimica di l'interazzione coagulante-particella determinanu a velocità à quale hè ottenuta una distribuzione di granulometria stazionaria2.Quandu i particeddi scontranu, si attaccanu l'un à l'altru3.Oyegbile, Ay4 hà dettu chì e scontri dipendenu da i miccanismi di trasportu di floculazione di diffusione browniana, cisura di fluidi è sedimentazione differenziale.Quandu i fiocchi collide, crescenu è ghjunghjenu à un certu limitu di dimensione, chì pò purtà à a rottura, postu chì i fiocchi ùn ponu micca sustene a forza di e forze idrodinamiche5.Alcune di sti fiocchi rotti si ricombinanu in più chjuchi o di a stessa dimensione6.In ogni casu, i fiocchi forti ponu resiste à sta forza è mantene a so dimensione è ancu cresce7.Yukselen è Gregory8 anu infurmatu nantu à studii ligati à a distruzzioni di fiocchi è a so capacità di rigenerazione, chì mostranu chì l'irreversibilità hè limitata.Bridgeman, Jefferson9 hà utilizatu CFD per stima l'influenza lucale di u flussu mediu è a turbulenza nantu à a furmazione di floccu è a frammentazione attraversu gradienti di velocità lucali.In i tanki equipati di pale di rotore, hè necessariu di varià a velocità à quale l'agregati scontranu cù altre particelle quandu sò abbastanza destabilizzati in a fase di coagulazione.Utilizendu CFD è velocità di rotazione più basse di circa 15 rpm, Vadasarukkai è Gagnon11 anu pussutu ottene i valori G per a floculazione cù pale coniche, minimizendu cusì u cunsumu di energia per l'agitazione.Tuttavia, u funziunamentu à valori G più altu pò purtà à a floculazione.Anu investigatu l'effettu di a velocità di mischju nantu à a determinazione di u gradiente di velocità media di un floculatore à pale pilota.Girate à una vitezza di più di 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 hà utilizatu quattru mudelli di turbulenza differenti per studià u campu di flussu nantu à un bancu di prova di cisterna.Misuranu u campu di flussu cù un anemometriu laser Doppler è PIV è paragunanu i risultati calculati cù i risultati misurati.de Oliveira è Donadel13 anu prupostu un metudu alternativu per stimare i gradienti di velocità da e proprietà idrodinamiche cù CFD.U metudu prupostu hè statu pruvatu nantu à sei unità di floculazione basatu nantu à a geometria elicoidale.hà valutatu l'effettu di u tempu di ritenzione nantu à i floculanti è prupostu un mudellu di floculazione chì pò esse usatu cum'è strumentu per sustene u disignu di e cellule raziunale cù tempi di ritenzione bassi14.Zhan, You15 hà prupostu un mudellu cumminatu di CFD è di equilibriu di a pupulazione per simulà e caratteristiche di u flussu è u cumpurtamentu di u floc in una floculazione à scala completa.Llano-Serna, Coral-Portillo16 hà investigatu e caratteristiche di u flussu di un hydroflocculator di tipu Cox in una pianta di trattamentu d'acqua in Viterbo, Colombia.Ancu CFD hà i so vantaghji, ci sò ancu limitazioni cum'è l'errori numerichi in i calculi.Dunque, ogni risultatu numericu ottenutu deve esse attentamente esaminatu è analizatu per piglià cunclusioni critichi17.Ci sò pochi studii in a literatura nantu à u disignu di flocculatori di baffle horizontale, mentri i cunsiglii per u disignu di flocculatori idrodinamici sò limitati18.Chen, Liao19 hà utilizatu una cunfigurazione sperimentale basata nantu à a sparghjera di a luce polarizzata per misurà u statu di polarizazione di a luce spargugliata da particelle individuali.Feng, Zhang20 hà utilizatu Ansys-Fluent per simulà a distribuzione di eddy currents è swirl in u campu di flussu di un flocculatore di piastra coagulated è un flocculator inter-corrugated.Dopu avè simulatu u flussu di fluidu turbulente in un floculatore cù Ansys-Fluent, Gavi21 hà utilizatu i risultati per cuncepisce u floculatore.Vaneli è Teixeira22 anu infurmatu chì a relazione trà a dinamica di fluidu di i flocculatori di tubi spirali è u prucessu di floculazione hè sempre pocu capitu per sustene un disignu raziunale.de Oliveira è Costa Teixeira23 anu studiatu l'efficienza è dimustratu e proprietà idrodinamiche di u floculatore di tubu spirale attraversu esperimenti di fisica è simulazioni CFD.Parechji circadori anu studiatu i reattori di tubu coiled o flocculatori di tubu coiled.Tuttavia, l'infurmazione idrodinamica dettagliata nantu à a risposta di sti reattori à diversi disinni è cundizioni operativi manca sempre (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira è Teixeira26 presentanu risultati originali di simulazioni teorichi, sperimentali è CFD di un floculatore spirale.Oliveira è Teixeira27 prupostu di utilizà una bobina spirale cum'è un reattore di coagulazione-floculazione in cumminazione cù un sistema di decanter cunvinziunali.Riportanu chì i risultati ottenuti per l'efficienza di a rimozione di turbidità sò significativamente diffirenti da quelli ottenuti cù mudelli cumunimenti utilizati per a valutazione di a floculazione, suggerendu prudenza quandu si usanu tali mudelli.Moruzzi è de Oliveira [28] anu modellatu u cumpurtamentu di un sistema di camere di floculazione cuntinuu in diverse cundizioni operative, cumprese variazioni in u numeru di camere aduprate è l'usu di gradienti di velocità di cellula fissi o scalati.Romphophak, Le Men29 Misure PIV di velocità istantanee in pulitori a getto quasi bidimensionali.Anu trovu una forte circulazione indutta da jet in a zona di floculazione è stimanu i tassi di cisura lucali è istantanei.
