Asante kwa kutembelea Nature.com.Unatumia toleo la kivinjari lenye uwezo mdogo wa kutumia CSS.Kwa matumizi bora zaidi, tunapendekeza utumie kivinjari kilichosasishwa (au uzime Hali ya Upatanifu katika Internet Explorer).Kwa kuongeza, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tunaonyesha tovuti bila mitindo na JavaScript.
Huonyesha jukwa la slaidi tatu kwa wakati mmoja.Tumia vitufe vilivyotangulia na Vifuatavyo ili kupitia slaidi tatu kwa wakati mmoja, au tumia vitufe vya kutelezesha vilivyo mwishoni ili kupitia slaidi tatu kwa wakati mmoja.
Katika utafiti huu, hidrodynamics ya flocculation inatathminiwa na uchunguzi wa majaribio na nambari ya uwanja wa kasi wa mtiririko wa mtikisiko katika kipigo cha kasia cha mizani ya maabara.Mtiririko wa misukosuko ambao unakuza mkusanyo wa chembe au mgawanyiko wa floc ni changamano na unazingatiwa na kulinganishwa katika karatasi hii kwa kutumia miundo miwili ya misukosuko, ambayo ni SST k-ω na IDDES.Matokeo yanaonyesha kuwa IDDES hutoa uboreshaji mdogo sana juu ya SST k-ω, ambayo inatosha kuiga kwa usahihi mtiririko ndani ya flocculator ya paddle.Alama inayofaa hutumiwa kuchunguza muunganiko wa matokeo ya PIV na CFD, na kulinganisha matokeo ya muundo wa misukosuko wa CFD uliotumika.Utafiti pia unazingatia kuhesabu sababu ya kuteleza k, ambayo ni 0.18 kwa kasi ya chini ya 3 na 4 rpm ikilinganishwa na thamani ya kawaida ya kawaida ya 0.25.Kupungua k kutoka 0.25 hadi 0.18 huongeza nguvu inayoletwa kwenye giligili kwa takriban 27-30% na huongeza kasi ya upinde rangi (G) kwa takriban 14%.Hii ina maana kwamba kuchanganya zaidi kunapatikana kuliko inavyotarajiwa, kwa hiyo nishati kidogo hutumiwa, na kwa hiyo matumizi ya nishati katika kitengo cha flocculation ya mmea wa matibabu ya maji ya kunywa inaweza kuwa chini.
Katika utakaso wa maji, kuongeza ya coagulants huharibu chembe ndogo za colloidal na uchafu, ambazo huchanganyika na kuunda flocculation katika hatua ya flocculation.Flakes ni loosely amefungwa aggregates fractal ya molekuli, ambayo ni kisha kuondolewa kwa kutulia.Mali ya chembe na hali ya mchanganyiko wa kioevu huamua ufanisi wa mchakato wa flocculation na matibabu.Kuteleza kunahitaji msukosuko wa polepole kwa kipindi kifupi cha muda na nishati nyingi ili kutikisa kiasi kikubwa cha maji1.
Wakati wa flocculation, hidrodynamics ya mfumo mzima na kemia ya mwingiliano wa chembe-coagulant huamua kiwango ambacho usambazaji wa ukubwa wa chembe ya stationary unapatikana2.Chembechembe zinapogongana hushikana3.Oyegbile, Ay4 iliripoti kuwa migongano inategemea njia za usafiri wa flocculation ya uenezi wa Brownian, kukata maji na kutulia tofauti.Wakati flakes zinapogongana, hukua na kufikia kikomo cha ukubwa fulani, ambayo inaweza kusababisha kuvunjika, kwani flakes haziwezi kuhimili nguvu za nguvu za hydrodynamic5.Baadhi ya flakes zilizovunjika huungana tena kuwa ndogo au saizi sawa6.Hata hivyo, flakes kali zinaweza kupinga nguvu hii na kudumisha ukubwa wao na hata kukua7.Yukselen na Gregory8 waliripoti juu ya tafiti zinazohusiana na uharibifu wa flakes na uwezo wao wa kuzaliwa upya, kuonyesha kuwa kutoweza kutenduliwa ni mdogo.Bridgeman, Jefferson9 alitumia CFD kukadiria ushawishi wa ndani wa wastani wa mtiririko na misukosuko kwenye uundaji wa misururu na mgawanyiko kupitia viwango vya kasi vya ndani.Katika mizinga iliyo na vile vya rotor, ni muhimu kubadilisha kasi ambayo aggregates hugongana na chembe nyingine wakati zimeharibika vya kutosha katika awamu ya kuchanganya.Kwa kutumia CFD na kasi ya chini ya mzunguko wa karibu 15 rpm, Vadasarukkai na Gagnon11 waliweza kufikia maadili ya G kwa kuzunguka kwa blade za conical, na hivyo kupunguza matumizi ya nguvu kwa fadhaa.Hata hivyo, utendakazi