Diolch am ymweld â Nature.com.Rydych chi'n defnyddio fersiwn porwr gyda chefnogaeth CSS gyfyngedig.I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod yn defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer).Yn ogystal, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, rydym yn dangos y wefan heb arddulliau a JavaScript.
Yn arddangos carwsél o dri sleid ar unwaith.Defnyddiwch y botymau Blaenorol a Nesaf i symud trwy dri sleid ar y tro, neu defnyddiwch y botymau llithrydd ar y diwedd i symud trwy dri sleid ar y tro.
Yn yr astudiaeth hon, caiff hydrodynameg ffloculation ei werthuso trwy ymchwiliad arbrofol a rhifiadol i faes cyflymder llif cythryblus mewn fflocseiddiwr padlo graddfa labordy.Mae'r llif cythryblus sy'n hyrwyddo agregu gronynnau neu dorri'r ffloc yn gymhleth ac fe'i hystyrir a'i gymharu yn y papur hwn gan ddefnyddio dau fodel cynnwrf, sef SST k-ω ac IDDES.Mae'r canlyniadau'n dangos bod IDDES yn darparu gwelliant bach iawn dros SST k-ω, sy'n ddigon i efelychu llif yn gywir o fewn clystyrydd padlo.Defnyddir y sgôr ffit i ymchwilio i gydgyfeiriant canlyniadau PIV a CFD, ac i gymharu canlyniadau'r model cynnwrf CFD a ddefnyddiwyd.Mae'r astudiaeth hefyd yn canolbwyntio ar feintioli'r ffactor llithro k, sef 0.18 ar gyflymder isel o 3 a 4 rpm o'i gymharu â'r gwerth nodweddiadol arferol o 0.25.Mae gostwng k o 0.25 i 0.18 yn cynyddu'r pŵer a ddarperir i'r hylif tua 27-30% ac yn cynyddu'r graddiant cyflymder (G) tua 14%.Mae hyn yn golygu bod cymysgedd dwysach yn cael ei gyflawni na'r disgwyl, felly mae llai o ynni'n cael ei ddefnyddio, ac felly gall y defnydd o ynni yn uned flocculation y gwaith trin dŵr yfed fod yn is.
Mewn puro dŵr, mae ychwanegu ceulyddion yn ansefydlogi gronynnau coloidaidd bach ac amhureddau, sydd wedyn yn cyfuno i ffurfio flocculation yn y cam fflocynnu.Mae naddion yn agregau ffractal o fàs wedi'u rhwymo'n llac, sydd wedyn yn cael eu tynnu trwy setlo.Mae priodweddau gronynnau ac amodau cymysgu hylif yn pennu effeithlonrwydd y broses fflocio a thrin.Mae angen cynnwrf araf am gyfnod cymharol fyr a llawer o egni i gynhyrfu cyfeintiau mawr o ddŵr1.
Yn ystod fflocynnu, mae hydrodynameg y system gyfan a chemeg rhyngweithiad ceulydd-gronyn yn pennu'r gyfradd y cyflawnir dosbarthiad maint gronynnau llonydd2.Pan fydd gronynnau'n gwrthdaro, maen nhw'n glynu wrth ei gilydd3.Oyegbile, adroddodd Ay4 fod gwrthdrawiadau yn dibynnu ar fecanweithiau cludo fflocws trylediad Brownian, cneifio hylif a setlo gwahaniaethol.Pan fydd y naddion yn gwrthdaro, maent yn tyfu ac yn cyrraedd terfyn maint penodol, a all arwain at dorri, gan na all y naddion wrthsefyll grym grymoedd hydrodynamig5.Mae rhai o'r naddion toredig hyn yn ailgyfuno'n rhai llai neu'r un maint6.Fodd bynnag, gall naddion cryf wrthsefyll y grym hwn a chynnal eu maint a hyd yn oed dyfu7.Adroddodd Yukselen a Gregory8 ar astudiaethau yn ymwneud â dinistrio naddion a'u gallu i adfywio, gan ddangos bod anwrthdroadwyedd yn gyfyngedig.Defnyddiodd Bridgeman, Jefferson9 CFD i amcangyfrif dylanwad lleol llif cymedrig a chynnwrf ar ffurfio ffloc a darnio trwy raddiannau cyflymder lleol.Mewn tanciau sydd â llafnau rotor, mae angen amrywio'r cyflymder y mae'r agregau'n gwrthdaro â gronynnau eraill pan fyddant wedi'u hansefydlogi'n ddigonol yn y cyfnod ceulo.Trwy ddefnyddio CFD a chyflymder cylchdroi is o tua 15 rpm, roedd Vadasarukkai a Gagnon11 yn gallu cyflawni gwerthoedd G ar gyfer fflocsio â llafnau conigol, a thrwy hynny leihau'r defnydd o bŵer ar gyfer cynnwrf.Fodd bynnag, gall gweithredu ar werthoedd G uwch arwain at flocculation.Buont yn ymchwilio i effaith cyflymder cymysgu ar bennu graddiant cyflymder cyfartalog clystyrydd padlo peilot.Maent yn cylchdroi ar gyflymder o fwy na 5 rpm.