Shah, Joshi30 informa chì CFD offre una alternativa interessante per migliurà i disinni è ottene caratteristiche di flussu virtuale.Questu aiuta à evità a stallazione sperimentale estensiva.CFD hè sempre più utilizatu per analizà e piante di trattamentu di l'acqua è di l'acqua (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Diversi investigatori anu realizatu esperimenti nantu à l'equipaggiu di teste di canna (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) è flocculatori di discu perforati31.Altri anu utilizatu CFD per valutà l'idrofloculatori (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 hà dettu chì i flocculatori meccanichi necessitanu un mantenimentu regulare perchè spessu si rompenu è necessitanu assai elettricità.
U funziunamentu di un flocculatore di paddle hè assai dipendente da l'idrodinamica di u reservoir.A mancanza di capiscitura quantitativa di i campi di velocità di flussu in tali flocculatori hè chjaramente nutata in a literatura (Howe, Hand38; Hendricks39).A massa d'acqua sana hè sottumessa à u muvimentu di l'impeller floculatore, cusì slippage hè previstu.Di genere, a velocità di u fluidu hè menu di a velocità di a pala da u fattore di slip k, chì hè definitu cum'è u rapportu di a velocità di u corpu di l'acqua à a velocità di a rota di paddle.Bhole40 hà dettu chì ci sò trè fattori scunnisciuti da cunsiderà quandu si cuncepisce un floculatore, à dì u gradiente di velocità, u coefficient di trascinamentu è a velocità relativa di l'acqua relative à a pala.
Camp41 informa chì quandu si cunsiderà e macchine d'alta velocità, a vitezza hè di circa 24% di a vitezza di u rotore è finu à u 32% per e macchine à bassa velocità.In l'absenza di septa, Droste è Ger42 anu utilizatu u valore di ak di 0,25, mentri in u casu di septa, k varieghja da 0 à 0,15.Howe, Hand38 suggerisce chì k hè in a gamma di 0,2 à 0,3.Hendrix39 hà legatu u fattore di slip à a velocità di rotazione utilizendu una formula empirica è hà cunclusu chì u fattore di slip era ancu in u range stabilitu da Camp41.Bratby43 hà dettu chì k hè di circa 0,2 per a velocità di l'impeller da 1,8 à 5,4 rpm è aumenta à 0,35 per a velocità di l'impeller da 0,9 à 3 rpm.Altri ricercatori riportanu una larga gamma di valori di coefficienti di resistenza (Cd) da 1,0 à 1,8 è valori di coefficienti di scorrimentu k da 0,25 à 0,40 (Feir è Geyer44; Hyde è Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; è Bratby è Marais48; ).A litteratura ùn mostra prugressu significativu in a definizione è quantifying k dipoi u travagliu di Camp41.
U prucessu di floculazione hè basatu annantu à a turbulenza per facilità i collisioni, induve u gradiente di velocità (G) hè utilizatu per misurà a turbulenza / floculazione.U mischju hè u prucessu di dispersione rapida è uniforme di sustanzi chimichi in acqua.U gradu di mischju hè misuratu da u gradiente di velocità:
induve G = gradiente di velocità (sec-1), P = putenza input (W), V = volume d'acqua (m3), μ = viscosità dinamica (Pa s).