katika viwango vya juu vya G unaweza kusababisha mkunjo.Walichunguza athari ya kuchanganya kasi katika kubainisha wastani wa kasi ya upinde wa mvua ya kielelezo cha majaribio cha paddle.Wanazunguka kwa kasi ya zaidi ya 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 ilitumia miundo minne tofauti ya misukosuko kutafiti uga wa mtiririko kwenye benchi ya majaribio ya tanki.Walipima uwanja wa mtiririko na anemometer ya laser Doppler na PIV na kulinganisha matokeo yaliyohesabiwa na matokeo yaliyopimwa.de Oliveira na Donadel13 wamependekeza mbinu mbadala ya kukadiria kipenyo cha mwendo kutoka kwa sifa za hidrodynamic kwa kutumia CFD.Njia iliyopendekezwa ilijaribiwa kwa vitengo sita vya flocculation kulingana na jiometri ya helical.ilitathmini athari ya muda wa kubaki kwenye flocculants na kupendekeza muundo wa kuelea ambao unaweza kutumika kama zana ya kuauni muundo wa kisanduku unaopatana na muda wa chini wa uhifadhi14.Zhan, You15 alipendekeza muundo wa CFD na usawa wa idadi ya watu ili kuiga sifa za mtiririko na tabia ya msururu wa msururu kamili.Llano-Serna, Coral-Portillo16 ilichunguza sifa za mtiririko wa hidroflocculator ya aina ya Cox katika mtambo wa kutibu maji huko Viterbo, Kolombia.Ingawa CFD ina faida zake, pia kuna mapungufu kama vile makosa ya nambari katika hesabu.Kwa hiyo, matokeo yoyote ya nambari yanayopatikana yanapaswa kuchunguzwa kwa uangalifu na kuchambuliwa ili kupata hitimisho muhimu17.Kuna tafiti chache katika maandiko juu ya muundo wa flocculators ya usawa wa baffle, wakati mapendekezo ya kubuni ya flocculators ya hydrodynamic ni mdogo18.Chen, Liao19 ilitumia usanidi wa majaribio kulingana na mtawanyiko wa nuru iliyoangaziwa kupima hali ya mgawanyiko wa mwanga uliotawanyika kutoka kwa chembe mahususi.Feng, Zhang20 ilitumia Ansys-Fasaha kuiga usambazaji wa mikondo ya eddy na kuzunguka katika uwanja wa mtiririko wa flocculator ya sahani iliyoganda na flocculator iliyounganishwa kati ya bati.Baada ya kuiga mtiririko wa maji yenye msukosuko kwenye flocculator kwa kutumia Ansys-Fasaha, Gavi21 ilitumia matokeo kubuni kielelezo.Vaneli na Teixeira22 waliripoti kuwa uhusiano kati ya mienendo ya kiowevu cha vielelezo vya ond tube na mchakato wa kuelea bado haujaeleweka vyema kuunga mkono muundo wa kimantiki.de Oliveira na Costa Teixeira23 walisoma ufanisi na kuonyesha sifa za hidrodynamic za flocculator ya bomba la ond kupitia majaribio ya fizikia na uigaji wa CFD.Watafiti wengi wamechunguza vinu vya mirija vilivyojiviringishwa au vielekezo vya bomba vilivyojikunja.Hata hivyo, maelezo ya kina ya hydrodynamic juu ya mwitikio wa mitambo hii kwa miundo mbalimbali na hali ya uendeshaji bado haipo (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira na Teixeira26 wanawasilisha matokeo ya awali kutoka kwa uigaji wa kinadharia, majaribio na CFD wa flocculator ya ond.Oliveira na Teixeira27 walipendekeza kutumia koili ya ond kama kinu cha kuganda-flocculation pamoja na mfumo wa kawaida wa decanter.Wanaripoti kuwa matokeo yaliyopatikana kwa ufanisi wa uondoaji wa tope ni tofauti sana na yale yaliyopatikana kwa modeli zinazotumiwa kawaida kwa kutathmini mtiririko, na kupendekeza tahadhari wakati wa kutumia miundo kama hiyo.Moruzzi na de Oliveira [28] waliiga tabia ya mfumo wa chemba za kuelea zinazoendelea chini ya hali mbalimbali za uendeshaji, ikiwa ni pamoja na tofauti za idadi ya vyumba vinavyotumiwa na matumizi ya viwango vya juu vya kasi ya seli vilivyowekwa au vilivyopunguzwa.Romphophak, Le Men29 PIV vipimo vya kasi za papo hapo katika visafishaji vya ndege vyenye sura mbili-mbili.Walipata mzunguko wa nguvu unaotokana na ndege katika eneo la kuruka na makadirio ya viwango vya ndani na vya papo hapo vya kukatwa kwa manyoya.