Defnyddiodd Korpijärvi, Ahlstedt12 bedwar model cynnwrf gwahanol i astudio'r maes llif ar fainc prawf tanc.Fe wnaethon nhw fesur y maes llif gydag anemomedr laser Doppler a PIV a chymharu'r canlyniadau a gyfrifwyd â'r canlyniadau a fesurwyd.Mae de Oliveira a Donadel13 wedi cynnig dull amgen o amcangyfrif graddiannau cyflymder o eiddo hydrodynamig gan ddefnyddio CFD.Profwyd y dull arfaethedig ar chwe uned flocculation yn seiliedig ar geometreg helical.asesu effaith amser dargadw ar flocculants a chynnig model fflocwleiddio y gellir ei ddefnyddio fel arf i gefnogi dyluniad celloedd rhesymegol gydag amseroedd cadw isel14.Cynigiodd Zhan, You15 fodel cyfunol CFD a chydbwysedd poblogaeth i efelychu nodweddion llif ac ymddygiad ffloc mewn llifeiriant ar raddfa lawn.Ymchwiliodd Llano-Serna, Coral-Portillo16 i nodweddion llif hydroflocculator math Cox mewn gwaith trin dŵr yn Viterbo, Colombia.Er bod gan CFD ei fanteision, mae yna hefyd gyfyngiadau fel gwallau rhifiadol mewn cyfrifiadau.Felly, dylid archwilio a dadansoddi unrhyw ganlyniadau rhifiadol a geir yn ofalus er mwyn dod i gasgliadau beirniadol17.Prin yw'r astudiaethau yn y llenyddiaeth ar ddyluniad clystyryddion baffl llorweddol, tra bod argymhellion ar gyfer dylunio clystyryddion hydrodynamig yn gyfyngedig18.Chen, defnyddiodd Liao19 setup arbrofol yn seiliedig ar wasgaru golau polariaidd i fesur cyflwr polareiddio golau gwasgaredig o ronynnau unigol.Defnyddiodd Feng, Zhang20 Ansys-Fluent i efelychu dosbarthiad cerrynt eddy a chwyrlïo ym maes llif fflocsiwr plât ceulo a flocculator rhyng-rhychiog.Ar ôl efelychu llif hylif cythryblus mewn flocculator gan ddefnyddio Ansys-Fluent, defnyddiodd Gavi21 y canlyniadau i ddylunio'r flocculator.Adroddodd Vaneli a Teixeira22 nad yw'r berthynas rhwng deinameg hylif fflocynwyr tiwb troellog a'r broses flocculation yn cael ei deall yn dda o hyd i gefnogi dyluniad rhesymegol.Astudiodd de Oliveira a Costa Teixeira23 effeithlonrwydd a dangoswyd priodweddau hydrodynamig y flocculator tiwb troellog trwy arbrofion ffiseg ac efelychiadau CFD.Mae llawer o ymchwilwyr wedi astudio adweithyddion tiwb torchog neu flocculators tiwb torchog.Fodd bynnag, mae gwybodaeth hydrodynamig fanwl am ymateb yr adweithyddion hyn i wahanol ddyluniadau ac amodau gweithredu yn dal i fod yn ddiffygiol (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Mae Oliveira a Teixeira26 yn cyflwyno canlyniadau gwreiddiol o efelychiadau damcaniaethol, arbrofol a CFD o flocculator troellog.Cynigiodd Oliveira a Teixeira27 ddefnyddio coil troellog fel adweithydd llif ceulo ar y cyd â system decanter confensiynol.Maent yn adrodd bod y canlyniadau a gafwyd ar gyfer effeithlonrwydd tynnu cymylogrwydd yn sylweddol wahanol i'r rhai a gafwyd gyda modelau a ddefnyddir yn gyffredin ar gyfer gwerthuso llifeiriant, gan awgrymu gofal wrth ddefnyddio modelau o'r fath.Modelodd Moruzzi a de Oliveira [28] ymddygiad system o siambrau flocculation parhaus o dan amodau gweithredu amrywiol, gan gynnwys amrywiadau yn nifer y siambrau a ddefnyddir a'r defnydd o raddiannau cyflymder cell sefydlog neu raddedig.Romphophak, Le Men29 Mesuriadau PIV o gyflymder ar unwaith mewn glanhawyr jet lled-dau-ddimensiwn.Daethant o hyd i gylchrediad cryf wedi'i achosi gan jet yn y parth llifeiriant ac amcangyfrif o gyfraddau cneifio lleol ac ar unwaith.
Mae Shah, Joshi30 yn adrodd bod CFD yn cynnig dewis arall diddorol ar gyfer gwella dyluniadau a chael nodweddion llif rhithwir.Mae hyn yn helpu i osgoi gosodiadau arbrofol helaeth.Mae CFD yn cael ei ddefnyddio fwyfwy i ddadansoddi gweithfeydd trin dŵr a dŵr gwastraff (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Mae sawl ymchwilydd wedi cynnal arbrofion ar offer profi caniau (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) a chlystyryddion disg tyllog31.Mae eraill wedi defnyddio CFD i werthuso hydroflocculators (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Dywedodd Ghawi21 fod angen cynnal a chadw rheolaidd ar flocsylwyr mecanyddol gan eu bod yn aml yn torri i lawr ac angen llawer o drydan.
Mae perfformiad flocculator padlo yn dibynnu'n fawr ar hydrodynameg y gronfa ddŵr.Mae’r diffyg dealltwriaeth feintiol o’r meysydd cyflymder llif mewn clystyryddion o’r fath wedi’i nodi’n glir yn y llenyddiaeth (Howe, Hand38; Hendricks39).Mae'r màs dŵr cyfan yn destun symudiad y impeller flocculator, felly disgwylir llithriad.Yn nodweddiadol, mae'r cyflymder hylif yn llai na chyflymder y llafn gan y ffactor slip k, a ddiffinnir fel cymhareb cyflymder y corff dŵr i gyflymder yr olwyn padlo.Adroddodd Bhole40 fod tri ffactor anhysbys i'w hystyried wrth ddylunio fflocsulator, sef y graddiant cyflymder, y cyfernod llusgo, a chyflymder cymharol y dŵr o'i gymharu â'r llafn.