Più altu hè u valore G, u più mischju.Un mischju cumpletu hè essenziale per assicurà una coagulazione uniforme.A literatura indica chì i paràmetri di cuncepimentu più impurtanti sò u tempu di mischju (t) è u gradiente di velocità (G).U prucessu di floculazione hè basatu annantu à a turbulenza per facilità i collisioni, induve u gradiente di velocità (G) hè utilizatu per misurà a turbulenza / floculazione.I valori tipici di cuncepimentu per G sò 20 à 70 s-1, t hè da 15 à 30 minuti, è Gt (senza dimensione) hè 104 à 105. I tanki di mischju veloce funzionanu megliu cù i valori G di 700 à 1000, cù u tempu di permanenza. circa 2 minuti.
induve P hè a putenza impartita à u liquidu da ogni pala di floculatore, N hè a vitezza di rotazione, b hè a lunghezza di a pale, ρ hè a densità di l'acqua, r hè u raghju è k hè u coefficient di slip.Questa equazione hè appiicata à ogni lama individualmente è i risultati sò summati per dà l'input di putenza tutale di u floculatore.Un studiu attentu di sta equazioni mostra l'impurtanza di u fattore di slip k in u prucessu di cuncepimentu di un flocculatore di paddle.A literatura ùn dice micca u valore esatta di k, ma invece ricumanda un intervallu cum'è dettu prima.Tuttavia, a relazione trà a putenza P è u coefficient di slip k hè cubica.Cusì, a condizione chì tutti i paràmetri sò listessi, per esempiu, cambià k da 0,25 à 0,3 hà da purtà à una diminuzione di a putenza trasmessa à u fluidu per lama da circa 20%, è riducendu k da 0,25 à 0,18 hà da cresce.da circa 27-30% per vane U putere impartitu à u fluidu.In ultimamente, l'effettu di k nantu à u disignu di floculator paddle sustenibile deve esse investigatu attraversu quantificazione tecnica.
A quantificazione empirica precisa di slippage richiede visualizazione di flussu è simulazione.Per quessa, hè impurtante discrìviri a vitezza tangenziali di a pala in acqua à una certa vitezza di rotazione à distanze radiali diffirenti da l'arbulu è à diverse prufundità da a superficia di l'acqua per evaluà l'effettu di e diverse pusizioni di a pala.
In questu studiu, l'idrodinamica di a floculazione hè valutata da l'investigazione sperimentale è numerica di u campu di velocità di flussu turbulente in un flocculatore à pale à scala di laboratoriu.E misurazioni PIV sò registrate nantu à u floculatore, creendu contorni di velocità media di u tempu chì mostranu a velocità di e particelle d'acqua intornu à e foglie.Inoltre, ANSYS-Fluent CFD hè stata utilizata per simulà u flussu turbulente in u floculatore è creà contorni di velocità media di u tempu.U mudellu CFD risultatu hè statu cunfirmatu da evaluendu a currispundenza trà i risultati PIV è CFD.L'enfasi di stu travagliu hè di quantificà u coefficient di slip k, chì hè un paràmetru di cuncepimentu adimensionale di un floculatore à pale.U travagliu prisentatu quì furnisce una nova basa per quantificà u coefficient di slip k à bassa velocità di 3 rpm è 4 rpm.L'implicazioni di i risultati cuntribuiscenu direttamente à una megliu comprensione di l'idrodinamica di u tank di floculazione.
U flocculatore di u laboratoriu hè custituitu da una scatula rectangular aperta superiore cù una altezza generale di 147 cm, una altezza di 39 cm, una larghezza generale di 118 cm, è una durata generale di 138 cm (Fig. 1).I criterii principali di cuncepimentu sviluppati da Camp49 sò stati utilizati per cuncepisce un floculatore di paddle à scala di laboratoriu è applicà i principii di l'analisi dimensionale.A facilità sperimentale hè stata custruita in u Laboratoriu di Ingegneria Ambientale di l'Università Americana Libanese (Byblos, Libanu).
L'assi horizontale hè situatu à una altezza di 60 cm da u fondu è accolta dui roti di paddle.Ogni rota di paddle hè custituita da 4 paddles cù 3 paddles in ogni paddle per un totale di 12 paddles.A floculazione richiede agitazione delicata a bassa velocità da 2 a 6 rpm.A velocità di mistura più cumuni in i floculatori sò 3 rpm è 4 rpm.U flussu di floculatore à scala di laboratoriu hè pensatu per rapprisintà u flussu in u compartmentu di u tank di floculazione di una pianta di trattamentu di l'acqua potabile.A putenza hè calculata cù l'equazioni tradiziunali 42 .Per e duie velocità di rotazione, u gradiente di velocità \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) hè più grande di 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , u numeru di Reynolds indica un flussu turbulente (Table 1).
