תודה שביקרת ב-Nature.com.אתה משתמש בגרסת דפדפן עם תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בנוסף, כדי להבטיח תמיכה שוטפת, אנו מציגים את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
סוג 316Ti (UNS 31635) היא פלדת אל חלד אוסטניטית כרום-ניקל מיוצבת טיטניום המכילה מוליבדן.תוספת זו מגבירה את העמידות בפני קורוזיה, משפרת את העמידות בפני תמיסות יוני כלוריד ומספקת חוזק מוגבר בטמפרטורות גבוהות.המאפיינים דומים לאלו של סוג 316, מלבד העובדה ש-316Ti בשל תוספת הטיטניום שלו ניתן להשתמש בטמפרטורות רגישות גבוהות.עמידות בפני קורוזיה משופרת, במיוחד נגד חומצות גופרית, הידרוכלוריות, אצטית, פורמית וטרטרית, חומצות סולפטים וכלורידים אלקליים.
תרכובת כימית:
| 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 |
מאפיינים: חישול:
חוזק מתיחה אולטימטיבי: 75 KSI דקות (515 MPa דקות)
חוזק תפוקה: (0.2% היסט) 30 KSI דקות (205 MPa דקות)
התארכות: 40% דקות
קשיות: Rb 95 מקסימום
סליידרים המציגים שלושה מאמרים בכל שקופית.השתמש בלחצנים 'הקודם' וה'הבא' כדי לעבור בין השקופיות, או בלחצני בקר השקופיות שבקצה כדי לעבור בין כל שקופית.
במחקר זה, ההידרודינמיקה של flocculation מוערכת על ידי חקירה ניסויית ומספרית של שדה מהירות הזרימה הסוערת ב-flocculator בקנה מידה מעבדתי.הזרימה הסוערת המקדמת צבירת חלקיקים או פירוק גוש היא מורכבת והיא נחשבת והשוותה במאמר זה תוך שימוש בשני מודלים של מערבולות, כלומר SST k-ω ו-IDDES.התוצאות מראות ש-IDDES מספק שיפור קטן מאוד ביחס ל-SST k-ω, אשר מספיק כדי לדמות במדויק זרימה בתוך פקעת משוטים.ציון ההתאמה משמש כדי לחקור את ההתכנסות של תוצאות PIV ו-CFD, ולהשוואת התוצאות של מודל הטורבולנציה של CFD בשימוש.המחקר מתמקד גם בכימות גורם ההחלקה k, שהוא 0.18 במהירויות נמוכות של 3 ו-4 סל"ד בהשוואה לערך הטיפוסי הרגיל של 0.25.הקטנת k מ-0.25 ל-0.18 מגדילה את הכוח הנמסר לנוזל בכ-27-30% ומגדילה את שיפוע המהירות (G) בכ-14%.המשמעות היא שמספקים יותר תסיסה מהצפוי, לכן צורכים פחות אנרגיה ולכן צריכת האנרגיה ביחידת הצפירה של המתקן לטיפול במי השתייה יכולה להיות נמוכה יותר.
בטיהור מים, הוספה של חומרי קרישה מערערת את היציבות של חלקיקים וזיהומים קולואידים קטנים, אשר מתאחדים לאחר מכן ויוצרים קצף בשלב הצפיפות.פתיתים הם אגרגטים פרקטליים של מסה קשורים באופן רופף, אשר מוסרים לאחר מכן על ידי שקיעה.תכונות החלקיקים ותנאי ערבוב הנוזל קובעים את היעילות של תהליך הצפצופים והטיפול.פלוקולציה מצריכה ערבול איטי לפרק זמן קצר יחסית ואנרגיה רבה כדי לעורר כמויות גדולות של מים1.
במהלך הצקות, ההידרודינמיקה של המערכת כולה והכימיה של אינטראקציה בין קרישה לחלקיקים קובעות את הקצב שבו מושגת התפלגות גודל חלקיקים נייחת2.כאשר חלקיקים מתנגשים, הם נדבקים זה לזה3.Oyegbile, Ay4 דיווח כי התנגשויות תלויות במנגנוני התעבורה של הצקות של דיפוזיה בראונית, גזירת נוזלים ושקיעת דיפרנציאלית.כאשר הפתיתים מתנגשים, הם גדלים ומגיעים למגבלת גודל מסוימת, מה שעלול להוביל לשבירה, שכן הפתיתים אינם יכולים לעמוד בכוח הכוחות ההידרודינמיים5.חלק מהפתיתים השבורים הללו מתחברים לקטנים יותר או באותו גודל6.עם זאת, פתיתים חזקים יכולים להתנגד לכוח הזה ולשמור על גודלם ואף לגדול7.יוקסלן וגרגורי8 דיווחו על מחקרים הקשורים להרס של פתיתים ויכולתם להתחדש, והראו שהאי-הפיך מוגבל.ברידג'מן, ג'פרסון9 השתמש ב-CFD כדי להעריך את ההשפעה המקומית של זרימה ממוצעת ומערבולת על היווצרות פקקים ופיצול דרך שיפועים מקומיים של מהירות.במיכלים המצוידים בלהבי רוטור, יש צורך לשנות את המהירות שבה האגרגטים מתנגשים בחלקיקים אחרים כאשר הם מעורערים מספיק בשלב הקרישה.על ידי שימוש ב-CFD ומהירויות סיבוב נמוכות יותר של כ-15 סל"ד, Vadasarukkai ו-Gagnon11 הצליחו להשיג את ערך ה-G עבור תנועת ההנעה החרוטית, ובכך למזער את צריכת החשמל עבור ערבול.עם זאת, הפעלה בערכי G גבוהים יותר עלולה להוביל להצקה.הם חקרו את ההשפעה של מהירות ערבוב על קביעת שיפוע המהירות הממוצע של פקקולר משוט טייס.הם מסתובבים במהירות של יותר מ-5 סל"ד.