Mae Camp41 yn adrodd, wrth ystyried peiriannau cyflymder uchel, bod y cyflymder tua 24% o gyflymder y rotor ac mor uchel â 32% ar gyfer peiriannau cyflymder isel.Yn absenoldeb septa, defnyddiodd Droste a Ger42 werth ak o 0.25, tra yn achos septa, roedd k yn amrywio o 0 i 0.15.Mae Howe, Hand38 yn awgrymu bod k yn yr ystod o 0.2 i 0.3.Cysylltodd Hendrix39 y ffactor llithro â chyflymder cylchdro gan ddefnyddio fformiwla empirig a daeth i'r casgliad bod y ffactor llithro hefyd o fewn yr ystod a sefydlwyd gan Camp41.Adroddodd Bratby43 fod k tua 0.2 ar gyfer cyflymder impeller o 1.8 i 5.4 rpm ac yn cynyddu i 0.35 ar gyfer cyflymder impeller o 0.9 i 3 rpm.Mae ymchwilwyr eraill yn adrodd ystod eang o werthoedd cyfernod llusgo (Cd) o 1.0 i 1.8 a gwerthoedd cyfernod llithro k o 0.25 i 0.40 (Feir a Geyer44; Hyde a Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; a Bratby a Marais48 ).Nid yw’r llenyddiaeth yn dangos cynnydd sylweddol o ran diffinio a meintioli k ers gwaith Camp41.
Mae'r broses flocculation yn seiliedig ar gynnwrf i hwyluso gwrthdrawiadau, lle mae'r graddiant cyflymder (G) yn cael ei ddefnyddio i fesur cynnwrf/llifocws.Cymysgu yw'r broses o wasgaru cemegau mewn dŵr yn gyflym ac yn gyfartal.Mae gradd y cymysgu yn cael ei fesur gan y graddiant cyflymder:
lle G = graddiant cyflymder (sec-1), P = mewnbwn pŵer (W), V = cyfaint y dŵr (m3), μ = gludedd deinamig (Pa s).
Po uchaf yw'r gwerth G, y mwyaf cymysg.Mae cymysgu'n drylwyr yn hanfodol i sicrhau ceulo unffurf.Mae'r llenyddiaeth yn nodi mai'r paramedrau dylunio pwysicaf yw cymysgu amser (t) a graddiant cyflymder (G).Mae'r broses flocculation yn seiliedig ar gynnwrf i hwyluso gwrthdrawiadau, lle mae'r graddiant cyflymder (G) yn cael ei ddefnyddio i fesur cynnwrf/llifocws.Gwerthoedd dylunio nodweddiadol ar gyfer G yw 20 i 70 s–1, t yw 15 i 30 munud, a Gt (dimensionless) yw 104 i 105. Mae tanciau cymysgedd cyflym yn gweithio orau gyda gwerthoedd G o 700 i 1000, gydag arhosiad amser tua 2 funud.
lle P yw'r pŵer sy'n cael ei drosglwyddo i'r hylif gan bob llafn fflociwr, N yw'r cyflymder cylchdroi, b yw hyd y llafn, ρ yw'r dwysedd dŵr, r yw'r radiws, a k yw'r cyfernod llithro.Mae'r hafaliad hwn yn cael ei gymhwyso i bob llafn yn unigol ac mae'r canlyniadau'n cael eu crynhoi i roi cyfanswm mewnbwn pŵer y flocculator.Mae astudiaeth ofalus o'r hafaliad hwn yn dangos pwysigrwydd y ffactor llithro k ym mhroses dylunio clystyrydd padlo.Nid yw'r llenyddiaeth yn nodi union werth k, ond yn hytrach mae'n argymell amrediad fel y nodwyd yn flaenorol.Fodd bynnag, mae'r berthynas rhwng y pŵer P a'r cyfernod llithro k yn giwbig.Felly, ar yr amod bod yr holl baramedrau yr un fath, er enghraifft, bydd newid k o 0.25 i 0.3 yn arwain at ostyngiad o tua 20% yn y pŵer a drosglwyddir i'r hylif fesul llafn, a bydd lleihau k o 0.25 i 0.18 yn cynyddu hi.tua 27-30% fesul ceiliog Y pŵer a roddwyd i'r hylif.Yn y pen draw, mae angen ymchwilio i effaith k ar ddyluniad clystyrydd padlo cynaliadwy trwy feintioli technegol.
Mae angen delweddu llif ac efelychu er mwyn meintioli llithriad empirig yn gywir.Felly, mae'n bwysig disgrifio cyflymder tangential y llafn mewn dŵr ar gyflymder cylchdro penodol ar wahanol bellteroedd rheiddiol o'r siafft ac ar wahanol ddyfnderoedd o wyneb y dŵr er mwyn gwerthuso effaith gwahanol safleoedd llafn.
Yn yr astudiaeth hon, caiff hydrodynameg ffloculation ei werthuso trwy ymchwiliad arbrofol a rhifiadol i faes cyflymder llif cythryblus mewn fflocseiddiwr padlo graddfa labordy.Mae'r mesuriadau PIV yn cael eu cofnodi ar y clystyrydd, gan greu cyfuchliniau cyflymder cyfartalog amser sy'n dangos cyflymder gronynnau dŵr o amgylch y dail.Yn ogystal, defnyddiwyd ANSYS-Fluent CFD i efelychu'r llif chwyrlïo y tu mewn i'r flocculator a chreu cyfuchliniau cyflymder amser-ar gyfartaledd.Cadarnhawyd y model CFD dilynol trwy werthuso'r ohebiaeth rhwng y canlyniadau PIV a CFD.Mae'r gwaith hwn yn canolbwyntio ar feintioli'r cyfernod slip k, sy'n baramedr dylunio di-dimensiwn o flocculator padlo.Mae'r gwaith a gyflwynir yma yn darparu sylfaen newydd ar gyfer meintioli'r cyfernod llithro k ar gyflymder isel o 3 rpm a 4 rpm.Mae goblygiadau'r canlyniadau'n cyfrannu'n uniongyrchol at ddealltwriaeth well o hydrodynameg y tanc fflocwleiddio.