Shah, Joshi30 wanaripoti kuwa CFD inatoa njia mbadala ya kuvutia ya kuboresha miundo na kupata sifa za mtiririko pepe.Hii husaidia kuzuia usanidi wa kina wa majaribio.CFD inazidi kutumiwa kuchanganua mitambo ya kutibu maji na maji machafu (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Wachunguzi kadhaa wamefanya majaribio kwenye vifaa vya kupima can (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) na vielelezo vya diski vilivyotoboka31.Wengine wametumia CFD kutathmini hydroflocculators (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 iliripoti kuwa vielelezo vya mitambo vinahitaji matengenezo ya mara kwa mara kwani mara nyingi huharibika na kuhitaji umeme mwingi.
Utendaji wa flocculator ya paddle inategemea sana hydrodynamics ya hifadhi.Ukosefu wa uelewa wa kiasi wa nyanja za kasi ya mtiririko katika vielelezo kama hivyo umebainishwa wazi katika fasihi (Howe, Hand38; Hendricks39).Misa yote ya maji iko chini ya harakati ya impela ya flocculator, kwa hivyo kuteleza kunatarajiwa.Kwa kawaida, kasi ya maji ni chini ya kasi ya blade kwa kipengele cha kuteleza k, ambacho kinafafanuliwa kama uwiano wa kasi ya mwili wa maji kwa kasi ya gurudumu la pala.Bhole40 iliripoti kuwa kuna mambo matatu yasiyojulikana ya kuzingatia wakati wa kuunda flocculator, ambayo ni gradient kasi, mgawo wa buruta, na kasi ya jamaa ya maji kuhusiana na blade.
Camp41 inaripoti kwamba wakati wa kuzingatia mashine za kasi kubwa, kasi ni karibu 24% ya kasi ya rotor na hadi 32% kwa mashine za kasi ya chini.Kwa kukosekana kwa septa, Droste na Ger42 walitumia ak thamani ya 0.25, wakati katika kesi ya septa, k ilianzia 0 hadi 0.15.Howe, Hand38 zinapendekeza kuwa k iko kati ya 0.2 hadi 0.3.Hendrix39 ilihusisha kipengele cha kuteleza na kasi ya mzunguko kwa kutumia fomula ya majaribio na kuhitimisha kuwa kipengele cha kuteleza kilikuwa ndani ya masafa yaliyowekwa na Camp41.Bratby43 iliripoti kuwa k ni karibu 0.2 kwa kasi ya impela kutoka 1.8 hadi 5.4 rpm na huongezeka hadi 0.35 kwa kasi ya impela kutoka 0.9 hadi 3 rpm.Watafiti wengine wanaripoti anuwai ya thamani za buruta (Cd) kutoka 1.0 hadi 1.8 na kushuka kwa thamani za mgawo k kutoka 0.25 hadi 0.40 (Feir na Geyer44; Hyde na Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; na 4 Bratby na 4 Bratby )Fasihi haionyeshi maendeleo makubwa katika kufafanua na kuhesabu k tangu kazi ya Camp41.
Mchakato wa kuelea unatokana na mtikisiko ili kuwezesha migongano, ambapo upinde rangi (G) hutumika kupima mtikisiko/mikondo.Kuchanganya ni mchakato wa haraka na sawasawa kutawanya kemikali katika maji.Kiwango cha mchanganyiko kinapimwa na gradient ya kasi:
ambapo G = upinde rangi wa kasi (sec-1), P = pembejeo ya nguvu (W), V = kiasi cha maji (m3), μ = mnato wa nguvu (Pa s).