Korpijärvi, Ahlstedt12 השתמש בארבעה מודלים שונים של טורבולנס כדי לחקור את שדה הזרימה על ספסל בדיקה של מיכל.הם מדדו את שדה הזרימה עם מד רוח דופלר בלייזר ו-PIV והשוו את התוצאות המחושבות עם התוצאות הנמדדות.דה אוליביירה ודונאדל13 הציעו שיטה חלופית להערכת גרדיאנטים של מהירות ממאפיינים הידרודינמיים באמצעות CFD.השיטה המוצעת נבדקה על שש יחידות פקקולציה המבוססות על גיאומטריה סלילנית.העריך את ההשפעה של זמן השמירה על פקקים והציע מודל פקקולציה שיכול לשמש ככלי לתמיכה בתכנון תאים רציונלי עם זמני שמירה נמוכים14.Zhan, You15 הציע מודל משולב של CFD ואיזון אוכלוסיה כדי לדמות מאפייני זרימה והתנהגות של פלוק בקנה מידה מלא.Llano-Serna, Coral-Portillo16 חקרה את מאפייני הזרימה של הידרופלוקולטור מסוג קוקס במפעל לטיפול במים ב-Viterbo, קולומביה.למרות של-CFD יש את היתרונות שלו, ישנן גם מגבלות כמו שגיאות מספריות בחישובים.לכן, יש לבחון ולנתח בקפידה כל תוצאות מספריות שהתקבלו כדי להסיק מסקנות קריטיות17.יש מעט מחקרים בספרות על תכנון של פקקים אופקיים, בעוד שההמלצות לתכנון פקקים הידרודינמיים מוגבלות18.Chen, Liao19 השתמשו במערך ניסיוני המבוסס על פיזור אור מקוטב כדי למדוד את מצב הקיטוב של אור מפוזר מחלקיקים בודדים.Feng, Zhang20 השתמשה ב-Ansys-Fluent כדי לדמות את התפלגות זרמי מערבולת ומערבולת בשדה הזרימה של קצף צלחות קרושה ומקצף בין-גלי.לאחר הדמיית זרימת נוזלים סוערת ב-flocculator באמצעות Ansys-Fluent, Gavi21 השתמשה בתוצאות כדי לתכנן את הפלocculator.Vaneli ו-Teixeira22 דיווחו כי הקשר בין דינמיקת הנוזלים של פקטורי צינורות ספירליים לבין תהליך ה-flocculation עדיין אינו מובן כהלכה כדי לתמוך בתכנון רציונלי.de Oliveira ו-Costa Teixeira23 חקרו את היעילות והדגימו את המאפיינים ההידרודינמיים של קצף הצינורות הספירליים באמצעות ניסויים בפיסיקה וסימולציות CFD.חוקרים רבים חקרו כורי צינורות מפותלים או כורי צינור מפותלים.עם זאת, עדיין חסר מידע הידרודינמי מפורט על התגובה של כורים אלה לתכנונים ותנאי הפעלה שונים (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira ו-Teixeira26 מציגים תוצאות מקוריות מסימולציות תיאורטיות, ניסיוניות ו-CFD של פלקולטור ספירלי.Oliveira ו-Teixeira27 הציעו להשתמש בסליל ספירלי בתור כור קרישה-פלוקולציה בשילוב עם מערכת דקנטר קונבנציונלית.הם מדווחים כי התוצאות המתקבלות עבור יעילות הסרת עכירות שונות באופן משמעותי מאלו שהתקבלו במודלים נפוצים להערכת פקקולציה, דבר המצביע על זהירות בעת שימוש במודלים כאלה.Moruzzi and de Oliveira [28] דגלו את ההתנהגות של מערכת של תאי צפצופים רציפים בתנאי הפעלה שונים, כולל שינויים במספר החדרים בשימוש ושימוש בשיפועים קבועים או מותאמים של מהירות תאים.Romphophak, Le Men29 מדידות PIV של מהירויות מיידיות בחומרי ניקוי סילון מעין דו מימדיים.הם מצאו סירקולציה חזקה המושרה על ידי סילון באזור ה-flocculation והעריכו שיעורי גזירה מקומיים ומידיים.
Shah, Joshi30 מדווחים כי CFD מציע חלופה מעניינת לשיפור עיצובים וקבלת מאפייני זרימה וירטואליים.זה עוזר להימנע מהגדרות ניסוי נרחבות.נעשה שימוש יותר ויותר ב-CFD לניתוח מתקני טיהור מים ושפכים (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).מספר חוקרים ביצעו ניסויים בציוד לבדיקת קופסאות (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) ו-Flocculators discs מחוררים31.אחרים השתמשו ב-CFD כדי להעריך הידרופלוקולטורים (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 דיווח כי פקקים מכניים דורשים תחזוקה שוטפת מכיוון שלעתים קרובות הם מתקלקלים ודורשים הרבה חשמל.