Mae'r flocculator labordy yn cynnwys blwch hirsgwar top agored gydag uchder cyffredinol o 147 cm, uchder o 39 cm, lled cyffredinol o 118 cm, a hyd cyffredinol o 138 cm (Ffig. 1).Defnyddiwyd y prif feini prawf dylunio a ddatblygwyd gan Camp49 i ddylunio fflocseiddiwr padlo graddfa labordy a chymhwyso egwyddorion dadansoddi dimensiwn.Adeiladwyd y cyfleuster arbrofol yn Labordy Peirianneg Amgylcheddol Prifysgol Libanus America (Byblos, Libanus).
Mae'r echel lorweddol wedi'i lleoli ar uchder o 60 cm o'r gwaelod ac mae'n cynnwys dwy olwyn padlo.Mae pob olwyn padlo yn cynnwys 4 padl gyda 3 padl ar bob padl ar gyfer cyfanswm o 12 padl.Mae angen cynnwrf ysgafn ar gyflymder isel o 2 i 6 rpm ar gyfer fflocwsio.Y cyflymderau cymysgu mwyaf cyffredin mewn clystyryddion yw 3 rpm a 4 rpm.Mae llif y fflocsiwr graddfa labordy wedi'i gynllunio i gynrychioli'r llif yn adran tanc fflocwleiddio gwaith trin dŵr yfed.Cyfrifir pŵer gan ddefnyddio'r hafaliad traddodiadol 42 .Ar gyfer y ddau gyflymder cylchdroi, mae'r graddiant cyflymder \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) yn fwy na 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , mae rhif Reynolds yn dynodi llif cythryblus (Tabl 1).
Defnyddir PIV i gyflawni mesuriadau cywir a meintiol o fectorau cyflymder hylif ar yr un pryd ar nifer fawr iawn o bwyntiau50.Roedd y gosodiad arbrofol yn cynnwys flocculator padlo ar raddfa labordy, system LaVision PIV (2017), a sbardun synhwyrydd laser allanol Arduino.Er mwyn creu proffiliau cyflymder ar gyfartaledd, recordiwyd delweddau PIV yn olynol yn yr un lleoliad.Mae'r system PIV wedi'i graddnodi fel bod yr ardal darged ar bwynt canol hyd pob un o'r tri llafn mewn braich padlo benodol.Mae'r sbardun allanol yn cynnwys laser sydd wedi'i leoli ar un ochr i'r lled flocculator a derbynnydd synhwyrydd ar yr ochr arall.Bob tro mae braich y fflocsiwr yn blocio'r llwybr laser, anfonir signal i'r system PIV i ddal delwedd gyda'r laser PIV a'r camera wedi'u cydamseru ag uned amseru rhaglenadwy.Ar ffig.Mae 2 yn dangos gosod y system PIV a'r broses caffael delwedd.
Dechreuwyd recordio PIV ar ôl i'r clystyrydd gael ei weithredu am 5-10 munud i normaleiddio'r llif a chymryd i ystyriaeth yr un maes mynegai plygiannol.Cyflawnir graddnodi trwy ddefnyddio plât graddnodi wedi'i drochi yn y flocsulator a'i osod ar bwynt canol hyd y llafn o ddiddordeb.Addaswch leoliad y laser PIV i ffurfio dalen golau gwastad yn union uwchben y plât graddnodi.Cofnodwch y gwerthoedd mesuredig ar gyfer pob cyflymder cylchdroi pob llafn, a'r cyflymder cylchdroi a ddewisir ar gyfer yr arbrawf yw 3 rpm a 4 rpm.
Ar gyfer pob recordiad PIV, gosodwyd yr egwyl amser rhwng dau guriad laser yn yr ystod o 6900 i 7700 µs, a oedd yn caniatáu dadleoli gronynnau o leiaf 5 picsel.Cynhaliwyd profion peilot ar y nifer o ddelweddau sydd eu hangen i gael mesuriadau cywir ar gyfartaledd o ran amser.Cymharwyd ystadegau fector ar gyfer samplau yn cynnwys 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240, a 280 o ddelweddau.Canfuwyd bod sampl o 240 o ddelweddau o faint yn rhoi canlyniadau amser sefydlog ar gyfartaledd o ystyried bod pob delwedd yn cynnwys dwy ffrâm.
Gan fod y llif yn y flocculator yn gythryblus, mae angen ffenestr holi fach a nifer fawr o ronynnau i ddatrys strwythurau cythryblus bach.Cymhwysir sawl iteriad o leihau maint ynghyd ag algorithm croes-gydberthynas i sicrhau cywirdeb.Dilynwyd maint ffenestr bleidleisio gychwynnol o 48 × 48 picsel gyda gorgyffwrdd o 50% ac un broses addasu gan faint ffenestr bleidleisio derfynol o 32 × 32 picsel gyda gorgyffwrdd o 100% a dwy broses addasu.Yn ogystal, defnyddiwyd sfferau gwag gwydr fel gronynnau hadau yn y llif, a oedd yn caniatáu o leiaf 10 gronyn fesul ffenestr bleidleisio.Mae recordiad PIV yn cael ei sbarduno gan ffynhonnell sbardun mewn Uned Amseru Rhaglenadwy (PTU), sy'n gyfrifol am weithredu a chydamseru'r ffynhonnell laser a'r camera.
Defnyddiwyd y pecyn CFD masnachol ANSYS Fluent v 19.1 i ddatblygu'r model 3D a datrys yr hafaliadau llif sylfaenol.
Gan ddefnyddio ANSYS-Fluent, crëwyd model 3D o flocculator padlo ar raddfa labordy.Gwneir y model ar ffurf blwch hirsgwar, sy'n cynnwys dwy olwyn padlo wedi'u gosod ar echel lorweddol, fel y model labordy.Mae'r model heb fwrdd rhydd yn 108 cm o uchder, 118 cm o led a 138 cm o hyd.Mae plân silindrog llorweddol wedi'i hychwanegu o amgylch y cymysgydd.Dylai cenhedlaeth awyren silindrog weithredu cylchdro'r cymysgydd cyfan yn ystod y cyfnod gosod ac efelychu'r maes llif cylchdroi y tu mewn i'r flocculator, fel y dangosir yn Ffig. 3a.