PIV hè adupratu per ottene misure precise è quantitative di vettori di velocità di fluidu simultaneamente in un gran numaru di punti50.A configurazione sperimentale includeva un floculatore à pale à scala di laboratoriu, un sistema LaVision PIV (2017) è un trigger di sensore laser esterno Arduino.Per creà profili di velocità media di u tempu, l'imaghjini PIV sò stati registrati in sequenza in u stessu locu.U sistema PIV hè calibratu cusì chì l'area di destinazione hè à u puntu mediu di a lunghezza di ognuna di e trè pale di un bracciu di paddle particulari.U trigger esterno hè custituitu da un laser situatu da un latu di a larghezza di u floculatore è un receptore sensoru da l'altru latu.Ogni volta chì u bracciu floculatore blucca u percorsu laser, un signalu hè mandatu à u sistema PIV per catturà una maghjina cù u laser PIV è a camera sincronizata cù una unità di timing programable.Nantu à fig.2 mostra a stallazione di u sistema PIV è u prucessu di acquisizione di l'imaghjini.
A registrazione di PIV hè stata cuminciata dopu chì u flocculatore hè stata operata per 5-10 min per nurmalizà u flussu è piglià in contu u stessu campu d'indici refrattivu.A calibrazione hè ottenuta utilizendu una piastra di calibrazione immersa in u floculatore è piazzata à u puntu mediu di a lunghezza di a pala d'interessu.Aghjustate a pusizioni di u laser PIV per furmà una foglia luminosa piatta direttamente sopra a piastra di calibrazione.Registrate i valori misurati per ogni velocità di rotazione di ogni pala, è e velocità di rotazione scelte per l'esperimentu sò 3 rpm è 4 rpm.
Per tutte e registrazioni PIV, l'intervallu di tempu trà dui impulsi laser hè statu stabilitu in a gamma da 6900 à 7700 µs, chì hà permessu un spostamentu minimu di particella di 5 pixel.I testi piloti sò stati realizati nantu à u nùmeru d'imaghjini necessarii per ottene misure precise di a media di u tempu.E statistiche vettoriali sò paragunate per campioni chì cuntenenu 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 è 280 images.Una dimensione di mostra di 240 imaghjini hè stata trovata per dà risultati stabili di u tempu mediu datu chì ogni imagine hè custituita da dui frames.
Siccomu u flussu in u flocculatore hè turbulente, una piccula finestra d'interrogazione è un gran numaru di particeddi sò necessarii per risolve e strutture turbulente.Diversi iterazioni di riduzzione di taglia sò applicati cù un algoritmu di correlazione incruciata per assicurà a precisione.Una dimensione iniziale di a finestra di votazione di 48 × 48 pixel cù 50% di sovrapposizione è un prucessu di adattazione hè stata seguita da una dimensione di finestra di votazione finale di 32 × 32 pixel cù 100% di sovrapposizione è dui prucessi di adattazione.Inoltre, e sfere cave di vetru sò state usate cum'è particeddi di sementi in u flussu, chì permettenu almenu 10 particeddi per finestra di polling.A registrazione PIV hè attivata da una fonte di trigger in una Unità di Timing Programmable (PTU), chì hè rispunsevule per u funziunamentu è a sincronizazione di a fonte laser è a camera.
U pacchettu CFD cummerciale ANSYS Fluent v 19.1 hè stata utilizata per sviluppà u mudellu 3D è risolve l'equazioni basi di flussu.
Utilizendu ANSYS-Fluent, hè statu creatu un mudellu 3D di un floculatore à pale à scala di laboratoriu.U mudellu hè fattu in a forma di una casella rettangulare, custituita da dui roti di paddle muntati nantu à un assi horizontale, cum'è u mudellu di laboratoriu.U mudellu senza freeboard hè 108 cm altu, 118 cm largu è 138 cm long.Un pianu cilindricu horizontale hè statu aghjuntu intornu à u mixer.A generazione di u pianu cilindricu deve implementà a rotazione di tuttu u mixer durante a fase di stallazione è simule u campu di flussu rotanti in u floculatore, cum'è mostra in Fig. 3a.
Schema di geometria 3D ANSYS-fluente è mudellu, maglia di corpu di floculatore ANSYS-fluente nantu à u pianu d'interessu, diagramma ANSYS-fluente nantu à u pianu di interessu.
A geometria di u mudellu hè custituita da dui rigioni, ognunu di i quali hè un fluidu.Questu hè ottenutu cù a funzione di sottrazione logica.Prima resta u cilindru (cumpresu u mixer) da a scatula per rapprisintà u liquidu.Allora sottrae u mixer da u cilindru, risultatu in dui ogetti: u mixer è u liquidu.Infine, una interfaccia sliding hè stata appiicata trà i dui spazii: una interfaccia cilindru-cilindru è una interfaccia cilindru-mixer (Fig. 3a).