הביצועים של משוט משוטים תלויים מאוד בהידרודינמיקה של המאגר.חוסר ההבנה הכמותית של שדות מהירות הזרימה בפלקולטורים כאלה מצוין בבירור בספרות (Howe, Hand38; Hendricks39).כל מסת המים כפופה לתנועת האימפלר של האימפלר, ולכן צפויה החלקה.בדרך כלל, מהירות הנוזל קטנה ממהירות הלהב לפי גורם ההחלקה k, המוגדר כיחס בין מהירות גוף המים למהירות גלגל ההנעה.Bhole40 דיווח כי ישנם שלושה גורמים לא ידועים שיש לקחת בחשבון בעת תכנון פלוקולטור, כלומר שיפוע המהירות, מקדם הגרר והמהירות היחסית של המים ביחס ללהב.
Camp41 מדווח שכאשר בוחנים מכונות מהירות גבוהות, המהירות היא כ-24% ממהירות הרוטור ועד 32% עבור מכונות מהירות נמוכה.בהיעדר מחיצות, Droste ו-Ger42 השתמשו בערך ak של 0.25, בעוד שבמקרה של septa, k נע בין 0 ל-0.15.Howe, Hand38 מציע ש-k הוא בטווח של 0.2 עד 0.3.Hendrix39 קשר את גורם ההחלקה למהירות הסיבוב באמצעות נוסחה אמפירית והגיע למסקנה שגם גורם ההחלקה נמצא בטווח שנקבע על ידי Camp41.Bratby43 דיווח כי k הוא כ-0.2 עבור מהירויות אימפלר מ-1.8 עד 5.4 סל"ד ועולה ל-0.35 עבור מהירויות אימפלר מ-0.9 עד 3 סל"ד.חוקרים אחרים מדווחים על מגוון רחב של ערכי מקדם גרר (Cd) מ-1.0 עד 1.8 וערכי מקדם החלקה k מ-0.25 עד 0.40 (Feir and Geyer44; Hyde and Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; and Bratby and Marais48 ).הספרות אינה מראה התקדמות משמעותית בהגדרה וכימות K מאז עבודתו של Camp41.
תהליך ה-flocculation מבוסס על מערבולות כדי להקל על התנגשויות, כאשר שיפוע המהירות (G) משמש למדידת מערבולות/פלוקולציה.ערבוב הוא תהליך של פיזור מהיר ואחיד של כימיקלים במים.מידת הערבוב נמדדת לפי שיפוע המהירות:
כאשר G = שיפוע מהירות (sec-1), P = קלט הספק (W), V = נפח מים (m3), μ = צמיגות דינמית (Pa s).
ככל שערך G גבוה יותר, מעורב יותר.ערבוב יסודי חיוני כדי להבטיח קרישה אחידה.הספרות מציינת שפרמטרי התכנון החשובים ביותר הם זמן ערבוב (t) ושיפוע מהירות (G).תהליך ה-flocculation מבוסס על מערבולות כדי להקל על התנגשויות, כאשר שיפוע המהירות (G) משמש למדידת מערבולות/פלוקולציה.ערכי עיצוב טיפוסיים עבור G הם 20 עד 70 s–1, t הוא 15 עד 30 דקות, ו-Gt (ללא מימד) הוא 104 עד 105. מיכלי תערובת מהירים עובדים בצורה הטובה ביותר עם ערכי G של 700 עד 1000, עם שהות זמן בערך 2 דקות.
כאשר P הוא ההספק המוענק לנוזל על ידי כל להב של פלוקולטור, N הוא מהירות הסיבוב, b הוא אורך הלהב, ρ הוא צפיפות המים, r הוא הרדיוס, ו-k הוא מקדם ההחלקה.משוואה זו מיושמת על כל להב בנפרד והתוצאות מסוכמות כדי לתת את קלט הכוח הכולל של הפלקולטור.מחקר מדוקדק של משוואה זו מראה את חשיבותו של גורם ההחלקה k בתהליך התכנון של משוט משוט.הספרות אינה מציינת את הערך המדויק של k, אלא ממליצה על טווח כפי שצוין קודם לכן.עם זאת, הקשר בין ההספק P למקדם ההחלקה k הוא מעוקב.כך, בתנאי שכל הפרמטרים זהים, למשל, שינוי k מ-0.25 ל-0.3 יוביל לירידה בכוח המועבר לנוזל לכל להב בכ-20%, והפחתת k מ-0.25 ל-0.18 תגדיל אותה.בכ-27-30% לכל שבשבת הכוח המוענק לנוזל.בסופו של דבר, יש לחקור את ההשפעה של k על תכנון משוט בר קיימא באמצעות כימות טכני.
כימות אמפירי מדויק של החלקה דורש הדמיית זרימה וסימולציה.לכן, חשוב לתאר את המהירות המשיקית של הלהב במים במהירות סיבוב מסוימת במרחקים רדיאליים שונים מהפיר ובעומקים שונים משטח המים על מנת להעריך את ההשפעה של מיקומי להב שונים.