Diagram geometreg ANSYS-rhugl 3D a model, rhwyll corff flocculator ANSYS-rhugl ar yr awyren o ddiddordeb, diagram rhugl ANSYS ar yr awyren o ddiddordeb.
Mae geometreg y model yn cynnwys dau ranbarth, pob un ohonynt yn hylif.Cyflawnir hyn gan ddefnyddio'r ffwythiant tynnu rhesymegol.Yn gyntaf tynnwch y silindr (gan gynnwys cymysgydd) o'r blwch i gynrychioli'r hylif.Yna tynnwch y cymysgydd o'r silindr, gan arwain at ddau wrthrych: y cymysgydd a'r hylif.Yn olaf, cymhwyswyd rhyngwyneb llithro rhwng y ddau faes: rhyngwyneb silindr-silindr a rhyngwyneb cymysgydd silindr (Ffig. 3a).
Mae'r gwaith o rwydo'r modelau adeiledig wedi'i gwblhau i fodloni gofynion y modelau cynnwrf a ddefnyddir i redeg yr efelychiadau rhifiadol.Defnyddiwyd rhwyll distrwythur gyda haenau estynedig ger yr arwyneb solet.Creu haenau ehangu ar gyfer pob wal gyda chyfradd twf o 1.2 i sicrhau bod patrymau llif cymhleth yn cael eu dal, gyda thrwch haen gyntaf o \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m er mwyn sicrhau \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\)m. ( { \text {y))^{+}\le 1.0\).Mae maint y corff yn cael ei addasu gan ddefnyddio'r dull gosod tetrahedron.Mae maint ochr blaen o ddau ryngwyneb gyda maint elfen o 2.5 × \({10}^{-3}\) m yn cael ei greu, a maint blaen cymysgydd o 9 × \({10}^{-3}\ ) m yn cael ei gymhwyso.Roedd y rhwyll gychwynnol a gynhyrchwyd yn cynnwys 2144409 o elfennau (Ffig. 3b).
Dewiswyd model cynnwrf k-ε dau baramedr fel y model sylfaen cychwynnol.Er mwyn efelychu'n gywir y llif chwyrlïo y tu mewn i'r clystyrydd, dewiswyd model drutach yn gyfrifiadurol.Ymchwiliwyd yn rhifiadol i'r llif chwyrlïo cythryblus y tu mewn i'r clystyrydd gan ddefnyddio dau fodel CFD: SST k–ω51 ac IDDES52.Cymharwyd canlyniadau'r ddau fodel â chanlyniadau PIV arbrofol i ddilysu'r modelau.Yn gyntaf, mae model cynnwrf k-ω SST yn fodel gludedd cythryblus dau hafaliad ar gyfer cymwysiadau dynameg hylif.Mae hwn yn fodel hybrid sy'n cyfuno modelau Wilcox k-ω a k-ε.Mae'r swyddogaeth gymysgu yn actifadu model Wilcox ger y wal a'r model k-ε yn y llif sy'n dod tuag atoch.Mae hyn yn sicrhau bod y model cywir yn cael ei ddefnyddio ledled y maes llif.Mae'n rhagfynegi gwahaniad llif yn gywir oherwydd graddiannau pwysau andwyol.Yn ail, dewiswyd y dull Efelychu Eddy Gohiriedig Uwch (IDDES), a ddefnyddir yn eang yn y model Eddy Eddyiadol Unigol (DES) gyda'r model SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).Mae IDDES yn fodel hybrid RANS-LES (efelychiad eddy mawr) sy'n darparu model efelychu graddio cydraniad (SRS) mwy hyblyg a hawdd ei ddefnyddio.Mae'n seiliedig ar fodel LES i ddatrys trolifau mawr ac yn dychwelyd i SST k-ω i efelychu trolifau ar raddfa fach.Cymharwyd dadansoddiadau ystadegol o'r canlyniadau o'r efelychiadau SST k-ω ac IDDES â chanlyniadau PIV i ddilysu'r model.
Dewiswyd model cynnwrf k-ε dau baramedr fel y model sylfaen cychwynnol.Er mwyn efelychu'n gywir y llif chwyrlïo y tu mewn i'r clystyrydd, dewiswyd model drutach yn gyfrifiadurol.Ymchwiliwyd yn rhifiadol i'r llif chwyrlïo cythryblus y tu mewn i'r clystyrydd gan ddefnyddio dau fodel CFD: SST k–ω51 ac IDDES52.Cymharwyd canlyniadau'r ddau fodel â chanlyniadau PIV arbrofol i ddilysu'r modelau.Yn gyntaf, mae model cynnwrf k-ω SST yn fodel gludedd cythryblus dau hafaliad ar gyfer cymwysiadau dynameg hylif.Mae hwn yn fodel hybrid sy'n cyfuno modelau Wilcox k-ω a k-ε.Mae'r swyddogaeth gymysgu yn actifadu model Wilcox ger y wal a'r model k-ε yn y llif sy'n dod tuag atoch.Mae hyn yn sicrhau bod y model cywir yn cael ei ddefnyddio ledled y maes llif.Mae'n rhagfynegi gwahaniad llif yn gywir oherwydd graddiannau pwysau andwyol.Yn ail, dewiswyd y dull Efelychu Eddy Gohiriedig Uwch (IDDES), a ddefnyddir yn eang yn y model Eddy Eddyiadol Unigol (DES) gyda'r model SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).Mae IDDES yn fodel hybrid RANS-LES (efelychiad eddy mawr) sy'n darparu model efelychu graddio cydraniad (SRS) mwy hyblyg a hawdd ei ddefnyddio.Mae'n seiliedig ar fodel LES i ddatrys trolifau mawr ac yn dychwelyd i SST k-ω i efelychu trolifau ar raddfa fach.Cymharwyd dadansoddiadau ystadegol o'r canlyniadau o'r efelychiadau SST k-ω ac IDDES â chanlyniadau PIV i ddilysu'r model.