A meshing di i mudelli custruiti hè stata cumpletata per risponde à i bisogni di i mudelli di turbulenza chì seranu utilizati per eseguisce e simulazioni numeriche.Hè stata aduprata una maglia senza struttura cù strati allargati vicinu à a superficia solida.Crea strati di espansione per tutti i muri cù un ritmu di crescita di 1,2 per assicurà chì i mudelli di flussu cumplessi sò catturati, cù un grossu di prima capa di \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m per assicurà chì \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).A dimensione di u corpu hè aghjustatu cù u metudu di tetraedru.Una dimensione frontale di duie interfacce cù una dimensione di l'elementu di 2,5 × \({10}^{-3}\) m hè creata, è una dimensione frontale di mixer di 9 × \({10}^{-3}\ ) m hè appiicata.A maglia generata iniziali hè cumpostu di elementi 2144409 (Fig. 3b).
Un mudellu di turbulenza k–ε à dui parametri hè statu sceltu cum'è u mudellu di basa iniziale.Per simulà accuratamente u flussu turbulente in u floculatore, un mudellu più caru di calculu hè statu sceltu.Le flux turbulent tourbillonnant à l'intérieur du floculateur a été étudié numériquement à l'aide de deux modèles CFD : SST k–ω51 et IDDES52.I risultati di i dui mudelli sò stati paragunati cù i risultati sperimentali PIV per validà i mudelli.Prima, u mudellu di turbulenza SST k-ω hè un mudellu di viscosità turbulente à duie equazioni per applicazioni di dinamica di fluidi.Il s'agit d'un modèle hybride combinant les modèles k-ω et k-ε de Wilcox.A funzione di mischju attiva u mudellu Wilcox vicinu à u muru è u mudellu k-ε in u flussu chì vene.Questu assicura chì u mudellu currettu hè utilizatu in tuttu u campu di flussu.Predice accuratamente a separazione di flussu per via di gradienti di pressione avversi.Siconda, u metudu Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), largamente utilizatu in u mudellu Individual Eddy Simulation (DES) cù u mudellu SST k-ω RANS (Reynolds-Average Navier-Stokes), hè statu sceltu.IDDES hè un mudellu hibridu RANS-LES (simulazione di grande eddy) chì furnisce un mudellu di simulazione di scala di risoluzione (SRS) più flessibile è faciule d'utilizatore.Il s'appuie sur le modèle LES pour résoudre les grands tourbillons et revient à SST k-ω pour simuler les tourbillons à petite échelle.L'analisi statistiche di i risultati da e simulazioni SST k–ω è IDDES sò stati paragunati cù i risultati PIV per validà u mudellu.
Un mudellu di turbulenza k–ε à dui parametri hè statu sceltu cum'è u mudellu di basa iniziale.Per simulà accuratamente u flussu turbulente in u floculatore, un mudellu più caru di calculu hè statu sceltu.Le flux turbulent tourbillonnant à l'intérieur du floculateur a été étudié numériquement à l'aide de deux modèles CFD : SST k–ω51 et IDDES52.I risultati di i dui mudelli sò stati paragunati cù i risultati sperimentali PIV per validà i mudelli.Prima, u mudellu di turbulenza SST k-ω hè un mudellu di viscosità turbulente à duie equazioni per applicazioni di dinamica di fluidi.Il s'agit d'un modèle hybride combinant les modèles k-ω et k-ε de Wilcox.A funzione di mischju attiva u mudellu Wilcox vicinu à u muru è u mudellu k-ε in u flussu chì vene.Questu assicura chì u mudellu currettu hè utilizatu in tuttu u campu di flussu.Predice accuratamente a separazione di flussu per via di gradienti di pressione avversi.Siconda, u metudu Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), largamente utilizatu in u mudellu Individual Eddy Simulation (DES) cù u mudellu SST k-ω RANS (Reynolds-Average Navier-Stokes), hè statu sceltu.IDDES hè un mudellu hibridu RANS-LES (simulazione di grande eddy) chì furnisce un mudellu di simulazione di scala di risoluzione (SRS) più flessibile è faciule d'utilizatore.Il s'appuie sur le modèle LES pour résoudre les grands tourbillons et revient à SST k-ω pour simuler les tourbillons à petite échelle.L'analisi statistiche di i risultati da e simulazioni SST k–ω è IDDES sò stati paragunati cù i risultati PIV per validà u mudellu.