במחקר זה, ההידרודינמיקה של flocculation מוערכת על ידי חקירה ניסויית ומספרית של שדה מהירות הזרימה הסוערת ב-flocculator בקנה מידה מעבדתי.מדידות ה-PIV נרשמות על ה-flocculator, ויוצרות קווי מתאר של מהירות ממוצעת בזמן המציגים את מהירות חלקיקי המים סביב העלים.בנוסף, נעשה שימוש ב-ANSYS-Fluent CFD כדי לדמות את הזרימה המתערבלת בתוך הפלוקולטור וליצור קווי מתאר של מהירות ממוצעת בזמן.מודל ה-CFD שהתקבל אושר על ידי הערכת ההתאמה בין תוצאות ה-PIV וה-CFD.ההתמקדות של עבודה זו היא בכימות מקדם ההחלקה k, שהוא פרמטר עיצוב חסר מימדים של משוט משוט.העבודה המוצגת כאן מספקת בסיס חדש לכימות מקדם ההחלקה k במהירויות נמוכות של 3 סל"ד ו-4 סל"ד.ההשלכות של התוצאות תורמות ישירות להבנה טובה יותר של ההידרודינמיקה של מיכל הצקות.
פקקת המעבדה מורכבת מקופסה מלבנית פתוחה בגובה כולל של 147 ס"מ, גובה של 39 ס"מ, רוחב כולל של 118 ס"מ ואורך כולל של 138 ס"מ (איור 1).קריטריוני התכנון העיקריים שפותחו על ידי Camp49 שימשו לתכנון מכשיר משוט בקנה מידה מעבדתי וליישם את העקרונות של ניתוח ממדים.מתקן הניסוי נבנה במעבדה להנדסה סביבתית של האוניברסיטה הלבנונית האמריקאית (בייבלוס, לבנון).
הציר האופקי ממוקם בגובה 60 ס"מ מלמטה ומכיל שני גלגלי משוטים.כל גלגל משוטים מורכב מ-4 משוטים עם 3 משוטים על כל משוט סה"כ 12 משוטים.צפצופים דורשים ערבול עדין במהירות נמוכה של 2 עד 6 סל"ד.מהירויות הערבוב הנפוצות ביותר בפלקולטורים הן 3 סל"ד ו-4 סל"ד.זרימת פקקולטור בקנה מידה מעבדתי מתוכננת לייצג את הזרימה בתא מיכל ה- flocculation של מתקן לטיפול במי שתייה.הספק מחושב באמצעות המשוואה המסורתית 42.עבור שתי מהירויות הסיבוב, שיפוע המהירות \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) גדול מ-10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , מספר ריינולדס מציין זרימה סוערת (טבלה 1).
PIV משמש להשגת מדידות מדויקות וכמותיות של וקטורים של מהירות נוזל בו זמנית במספר גדול מאוד של נקודות50.מערך הניסוי כלל מכשיר משוט בקנה מידה מעבדה, מערכת LaVision PIV (2017) וטריגר חיישן לייזר חיצוני של Arduino.כדי ליצור פרופילי מהירות ממוצעים בזמן, תמונות PIV תועדו ברצף באותו מיקום.מערכת ה-PIV מכוילת כך שאזור המטרה נמצא בנקודת האמצע של אורך כל אחד משלושת הלהבים של זרוע ההנעה מסוימת.הדק החיצוני מורכב מלייזר הממוקם בצד אחד של רוחב ה-flocculator ומקלט חיישן בצד השני.בכל פעם שזרוע ה-Flocculator חוסמת את נתיב הלייזר, נשלח אות למערכת PIV כדי ללכוד תמונה עם הלייזר PIV והמצלמה המסונכרנים עם יחידת תזמון הניתנת לתכנות.על איור.2 מציג את ההתקנה של מערכת PIV ואת תהליך רכישת התמונה.
ההקלטה של PIV החלה לאחר שהפלקולטור הופעל במשך 5-10 דקות כדי לנרמל את הזרימה ולקחת בחשבון את אותו שדה מקדם השבירה.הכיול מושג על ידי שימוש בצלחת כיול הטבולה בפלקולטור וממוקמת בנקודת האמצע של אורך הלהב המעניין.התאם את המיקום של לייזר PIV כדי ליצור גיליון אור שטוח ישירות מעל לוח הכיול.רשמו את הערכים הנמדדים עבור כל מהירות סיבוב של כל להב, ומהירויות הסיבוב שנבחרו לניסוי הן 3 סל"ד ו-4 סל"ד.
עבור כל הקלטות ה-PIV, מרווח הזמן בין שני פולסי לייזר נקבע בטווח שבין 6900 ל-7700 µs, מה שאיפשר תזוזה מינימלית של חלקיקים של 5 פיקסלים.בדיקות פיילוט בוצעו במספר התמונות הנדרשות כדי לקבל מדידות מדויקות בממוצע זמן.סטטיסטיקות וקטור הושוו עבור דגימות המכילות 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 ו-280 תמונות.נמצא שגודל מדגם של 240 תמונות נותן תוצאות יציבות בממוצע בזמן, בהתחשב בכך שכל תמונה מורכבת משתי פריימים.
מכיוון שהזרימה בפלקולטור סוערת, נדרש חלון חקירה קטן ומספר רב של חלקיקים כדי לפתור מבנים סוערים קטנים.מספר איטרציות של הפחתת גודל מיושמות יחד עם אלגוריתם מתאם צולב כדי להבטיח דיוק.גודל חלון סקר ראשוני של 48×48 פיקסלים עם 50% חפיפה ותהליך התאמה אחד, ואחריו גודל חלון סקר סופי של 32×32 פיקסלים עם 100% חפיפה ושני תהליכי התאמה.בנוסף, כדורי זכוכית חלולים שימשו כחלקיקי זרע בזרימה, מה שאפשר לפחות 10 חלקיקים לכל חלון סקר.הקלטת ה-PIV יזומה על ידי מקור טריגר בתוך יחידת תזמון ניתנת לתכנות (PTU), אשר אחראית על ההפעלה והסנכרון של מקור הלייזר והמצלמה.