Defnyddiwch ddatrysydd dros dro sy'n seiliedig ar bwysau a defnyddiwch ddisgyrchiant i'r cyfeiriad Y.Cyflawnir cylchdroi trwy neilltuo cynnig rhwyll i'r cymysgydd, lle mae tarddiad yr echelin cylchdro ar ganol yr echelin lorweddol ac mae cyfeiriad yr echelin cylchdro yn y cyfeiriad Z.Crëir rhyngwyneb rhwyll ar gyfer y ddau ryngwyneb geometreg enghreifftiol, gan arwain at ddau ymyl blwch ffiniol.Fel yn y dechneg arbrofol, mae'r cyflymder cylchdroi yn cyfateb i 3 a 4 chwyldro.
Gosodwyd yr amodau terfyn ar gyfer waliau'r cymysgydd a'r flocculator gan y wal, a gosodwyd agoriad uchaf y flocculator gan yr allfa gyda phwysedd mesurydd sero (Ffig. 3c).Cynllun cyfathrebu pwysau-cyflymder SYML, discretization o ofod graddiant swyddogaethau ail-drefn gyda'r holl baramedrau yn seiliedig ar elfennau sgwariau lleiaf.Y maen prawf cydgyfeirio ar gyfer yr holl newidynnau llif yw'r gweddilliol graddedig 1 x \({10}^{-3}\).Y nifer uchaf o iteriadau fesul cam amser yw 20, ac mae maint y cam amser yn cyfateb i gylchdro o 0.5 °.Mae'r datrysiad yn cydgyfeirio ar yr 8fed iteriad ar gyfer y model SST k–ω ac ar y 12fed iteriad gan ddefnyddio IDDES.Yn ogystal, cyfrifwyd nifer y camau amser fel bod y cymysgydd yn gwneud o leiaf 12 chwyldro.Cymhwyso samplu data ar gyfer ystadegau amser ar ôl 3 chylchdro, sy'n caniatáu normaleiddio'r llif, yn debyg i'r weithdrefn arbrofol.Mae cymharu allbwn y dolenni cyflymder ar gyfer pob chwyldro yn rhoi'r un canlyniadau yn union ar gyfer y pedwar chwyldro diwethaf, sy'n dangos bod cyflwr cyson wedi'i gyrraedd.Ni wnaeth y diwygiadau ychwanegol wella'r cyfuchliniau cyflymder canolig.
Diffinnir y cam amser mewn perthynas â'r cyflymder cylchdroi, 3 rpm neu 4 rpm.Mae'r cam amser yn cael ei fireinio i'r amser sydd ei angen i gylchdroi'r cymysgydd 0.5 °.Mae hyn yn troi allan i fod yn ddigon, gan fod yr ateb yn cydgyfeirio'n hawdd, fel y disgrifiwyd yn yr adran flaenorol.Felly, gwnaed yr holl gyfrifiadau rhifiadol ar gyfer y ddau fodel cynnwrf gan ddefnyddio cam amser wedi'i addasu o 0.02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) ar gyfer 3 rpm, 0.0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.Ar gyfer cam amser mireinio penodol, mae rhif Courant cell bob amser yn llai nag 1.0.
Er mwyn archwilio dibyniaeth ar rwyll fodel, cafwyd canlyniadau yn gyntaf gan ddefnyddio'r rhwyll 2.14M gwreiddiol ac yna'r rhwyll 2.88M wedi'i mireinio.Cyflawnir mireinio grid trwy leihau maint celloedd y corff cymysgu o 9 × \({10}^{-3}\) m i 7 × \({10}^{-3}\) m.Ar gyfer rhwyllau gwreiddiol a mireinio'r ddau fodel cynnwrf, cymharwyd gwerthoedd cyfartalog y modiwlau cyflymder mewn gwahanol leoedd o amgylch y llafn.Y gwahaniaeth canrannol rhwng y canlyniadau yw 1.73% ar gyfer y model SST k–ω a 3.51% ar gyfer model IDDES.Mae IDDES yn dangos gwahaniaeth canrannol uwch oherwydd ei fod yn fodel hybrid RANS-LES.Ystyriwyd y gwahaniaethau hyn yn ddi-nod, felly perfformiwyd yr efelychiad gan ddefnyddio'r rhwyll wreiddiol gyda 2.14 miliwn o elfennau a cham amser cylchdroi o 0.5 °.
Archwiliwyd atgynhyrchedd canlyniadau'r arbrawf trwy berfformio pob un o'r chwe arbrawf yr eildro a chymharu'r canlyniadau.Cymharwch y gwerthoedd cyflymder ar ganol y llafn mewn dwy gyfres o arbrofion.Y gwahaniaeth canrannol cyfartalog rhwng y ddau grŵp arbrofol oedd 3.1%.Cafodd y system PIV ei hail-raddnodi'n annibynnol hefyd ar gyfer pob arbrawf.Cymharwch y cyflymder a gyfrifwyd yn ddadansoddol ar ganol pob llafn gyda'r cyflymder PIV yn yr un lleoliad.Mae'r gymhariaeth hon yn dangos y gwahaniaeth gyda gwall canran uchaf o 6.5% ar gyfer llafn 1.