Aduprate un solutore transitorio basatu in pressione è utilizate a gravità in a direzzione Y.A rotazione hè ottenuta assignendu un muvimentu di maglia à u mixer, induve l'origine di l'assi di rotazione hè in u centru di l'assi horizontale è a direzzione di l'assi di rotazione hè in a direzzione Z.Una interfaccia mesh hè creata per e duie interfacce di geometria di u mudellu, risultatu in dui bordi di scatula di delimitazione.Cum'è in a tecnica sperimentale, a vitezza di rotazione currisponde à 3 è 4 rivoluzioni.
I cundizioni di u cunfini per i mura di u mixer è u flocculatore sò stati stabiliti da u muru, è l'apertura superiore di u flocculatore hè stata stabilita da l'outlet cù pressione di gauge zero (Fig. 3c).Schema di cumunicazione SIMPLE pressione-velocità, discretizazione di u spaziu gradiente di funzioni di u sicondu ordine cù tutti i paràmetri basati nantu à elementi minimi quadrati.U criteriu di cunvergenza per tutte e variàbili di flussu hè u residuu scalatu 1 x \({10}^{-3}\).U numaru massimu di iterazioni per u passu di u tempu hè 20, è a dimensione di u passu di u tempu currisponde à una rotazione di 0,5 °.La solution converge à la 8e itération pour le modèle SST k–ω et à la 12e itération en utilisant IDDES.Inoltre, u numeru di passi di tempu hè statu calculatu per chì u mixer hà fattu almenu 12 rivoluzioni.Applicà u campionamentu di dati per statistiche di u tempu dopu à 3 rotazioni, chì permette a normalizazione di u flussu, simile à a prucedura sperimentale.A comparazione di l'output di i loops di velocità per ogni rivoluzione dà esattamente i stessi risultati per l'ultimi quattru rivoluzioni, chì indicanu chì un statu stabile hè statu righjuntu.I revs extra ùn anu micca migliuratu i contorni di velocità media.
U passu di u tempu hè definitu in relazione à a vitezza di rotazione, 3 rpm o 4 rpm.U passu di u tempu hè raffinatu à u tempu necessariu per rotà u mixer da 0,5 °.Questu hè abbastanza, postu chì a suluzione cunverge facilmente, cum'è discrittu in a sezione precedente.Cusì, tutti i calculi numerichi per i dui mudelli di turbulenza sò stati realizati utilizendu un passu di tempu mudificatu di 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) per 3 rpm, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.Per un determinatu passu di tempu di raffinamentu, u numeru Courant di una cellula hè sempre menu di 1,0.
Per scopra a dependenza di u mudellu-mesh, i risultati sò stati prima ottenuti utilizendu a maglia originale 2.14M è dopu a maglia raffinata 2.88M.L'affinamentu di a griglia hè ottenutu riducendu a dimensione di a cellula di u corpu di u mixer da 9 × \({10}^{-3}\) m à 7 × \({10}^{-3}\) m.Per a maglia originale è raffinata di i dui mudelli di turbulenza, i valori medii di i moduli di velocità in diversi lochi intornu à a pala sò stati paragunati.La différence de pourcentage entre les résultats est de 1,73 % pour le modèle SST k–ω et de 3,51 % pour le modèle IDDES.IDDES mostra una differenza percentuale più altu perchè hè un mudellu hibridu RANS-LES.Sti diffirenzii sò stati cunsiderati insignificanti, cusì a simulazione hè stata realizata cù a maglia originale cù 2,14 milioni di elementi è un passu di rotazione di 0,5 °.
A riproducibilità di i risultati spirimintali hè stata esaminata da eseguisce ognuna di i sei esperimenti una seconda volta è paragunendu i risultati.Comparate i valori di velocità à u centru di a pala in duie serie di esperimenti.A diffarenza percentuale media trà i dui gruppi sperimentali era 3,1%.U sistema PIV hè statu ancu ricalibratu indipindente per ogni esperimentu.Comparare a vitezza calculata analiticamente à u centru di ogni pala cù a velocità PIV in u stessu locu.Questa paraguna mostra a diffarenza cù un errore percentuale massimu di 6.5% per a lama 1.
Prima di quantificà u fattore di slip, hè necessariu di capiscenu scientificamente u cuncettu di slip in un flocculatore di paddle, chì deve studià a struttura di flussu intornu à i paddles di u flocculatore.Conceptually, u coefficient slip hè custruitu in u disignu di paddle flocculators per piglià in contu a vitezza di e lame relative à l'acqua.A littiratura ricumandemu chì sta velocità sia u 75% di a velocità di a pala, cusì a maiò parte di i disinni tipicamente utilizanu ak di 0,25 per cuntà questu aghjustamentu.Questu hè bisognu di l'usu di streamlines di velocità derivati da esperimenti PIV per capiscenu cumplettamente u campu di velocità di flussu è studià stu slip.Blade 1 hè a lama più interna più vicinu à l'arbulu, a lama 3 hè a lama più esterna, è a lama 2 hè a lama media.