חבילת ה-CFD המסחרית ANSYS Fluent v 19.1 שימשה לפיתוח מודל התלת-ממד ולפתור את משוואות הזרימה הבסיסיות.
באמצעות ANSYS-Fluent, נוצר מודל תלת-ממדי של מכשיר משוט בקנה מידה מעבדתי.הדגם עשוי בצורת קופסה מלבנית, המורכבת משני גלגלי משוטים המורכבים על ציר אופקי, כמו דגם המעבדה.הדגם ללא פריבורד בגובה 108 ס"מ, רוחב 118 ס"מ ואורך 138 ס"מ.מסביב למיקסר נוסף מישור גלילי אופקי.יצירת מישור גלילי צריך ליישם את סיבוב המערבל כולו במהלך שלב ההתקנה ולדמות את שדה הזרימה המסתובב בתוך הפלקולטור, כפי שמוצג באיור 3א.
דיאגרמת גיאומטריית ANSYS שוטפת ומודל תלת-ממדית, רשת גוף פלקולטור שוטפת של ANSYS במישור העניין, דיאגרמת ANSYS שוטפת במישור העניין.
גיאומטריית המודל מורכבת משני אזורים, שכל אחד מהם הוא נוזל.זה מושג באמצעות פונקציית החיסור הלוגי.ראשית יש להחסיר את הגליל (כולל המיקסר) מהקופסה כדי לייצג את הנוזל.לאחר מכן מחסירים את המיקסר מהגליל, וכתוצאה מכך שני חפצים: המיקסר והנוזל.לבסוף הוחל ממשק הזזה בין שני האזורים: ממשק צילינדר-גליל וממשק צילינדר-מערבל (איור 3א).
החיבור של המודלים שנבנו הושלם כדי לעמוד בדרישות של דגמי הטורבולנס שישמשו להפעלת ההדמיות המספריות.נעשה שימוש ברשת לא מובנית עם שכבות מורחבות ליד המשטח המוצק.צור שכבות התפשטות לכל הקירות עם קצב צמיחה של 1.2 כדי להבטיח שדפוסי זרימה מורכבים ייקלטו, עם עובי שכבה ראשונה של \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m כדי להבטיח ש-\ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).גודל הגוף מותאם בשיטת התאמת הטטרהדרון.נוצר גודל צד קדמי של שני ממשקים עם גודל אלמנט של 2.5 × \({10}^{-3}\) m, וגודל חזית מיקסר של 9 × \({10}^{-3}\ ) m מוחל.הרשת שנוצרה הראשונית כללה 2144409 אלמנטים (איור 3b).
מודל טורבולנציות k-ε בעל שני פרמטרים נבחר כמודל הבסיס הראשוני.כדי לדמות במדויק את הזרימה המתערבלת בתוך הפלקולטור, נבחר מודל יקר יותר מבחינה חישובית.הזרימה המתערבלת הסוערת בתוך המצוקה נחקרה מספרית באמצעות שני מודלים של CFD: SST k–ω51 ו-IDDES52.התוצאות של שני המודלים הושוו לתוצאות PIV ניסיוניות כדי לאמת את המודלים.ראשית, מודל הטורבולנטיות SST k-ω הוא מודל צמיגות טורבולנטי עם שתי משוואות עבור יישומי דינמיקה של נוזלים.זהו דגם היברידי המשלב את דגמי Wilcox k-ω ו-k-ε.פונקציית הערבוב מפעילה את מודל Wilcox ליד הקיר ואת מודל k-ε בזרימה המתקרבת.זה מבטיח כי נעשה שימוש במודל הנכון בכל שדה הזרימה.הוא חוזה במדויק הפרדת זרימה עקב שיפוע לחץ שלילי.שנית, נבחרה השיטה Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), בשימוש נרחב במודל Individual Eddy Simulation (DES) עם מודל SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES הוא מודל RANS-LES היברידי (סימולציית מערבולת גדולה) המספק מודל סימולציית קנה מידה (SRS) גמיש יותר וידידותי יותר למשתמש.הוא מבוסס על מודל LES לפתרון מערבולות גדולות וחוזר ל-SST k-ω כדי לדמות מערבולות בקנה מידה קטן.ניתוחים סטטיסטיים של התוצאות מהסימולציות SST k–ω ו-IDDES הושוו עם תוצאות PIV כדי לאמת את המודל.