Cyn meintioli'r ffactor llithro, mae angen deall yn wyddonol y cysyniad o lithro mewn flocculator padlo, sy'n gofyn am astudio'r strwythur llif o amgylch padlau'r flocculator.Yn gysyniadol, mae'r cyfernod slip wedi'i ymgorffori yn nyluniad y fflocwyr padlo i ystyried cyflymder y llafnau o'i gymharu â'r dŵr.Mae'r llenyddiaeth yn argymell bod y cyflymder hwn yn 75% o gyflymder y llafn, felly mae'r rhan fwyaf o ddyluniadau fel arfer yn defnyddio ak o 0.25 i gyfrif am yr addasiad hwn.Mae hyn yn gofyn am ddefnyddio llifliniau cyflymder sy'n deillio o arbrofion PIV i ddeall maes cyflymder llif yn llawn ac astudio'r llithriad hwn.Llafn 1 yw'r llafn mwyaf mewnol agosaf at y siafft, llafn 3 yw'r llafn mwyaf allanol, a llafn 2 yw'r llafn canol.
Mae'r llifliniau cyflymder ar lafn 1 yn dangos llif cylchdroi uniongyrchol o amgylch y llafn.Mae'r patrymau llif hyn yn deillio o bwynt ar ochr dde'r llafn, rhwng y rotor a'r llafn.O edrych ar yr ardal a nodir gan y blwch dot coch yn Ffigur 4a, mae'n ddiddorol nodi agwedd arall ar y llif ailgylchredeg uwchben ac o amgylch y llafn.Nid yw delweddu llif yn dangos llawer o lif i'r parth ailgylchredeg.Mae'r llif hwn yn agosáu o ochr dde'r llafn ar uchder o tua 6 cm o ddiwedd y llafn, o bosibl oherwydd dylanwad llafn cyntaf y llaw cyn y llafn, sydd i'w weld yn y ddelwedd.Mae delweddu llif ar 4 rpm yn dangos yr un ymddygiad a strwythur, yn ôl pob tebyg gyda chyflymder uwch.
Graffiau maes cyflymder a cherrynt o dri llafn ar ddau gyflymder cylchdro o 3 rpm a 4 rpm.Cyflymder cyfartalog uchaf y tair llafn ar 3 rpm yw 0.15 m/s, 0.20 m/s a 0.16 m/s yn y drefn honno, a'r cyflymder cyfartalog uchaf ar 4 rpm yw 0.15 m/s, 0.22 m/s a 0.22 m/s s, yn y drefn honno.ar dair tudalen.
Darganfuwyd ffurf arall ar lif helical rhwng vanes 1 a 2. Mae maes y fector yn dangos yn glir bod llif y dŵr yn symud i fyny o waelod ceiliog 2, fel y dangosir gan gyfeiriad y fector.Fel y dangosir gan y blwch dotiog yn Ffig. 4b, nid yw'r fectorau hyn yn mynd yn fertigol i fyny o wyneb y llafn, ond yn troi i'r dde ac yn disgyn yn raddol.Ar wyneb y llafn 1, mae fectorau ar i lawr yn cael eu gwahaniaethu, sy'n agosáu at y ddau lafn ac yn eu hamgylchynu o'r llif ailgylchredeg a ffurfiwyd rhyngddynt.Penderfynwyd ar yr un strwythur llif ar y ddau gyflymder cylchdroi gydag osgled cyflymder uwch o 4 rpm.
Nid yw maes cyflymder llafn 3 yn gwneud cyfraniad sylweddol o fector cyflymder y llafn blaenorol sy'n ymuno â'r llif islaw llafn 3. Mae'r prif lif o dan llafn 3 oherwydd bod y fector cyflymder fertigol yn codi gyda'r dŵr.
Gellir rhannu'r fectorau cyflymder dros wyneb llafn 3 yn dri grŵp, fel y dangosir yn Ffig. 4c.Y set gyntaf yw'r un ar ymyl dde'r llafn.Mae'r strwythur llif yn y safle hwn yn syth i'r dde ac i fyny (hy tuag at lafn 2).Yr ail grŵp yw canol y llafn.Mae'r fector cyflymder ar gyfer y safle hwn yn cael ei gyfeirio'n syth i fyny, heb unrhyw wyriad a heb gylchdroi.Penderfynwyd ar y gostyngiad yn y gwerth cyflymder gyda chynnydd yn yr uchder uwchben diwedd y llafn.Ar gyfer y trydydd grŵp, sydd wedi'i leoli ar gyrion chwith y llafnau, mae'r llif yn cael ei gyfeirio ar unwaith i'r chwith, hy i wal y flocculator.Mae'r rhan fwyaf o'r llif a gynrychiolir gan y fector cyflymder yn mynd i fyny, ac mae rhan o'r llif yn mynd i lawr yn llorweddol.
Defnyddiwyd dau fodel cynnwrf, SST k–ω ac IDDES, i adeiladu proffiliau cyflymder cyfartalog amser ar gyfer 3 rpm a 4 rpm yn yr awyren hyd cymedrig y llafn.Fel y dangosir yn Ffigur 5, cyflawnir cyflwr cyson trwy gyflawni tebygrwydd absoliwt rhwng y cyfuchliniau cyflymder a grëir gan bedwar cylchdro olynol.Yn ogystal, dangosir y cyfuchliniau cyflymder cyfartalog amser a gynhyrchir gan IDDES yn Ffig. 6a, tra dangosir y proffiliau cyflymder cyfartalog amser a gynhyrchir gan SST k – ω yn Ffig. 6a.6b.
Gan ddefnyddio IDDES a dolenni cyflymder ar gyfartaledd a gynhyrchir gan SST k–ω, mae gan IDDES gyfran uwch o ddolenni cyflymder.
Archwiliwch y proffil cyflymder a grëwyd gydag IDDES yn ofalus ar 3 rpm fel y dangosir yn Ffigur 7. Mae'r cymysgydd yn cylchdroi clocwedd a thrafodir y llif yn ôl y nodiadau a ddangosir.