I streamlines di velocità nantu à a pala 1 mostranu un flussu rotativu direttu intornu à a pala.Questi mudelli di flussu emananu da un puntu à u latu drittu di a pala, trà u rotore è a pala.Fighjendu l'area indicata da a casella di punti rossi in a Figura 4a, hè interessante per identificà un altru aspettu di u flussu di recirculazione sopra è intornu à a pala.A visualizazione di u flussu mostra pocu flussu in a zona di recirculazione.Stu flussu si avvicina da u latu drittu di a pala à una altezza di circa 6 cm da a fine di a pala, possibbilmente per l'influenza di a prima paleta di a manu chì precede a pala, chì hè visibile in l'imaghjini.A visualizazione di u flussu à 4 rpm mostra u stessu cumpurtamentu è struttura, apparentemente cù velocità più altu.
Campu di velocità è grafici di corrente di trè pale à duie velocità di rotazione di 3 rpm è 4 rpm.La velocità media massima delle tre pale a 3 rpm è rispettivamente di 0,15 m/s, 0,20 m/s e 0,16 m/s, e la velocità media massima a 4 rpm è di 0,15 m/s, 0,22 m/s e 0,22 m/s. s, rispettivamente.nantu à trè fogli.
Un'altra forma di flussu helical hè stata truvata trà i vani 1 è 2. U campu di u vettore mostra chjaramente chì u flussu di l'acqua si move da u fondu di a paleta 2, cum'è indicatu da a direzzione di u vettore.Cum'è mostratu da a scatula punteggiata in Fig. 4b, sti vettori ùn vanu micca verticalmente da a superficia di a pala, ma giranu à a diritta è scendenu gradualmente.Nantu à a superficia di a pala 1, i vettori discendente sò distinti, chì s'avvicinanu à e duie pale è circundanu da u flussu di recirculazione furmatu trà elli.A listessa struttura di flussu hè stata determinata à e duie velocità di rotazione cù una amplitude di velocità più alta di 4 rpm.
U campu di velocità di a pala 3 ùn face micca una cuntribuzione significativa da u vettore di velocità di a pala precedente chì si unisce à u flussu sottu à a pala 3. U flussu principalu sottu a pala 3 hè duvuta à u vettore di velocità verticale chì cresce cù l'acqua.
I vettori di velocità nantu à a superficia di a pala 3 pò esse divisu in trè gruppi, cum'è mostra in Fig. 4c.U primu settore hè quellu nantu à u latu drittu di a lama.A struttura di flussu in questa pusizioni hè dritta à a diritta è sopra (vale à dì versu a pala 2).U sicondu gruppu hè a mità di a pala.U vettore di velocità per questa pusizioni hè diretta dritta, senza alcuna deviazione è senza rotazione.A diminuzione di u valore di a velocità hè stata determinata cù un aumentu di l'altezza sopra à a fine di a pala.Per u terzu gruppu, situatu nantu à a periferia manca di e lame, u flussu hè subitu direttu à a manca, vale à dì à u muru di u floculatore.A maiò parte di u flussu rapprisintatu da u vettore di velocità cresce, è una parte di u flussu scende horizontalmente.
Deux modèles de turbulence, SST k–ω et IDDES, ont été utilisés pour construire des profils de vitesse moyennes dans le temps pour 3 rpm et 4 rpm dans le plan de longueur moyenne des pales.Cum'è mostra in a Figura 5, u statu fermu hè ottenutu per ottene una similitudine assoluta trà i contorni di velocità creati da quattru rotazioni successive.Inoltre, i contorni di velocità media di u tempu generati da IDDES sò mostrati in Fig. 6a, mentri i profili di velocità media di u tempu generati da SST k - ω sò mostrati in Fig. 6a.6b.
Utilizendu l'IDDES è i loops di velocità media in u tempu generati da SST k–ω, IDDES hà una proporzione più alta di loops di velocità.
Esaminà cù cura u prufilu di velocità creata cù IDDES à 3 rpm cum'è mostra in a Figura 7. U mixer rotate in u sensu di l'urariu è u flussu hè discutitu secondu e note mostrate.