מודל טורבולנציות k-ε בעל שני פרמטרים נבחר כמודל הבסיס הראשוני.כדי לדמות במדויק את הזרימה המתערבלת בתוך הפלקולטור, נבחר מודל יקר יותר מבחינה חישובית.הזרימה המתערבלת הסוערת בתוך המצוקה נחקרה מספרית באמצעות שני מודלים של CFD: SST k–ω51 ו-IDDES52.התוצאות של שני המודלים הושוו לתוצאות PIV ניסיוניות כדי לאמת את המודלים.ראשית, מודל הטורבולנטיות SST k-ω הוא מודל צמיגות טורבולנטי עם שתי משוואות עבור יישומי דינמיקה של נוזלים.זהו דגם היברידי המשלב את דגמי Wilcox k-ω ו-k-ε.פונקציית הערבוב מפעילה את מודל Wilcox ליד הקיר ואת מודל k-ε בזרימה המתקרבת.זה מבטיח כי נעשה שימוש במודל הנכון בכל שדה הזרימה.הוא חוזה במדויק הפרדת זרימה עקב שיפוע לחץ שלילי.שנית, נבחרה השיטה Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), בשימוש נרחב במודל Individual Eddy Simulation (DES) עם מודל SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES הוא מודל RANS-LES היברידי (סימולציית מערבולת גדולה) המספק מודל סימולציית קנה מידה (SRS) גמיש יותר וידידותי יותר למשתמש.הוא מבוסס על מודל LES לפתרון מערבולות גדולות וחוזר ל-SST k-ω כדי לדמות מערבולות בקנה מידה קטן.ניתוחים סטטיסטיים של התוצאות מהסימולציות SST k–ω ו-IDDES הושוו עם תוצאות PIV כדי לאמת את המודל.
השתמש בפותר חולף מבוסס לחץ והשתמש בכוח הכבידה בכיוון Y.הסיבוב מושג על ידי הקצאת תנועת רשת למיקסר, כאשר מקור ציר הסיבוב נמצא במרכז הציר האופקי וכיוון ציר הסיבוב הוא בכיוון Z.נוצר ממשק רשת עבור שני ממשקי הגיאומטריה של המודל, וכתוצאה מכך שני קצוות של תיבה תוחמת.כמו בטכניקת הניסוי, מהירות הסיבוב מתאימה ל-3 ו-4 סיבובים.
תנאי הגבול לדפנות המערבל והפקק נקבעו על ידי הקיר, והפתח העליון של הפקק נקבע על ידי היציאה בלחץ מודד אפס (איור 3ג).ערכת תקשורת מהירות לחץ פשוטה, דיסקרטיזציה של מרחב השיפוע של פונקציות מסדר שני עם כל הפרמטרים המבוססים על אלמנטים בריבועים הקטנים ביותר.קריטריון ההתכנסות עבור כל משתני הזרימה הוא השיורי בקנה מידה 1 x \({10}^{-3}\).המספר המרבי של איטרציות לכל שלב זמן הוא 20, וגודל שלב הזמן מתאים לסיבוב של 0.5°.הפתרון מתכנס באיטרציה ה-8 עבור מודל SST k–ω ובאיטרציה ה-12 באמצעות IDDES.בנוסף, מספר שלבי הזמן חושב כך שהמיקסר עשה לפחות 12 סיבובים.החל דגימת נתונים עבור נתונים סטטיסטיים לאחר 3 סיבובים, המאפשר נורמליזציה של הזרימה, בדומה להליך הניסיוני.השוואת הפלט של לולאות המהירות עבור כל סיבוב נותן בדיוק את אותן תוצאות עבור ארבע הסיבובים האחרונים, מה שמצביע על כך שהושג מצב יציב.הסיבובים הנוספים לא שיפרו את קווי המתאר של המהירות הבינונית.
שלב הזמן מוגדר ביחס למהירות הסיבוב, 3 סל"ד או 4 סל"ד.שלב הזמן מתעדן לזמן הדרוש לסיבוב המיקסר ב-0.5°.מסתבר שזה מספיק, שכן הפתרון מתכנס בקלות, כפי שתואר בסעיף הקודם.לפיכך, כל החישובים המספריים עבור שני דגמי הטורבולנציה בוצעו באמצעות שלב זמן שונה של 0.02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) עבור 3 סל"ד, 0.0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 סל"ד.עבור שלב זמן חידוד נתון, מספר ה-Courant של תא תמיד קטן מ-1.0.
כדי לחקור את התלות בדגם-mesh, תחילה התקבלו תוצאות באמצעות רשת 2.14M המקורית ולאחר מכן רשת 2.88M המעודנת.חידוד הרשת מושג על ידי הקטנת גודל התא של גוף המערבל מ-9 × \({10}^{-3}\) מ' ל-7 × \({10}^{-3}\) מ'.עבור הרשתות המקוריות והמעודנות של שני הדגמים מערבולת, הושוו הערכים הממוצעים של מודולי המהירות במקומות שונים סביב הלהב.ההפרש באחוזים בין התוצאות הוא 1.73% עבור מודל SST k–ω ו-3.51% עבור מודל IDDES.IDDES מראה הבדל באחוזים גבוה יותר מכיוון שהוא דגם RANS-LES היברידי.הבדלים אלו נחשבו לחסרי משמעות, ולכן ההדמיה בוצעה באמצעות הרשת המקורית עם 2.14 מיליון אלמנטים ושלב זמן סיבוב של 0.5°.
יכולת השחזור של תוצאות הניסוי נבדקה על ידי ביצוע כל אחד מששת הניסויים בשנית והשוואת התוצאות.השווה את ערכי המהירות במרכז הלהב בשתי סדרות של ניסויים.ההפרש הממוצע באחוזים בין שתי קבוצות הניסוי היה 3.1%.מערכת PIV גם כוילה מחדש באופן עצמאי עבור כל ניסוי.השווה את המהירות המחושבת אנליטית במרכז כל להב עם מהירות ה-PIV באותו מיקום.השוואה זו מראה את ההבדל עם אחוז טעות מקסימלית של 6.5% עבור להב 1.