Ar ffig.7 gellir gweld bod gwahaniad y llif ar wyneb y llafn 3 yn y cwadrant I, gan nad yw'r llif yn cael ei gyfyngu oherwydd presenoldeb y twll uchaf.Yn cwadrant II ni welir unrhyw wahaniad rhwng y llif, gan fod y llif wedi'i gyfyngu'n llwyr gan waliau'r clystyrydd.Yn cwadrant III, mae'r dŵr yn cylchdroi ar fuanedd llawer is neu is nag yn y cwadrantau blaenorol.Mae'r dŵr yng nghwadrantau I a II yn cael ei symud (hy ei gylchdroi neu ei wthio allan) i lawr gan weithred y cymysgydd.Ac mewn cwadrant III, mae'r dŵr yn cael ei wthio allan gan lafnau'r cynhyrfwr.Mae'n amlwg bod y màs dŵr yn y lle hwn yn gwrthsefyll y llawes flocculator agosáu.Mae'r llif cylchdro yn y cwadrant hwn wedi'i wahanu'n llwyr.Ar gyfer cwadrant IV, mae'r rhan fwyaf o'r llif aer uwchben ceiliog 3 yn cael ei gyfeirio tuag at y wal flocculator ac yn raddol yn colli ei faint wrth i'r uchder gynyddu i'r agoriad uchaf.
Yn ogystal, mae'r lleoliad canolog yn cynnwys patrymau llif cymhleth sy'n dominyddu cwadrantau III a IV, fel y dangosir gan yr elipsau dot glas.Nid oes gan yr ardal farcio hon unrhyw beth i'w wneud â'r llif chwyrlïol yn y clystyrydd padlo, oherwydd gellir nodi'r mudiant chwyrlïol.Mae hyn mewn cyferbyniad â chwadrantau I a II lle mae gwahaniad clir rhwng llif mewnol a llif cylchdro llawn.
Fel y dangosir yn ffig.6, gan gymharu canlyniadau IDDES a SST k-ω, y prif wahaniaeth rhwng y cyfuchliniau cyflymder yw maint y cyflymder yn union o dan y llafn 3. Mae'r model SST k-ω yn dangos yn glir bod llif cyflymder uchel estynedig yn cael ei gludo gan lafn 3 o'i gymharu ag IDDES.
Ceir gwahaniaeth arall yn pedrant III.O'r IDDES, fel y crybwyllwyd yn gynharach, nodwyd gwahaniad llif cylchdro rhwng y breichiau flocculator.Fodd bynnag, mae'r llif cyflymder isel o'r corneli a thu mewn i'r llafn cyntaf yn effeithio'n fawr ar y sefyllfa hon.O SST k–ω ar gyfer yr un lleoliad, mae'r cyfuchliniau'n dangos cyflymderau cymharol uwch o gymharu ag IDDES oherwydd nad oes llif cydlifiad o ranbarthau eraill.
Mae angen dealltwriaeth ansoddol o'r meysydd fector cyflymder a llifliniau i gael dealltwriaeth gywir o ymddygiad a strwythur y llif.O ystyried bod pob llafn yn 5 cm o led, dewiswyd saith pwynt cyflymder ar draws y lled i ddarparu proffil cyflymder cynrychioliadol.Yn ogystal, mae angen dealltwriaeth feintiol o faint y cyflymder fel swyddogaeth uchder uwchben wyneb y llafn trwy blotio'r proffil cyflymder yn uniongyrchol dros wyneb pob llafn a thros bellter di-dor o 2.5 cm yn fertigol hyd at uchder o 10 cm.Gweler S1, S2 ac S3 yn y ffigur am ragor o wybodaeth.Mae Atodiad A. Mae Ffigur 8 yn dangos tebygrwydd dosbarthiad cyflymder arwyneb pob llafn (Y = 0.0) a gafwyd gan ddefnyddio arbrofion PIV a dadansoddiad ANSYS-Hugl gan ddefnyddio IDDES a SST k-ω.Mae'r ddau fodel rhifiadol yn ei gwneud hi'n bosibl efelychu'n gywir y strwythur llif ar wyneb y llafnau flocsiant.
Dosbarthiadau cyflymder PIV, IDDES a SST k–ω ar wyneb y llafn.Mae'r echelin x yn cynrychioli lled pob dalen mewn milimetrau, gyda'r tarddiad (0 mm) yn cynrychioli ymyl chwith y ddalen a'r diwedd (50 mm) yn cynrychioli ymyl dde'r ddalen.
Mae'n amlwg bod dosbarthiadau cyflymder llafnau 2 a 3 i'w gweld yn Ffig.8 a Ffig.8.Mae S2 a S3 yn Atodiad A yn dangos tueddiadau tebyg gydag uchder, tra bod llafn 1 yn newid yn annibynnol.Mae proffiliau cyflymder llafnau 2 a 3 yn dod yn berffaith syth ac mae ganddynt yr un osgled ar uchder o 10 cm o ddiwedd y llafn.Mae hyn yn golygu bod y llif yn dod yn unffurf ar y pwynt hwn.Mae hyn i'w weld yn glir o'r canlyniadau PIV, sy'n cael eu hatgynhyrchu'n dda gan IDDES.Yn y cyfamser, mae canlyniadau SST k-ω yn dangos rhai gwahaniaethau, yn enwedig ar 4 rpm.
Mae'n bwysig nodi bod llafn 1 yn cadw'r un siâp â'r proffil cyflymder ym mhob safle ac nad yw wedi'i normaleiddio o ran uchder, gan fod y chwyrlïo a ffurfiwyd yng nghanol y cymysgydd yn cynnwys llafn cyntaf yr holl fraich.Hefyd, o'i gymharu ag IDDES, dangosodd proffiliau cyflymder llafn PIV 2 a 3 werthoedd cyflymder ychydig yn uwch yn y rhan fwyaf o leoliadau nes eu bod bron yn gyfartal ar 10 cm uwchben wyneb y llafn.
Amser postio: Rhagfyr 27-2022