Nantu à fig.7 pò esse vistu chì nantu à a superficia di a pala 3 in u quadrant I ci hè una separazione di u flussu, postu chì u flussu ùn hè micca limitatu per a presenza di u pirtusu superiore.In u quadrant II ùn hè micca osservatu una separazione di u flussu, postu chì u flussu hè cumpletamente limitatu da i mura di u floculatore.In u quadrant III, l'acqua gira à una velocità assai più bassu o più bassu chì in i quadranti previ.L'acqua in i quadranti I è II hè mossa (vale à dì girata o spinta fora) in u fondu da l'azzione di u mixer.È in u quadrant III, l'acqua hè imbuttata da e lame di l'agitatore.Hè ovvi chì a massa d'acqua in questu locu resiste à a manica di floculatore chì avvicina.U flussu rotativu in questu quadrante hè completamente separatu.Per u quadrant IV, a maiò parte di u flussu di l'aire sopra à l'aletta 3 hè diretta versu u muru di u floculatore è perde gradualmente a so dimensione cum'è l'altezza aumenta à l'apertura superiore.
Inoltre, u locu cintrali include mudelli di flussu cumplessi chì dominanu i quadranti III è IV, cum'è mostratu da l'ellissi punti blu.Questa zona marcata ùn hà nunda di fà cù u flussu turbulente in u flocculatore di paddle, cum'è u muvimentu turbulente pò esse identificatu.Questu hè in cuntrastu cù i quadranti I è II induve ci hè una separazione chjara trà u flussu internu è u flussu rotazionale cumpletu.
Comu mostra in fig.6, paragunendu i risultati di IDDES è SST k-ω, a principal diferenza trà i contorni di a velocità hè a magnitudine di a velocità immediatamente sottu à a pala 3. U mudellu SST k-ω mostra chjaramente chì u flussu allargatu à alta velocità hè purtatu da a pala 3. paragunatu à IDDES.
Una altra diferenza pò esse truvata in u quadrant III.Da l'IDDES, cum'è dettu prima, a separazione di u flussu rotazionale trà i bracci di floculatore hè stata nutata.In ogni casu, sta pusizione hè assai affettata da u flussu di bassa velocità da i cantoni è l'internu di a prima paleta.À partir de SST k–ω pour le même endroit, les courbes de niveau montrent des vitesses relativement plus élevées par rapport à l'IDDES car il n'y a pas de flux confluent d'autres régions.
Una cunniscenza qualitativa di i campi di vettori di velocità è di i streamlines hè necessaria per una comprensione curretta di u cumpurtamentu è a struttura di u flussu.Dapoi chì ogni lama hè 5 cm di larghezza, sette punti di velocità sò stati scelti in tutta a larghezza per furnisce un prufilu di velocità rapprisentante.Inoltre, una capiscitura quantitativa di a magnitudine di a velocità in funzione di l'altitudine sopra a superficia di a pala hè necessaria tracendu u prufilu di velocità direttamente sopra ogni superficia di a pala è nantu à una distanza continua di 2,5 cm verticalmente finu à una altezza di 10 cm.Vede S1, S2 è S3 in a figura per più infurmazione.Appendix A. Figura 8 mostra a similarità di a distribuzione di a velocità di a superficia di ogni pala (Y = 0,0) ottenuta cù esperimenti PIV è analisi ANSYS-Fluent cù IDDES è SST k-ω.I dui mudelli numerichi permettenu di simule accuratamente a struttura di flussu nantu à a superficia di e lame di floculatore.
Distribuzioni di velocità PIV, IDDES è SST k–ω nantu à a superficia di a pale.L'assi x rapprisenta a larghezza di ogni foglia in millimetri, cù l'urigine (0 mm) chì rapprisenta a periferia manca di u fogliu è a fine (50 mm) chì rapprisenta a periferia diritta di u fogliu.
Hè chjaramente vistu chì i distribuzioni di velocità di e lame 2 è 3 sò mostrati in Fig.8 è Fig.8.S2 è S3 in l'Appendice A mostranu tendenzi simili cù l'altezza, mentre chì a pala 1 cambia indipindente.I profili di velocità di e lame 2 è 3 diventanu perfettamente dritti è anu a listessa amplitude à una altezza di 10 cm da a fine di a pala.Questu significa chì u flussu diventa uniforme à questu puntu.Questu hè chjaramente vistu da i risultati PIV, chì sò bè riproduciti da IDDES.Dans le même temps, les résultats SST k–ω montrent quelques différences, en particulier à 4 rpm.
Hè impurtante di nutà chì a pala 1 conserva a stessa forma di u prufilu di velocità in tutte e pusizioni è ùn hè micca nurmalizatu in altezza, postu chì u turbulu furmatu in u centru di u mixer cuntene a prima paleta di tutti l'arme.Inoltre, paragunatu à IDDES, i profili di velocità di lama PIV 2 è 3 mostranu valori di velocità ligeramente più altu in a maiò parte di i lochi finu à ch'elli eranu quasi uguali à 10 cm sopra a superficia di a lama.
Tempu di Postu: Dec-27-2022