לפני כימות גורם ההחלקה, יש צורך להבין מדעית את המושג החלקה ב-flocculator, המצריך לימוד מבנה הזרימה סביב ההנעות של הפלוקולטור.מבחינה קונספטואלית, מקדם ההחלקה מובנה בתכנון של משוטוני ההנעה כדי לקחת בחשבון את מהירות הלהבים ביחס למים.הספרות ממליצה שמהירות זו תהיה 75% ממהירות הלהב, כך שרוב העיצובים משתמשים בדרך כלל ב-ak של 0.25 כדי להסביר את ההתאמה הזו.זה דורש שימוש בקווי מהירות שנגזרו מניסויי PIV כדי להבין במלואו את שדה מהירות הזרימה וללמוד החלקה זו.להב 1 הוא הלהב הפנימי הקרוב ביותר לפיר, להב 3 הוא הלהב החיצוני ביותר, ולהב 2 הוא הלהב האמצעי.
קווי המהירות בלהב 1 מראים זרימה ישירה מסתובבת סביב הלהב.דפוסי זרימה אלו נובעים מנקודה בצד ימין של הלהב, בין הרוטור ללהב.בהסתכלות על האזור המצוין על ידי התיבה המקווקת האדומה באיור 4a, מעניין לזהות היבט נוסף של זרימת המחזור מעל ומסביב ללהב.הדמיית זרימה מראה זרימה מועטה לאזור המחזור.זרימה זו מתקרבת מהצד הימני של הלהב בגובה של כ-6 ס"מ מקצה הלהב, אולי בשל השפעת הלהב הראשון של היד הקודמת ללהב, הנראית בתמונה.הדמיית זרימה ב-4 סל"ד מראה את אותה התנהגות ומבנה, ככל הנראה במהירויות גבוהות יותר.
גרפי שדה מהירות וזרם של שלושה להבים בשתי מהירויות סיבוב של 3 סל"ד ו-4 סל"ד.המהירות הממוצעת המרבית של שלושת הלהבים ב-3 סל"ד היא 0.15 מ"ש, 0.20 מ"ש ו-0.16 מ"ש בהתאמה, והמהירות הממוצעת המרבית ב-4 סל"ד היא 0.15 מ"ש, 0.22 מ"ש ו-0.22 מ'/ s, בהתאמה.על שלושה גיליונות.
צורה אחרת של זרימה סלילנית נמצאה בין שבשבת 1 ו-2. השדה הווקטור מראה בבירור שזרימת המים נעה כלפי מעלה מתחתית שבשבת 2, כפי שמצוין על ידי כיוון הווקטור.כפי שמוצג על ידי התיבה המנוקדת באיור 4b, הוקטורים הללו אינם הולכים אנכית כלפי מעלה ממשטח הלהב, אלא פונים ימינה ויורדים בהדרגה.על פני הלהב 1 מבחינים בוקטורים כלפי מטה, המתקרבים לשני הלהבים ומקיפים אותם מזרימת המחזור שנוצר ביניהם.אותו מבנה זרימה נקבע בשתי מהירויות הסיבוב עם משרעת מהירות גבוהה יותר של 4 סל"ד.
שדה המהירות של להב 3 אינו תורם תרומה משמעותית מווקטור המהירות של הלהב הקודם המצטרף לזרימה מתחת ללהב 3. הזרימה העיקרית מתחת ללהב 3 נובעת מוקטור המהירות האנכי העולה עם המים.
ניתן לחלק את וקטורי המהירות על פני הלהב 3 לשלוש קבוצות, כפי שמוצג באיור 4c.הסט הראשון הוא הסט בקצה הימני של הלהב.מבנה הזרימה במצב זה ישר ימינה ולמעלה (כלומר לכיוון להב 2).הקבוצה השנייה היא אמצע הלהב.וקטור המהירות עבור מיקום זה מכוון ישר למעלה, ללא כל סטייה וללא סיבוב.הירידה בערך המהירות נקבעה עם עלייה בגובה מעל קצה הלהב.עבור הקבוצה השלישית, הממוקמת על הפריפריה השמאלית של הלהבים, הזרימה מופנית מיד שמאלה, כלומר לדופן הפלקולטור.רוב הזרימה המיוצגת על ידי וקטור המהירות עולה למעלה, וחלק מהזרימה יורד אופקית למטה.
שני מודלים של מערבולות, SST k–ω ו-IDDES, שימשו לבניית פרופילי מהירות ממוצעים בזמן עבור 3 סל"ד ו-4 סל"ד במישור האורך הממוצע של הלהב.כפי שמוצג באיור 5, מצב יציב מושג על ידי השגת דמיון מוחלט בין קווי המתאר של המהירות שנוצרו על ידי ארבעה סיבובים עוקבים.בנוסף, קווי המתאר של המהירות הממוצעת בזמן שנוצרו על ידי IDDES מוצגים באיור 6a, בעוד שפרופילי המהירות הממוצעים שנוצרו על ידי SST k - ω מוצגים באיור 6a.6ב.
באמצעות IDDES ולולאות מהירות ממוצעות בזמן שנוצרו על ידי SST k–ω, ל-IDDES יש שיעור גבוה יותר של לולאות מהירות.
בדקו היטב את פרופיל המהירות שנוצר עם IDDES ב-3 סל"ד כפי שמוצג באיור 7. המיקסר מסתובב עם כיוון השעון והזרימה נידונה בהתאם להערות המוצגות.
על איור.7 ניתן לראות כי על פני הלהב 3 ברביע I ישנה הפרדה של הזרימה, מאחר והזרימה אינה מוגבלת עקב נוכחות החור העליון.ברביע II לא נצפית הפרדה של הזרימה, שכן הזרימה מוגבלת לחלוטין על ידי דפנות הפלקולטור.ברביע III, המים מסתובבים במהירות נמוכה או נמוכה בהרבה מאשר ברביעים הקודמים.המים ברביעים I ו-II מוזזים (כלומר מסובבים או נדחפים החוצה) כלפי מטה על ידי פעולת המיקסר.וברבע השלישי, המים נדחפים החוצה על ידי להבי המערבל.ברור שמסת המים במקום הזה מתנגדת לשרוול הפלקולטור המתקרב.הזרימה המתערבלת ברביע זה מופרדת לחלוטין.עבור רביע IV, רוב זרימת האוויר מעל שבשבת 3 מופנית לכיוון דופן הפלקולטור ומאבדת בהדרגה את גודלה ככל שהגובה עולה לפתח העליון.
בנוסף, המיקום המרכזי כולל דפוסי זרימה מורכבים השולטים ברביעים III ו-IV, כפי שמוצג על ידי אליפסות מנוקדות כחולות.לאזור המסומן הזה אין שום קשר לזרימה המתערבלת בפקעת ההנעה, שכן ניתן לזהות את תנועת הסיבוב.זאת בניגוד לרבעים I ו-II שבהם יש הפרדה ברורה בין זרימה פנימית לזרימה סיבובית מלאה.
כפי שמוצג באיור.6, בהשוואת התוצאות של IDDES ו-SST k-ω, ההבדל העיקרי בין קווי המתאר של המהירות הוא גודל המהירות מיד מתחת ללהב 3. מודל SST k-ω מראה בבירור שזרימה ממושכת במהירות גבוהה נישא על ידי להב 3 בהשוואה ל-IDDES.
הבדל נוסף ניתן למצוא ברביע III.מה-IDDES, כפי שהוזכר קודם לכן, צוינה הפרדת זרימה סיבובית בין זרועות ה-flocculator.עם זאת, מיקום זה מושפע מאוד מהזרימה המהירות הנמוכה מהפינות ומהפנים של הלהב הראשון.מ-SST k–ω עבור אותו מיקום, קווי המתאר מראים מהירויות גבוהות יותר יחסית ל-IDDES מכיוון שאין זרימה מתמזגת מאזורים אחרים.
נדרשת הבנה איכותית של שדות וקטור המהירות וקווי היעילות להבנה נכונה של התנהגות ומבנה הזרימה.בהתחשב בכך שכל להב הוא ברוחב 5 ס"מ, נבחרו שבע נקודות מהירות על פני הרוחב כדי לספק פרופיל מהירות מייצג.בנוסף, נדרשת הבנה כמותית של גודל המהירות כפונקציה של גובה מעל פני הלהב על ידי שרטוט פרופיל המהירות ישירות מעל כל משטח להב ולאורך מרחק רציף של 2.5 ס"מ אנכית עד לגובה של 10 ס"מ.ראה S1, S2 ו-S3 באיור למידע נוסף.נספח א' איור 8 מציג את הדמיון של התפלגות מהירות פני השטח של כל להב (Y = 0.0) המתקבל באמצעות ניסויי PIV וניתוח ANSYS-Fluent באמצעות IDDES ו-SST k-ω.שני המודלים המספריים מאפשרים לדמות במדויק את מבנה הזרימה על פני להבי הפלקולטור.
התפלגות מהירות PIV, IDDES ו-SST k–ω על פני הלהב.ציר ה-x מייצג את הרוחב של כל גיליון במילימטרים, כאשר המקור (0 מ"מ) מייצג את הפריפריה השמאלית של הסדין והקצה (50 מ"מ) מייצג את הפריפריה הימנית של הסדין.
ניתן לראות בבירור שהתפלגות המהירות של הלהבים 2 ו-3 מוצגות באיור 8 ובאיור 8.S2 ו-S3 בנספח A מציגים מגמות דומות בגובה, בעוד שלהב 1 משתנה באופן עצמאי.פרופילי המהירות של להבים 2 ו-3 הופכים ישרים לחלוטין ובעלי אותה משרעת בגובה של 10 ס"מ מקצה הלהב.המשמעות היא שהזרימה הופכת לאחידה בשלב זה.זה נראה בבירור מתוצאות PIV, אשר משוכפלות היטב על ידי IDDES.בינתיים, תוצאות SST k–ω מראות כמה הבדלים, במיוחד ב-4 סל"ד.
חשוב לציין שלהב 1 שומר על אותה צורה של פרופיל המהירות בכל המיקומים ואינו מנורמל לגובה, שכן המערבולת שנוצרת במרכז המיקסר מכילה את הלהב הראשון מכל הזרועות.כמו כן, בהשוואה ל-IDDES, פרופילי מהירות להב PIV 2 ו-3 הראו ערכי מהירות מעט גבוהים יותר ברוב המיקומים עד שהם היו כמעט שווים ב-10 ס"מ מעל פני הלהב.
זמן פרסום: 26-2-2023