Kadiri thamani ya G inavyoongezeka, ndivyo inavyochanganyika zaidi.Kuchanganya kabisa ni muhimu ili kuhakikisha ugavi unaofanana.Maandishi yanaonyesha kuwa vigezo muhimu zaidi vya kubuni ni wakati wa kuchanganya (t) na gradient ya kasi (G).Mchakato wa kuelea unatokana na mtikisiko ili kuwezesha migongano, ambapo upinde rangi (G) hutumika kupima mtikisiko/mikondo.Thamani za muundo wa kawaida za G ni 20 hadi 70 s–1, t ni dakika 15 hadi 30, na Gt (isiyo na kipimo) ni 104 hadi 105. Mizinga ya mchanganyiko wa haraka hufanya kazi vizuri zaidi ikiwa na maadili ya G ya 700 hadi 1000, na kukaa kwa muda. kama dakika 2.
ambapo P ni nguvu inayotolewa kwa kioevu kwa kila blade ya flocculator, N ni kasi ya mzunguko, b ni urefu wa blade, ρ ni msongamano wa maji, r ni radius, na k ni mgawo wa kuteleza.Mlinganyo huu unatumika kwa kila blade kivyake na matokeo yanafupishwa ili kutoa jumla ya pembejeo ya nguvu ya flocculator.Uchunguzi wa makini wa mlingano huu unaonyesha umuhimu wa kipengele cha kuteleza k katika mchakato wa kubuni wa flocculator ya paddle.Fasihi haisemi thamani kamili ya k, lakini badala yake inapendekeza masafa kama ilivyoelezwa hapo awali.Walakini, uhusiano kati ya nguvu P na mgawo wa kuteleza k ni ujazo.Kwa hivyo, mradi vigezo vyote ni sawa, kwa mfano, kubadilisha k kutoka 0.25 hadi 0.3 itasababisha kupungua kwa nguvu inayopitishwa kwa maji kwa kila blade kwa karibu 20%, na kupunguza k kutoka 0.25 hadi 0.18 itaongeza yake.kwa takriban 27-30% kwa kila vane Nguvu inayotolewa kwa umajimaji.Hatimaye, athari ya k kwenye muundo endelevu wa flocculator ya pala inahitaji kuchunguzwa kupitia ukadiriaji wa kiufundi.
Ukadiriaji sahihi wa kisayansi wa kuteleza unahitaji taswira ya mtiririko na uigaji.Kwa hiyo, ni muhimu kuelezea kasi ya tangential ya blade katika maji kwa kasi fulani ya mzunguko katika umbali tofauti wa radial kutoka shimoni na kwa kina tofauti kutoka kwenye uso wa maji ili kutathmini athari za nafasi tofauti za blade.
Katika utafiti huu, hidrodynamics ya flocculation inatathminiwa na uchunguzi wa majaribio na nambari ya uwanja wa kasi wa mtiririko wa mtikisiko katika kipigo cha kasia cha mizani ya maabara.Vipimo vya PIV vinarekodiwa kwenye flocculator, na kutengeneza kontua za kasi za wastani zinazoonyesha kasi ya chembe za maji karibu na majani.Zaidi ya hayo, ANSYS-Fasaha CFD ilitumika kuiga mtiririko unaozunguka ndani ya flocculator na kuunda kontua za kasi zinazolingana na muda.Mtindo uliotokana wa CFD ulithibitishwa kwa kutathmini mawasiliano kati ya matokeo ya PIV na CFD.Lengo la kazi hii ni kukadiria mgawo wa kuteleza k, ambayo ni kigezo cha muundo usio na kipimo cha flocculator ya paddle.Kazi iliyowasilishwa hapa hutoa msingi mpya wa kuhesabu mgawo wa kuingizwa k kwa kasi ya chini ya 3 rpm na 4 rpm.Matokeo ya matokeo huchangia moja kwa moja katika ufahamu bora wa hydrodynamics ya tank ya flocculation.
Flocculator ya maabara ina sanduku la wazi la juu la mstatili na urefu wa jumla wa 147 cm, urefu wa 39 cm, upana wa jumla wa 118 cm, na urefu wa jumla wa 138 cm (Mchoro 1).Vigezo kuu vya usanifu vilivyotengenezwa na Camp49 vilitumiwa kubuni kipigo cha kasia cha maabara na kutumia kanuni za uchanganuzi wa vipimo.Kituo cha majaribio kilijengwa katika Maabara ya Uhandisi wa Mazingira ya Chuo Kikuu cha Amerika cha Lebanoni (Byblos, Lebanon).
Mhimili wa usawa iko kwenye urefu wa cm 60 kutoka chini na huchukua magurudumu mawili ya paddle.Kila gurudumu la pala lina kasia 4 na pala 3 kwenye kila pala kwa jumla ya pala 12.Flocculation inahitaji msukosuko mpole kwa kasi ya chini ya 2 hadi 6 rpm.Kasi ya kawaida ya kuchanganya katika flocculators ni 3 rpm na 4 rpm.Mtiririko wa flocculator wa kiwango cha maabara umeundwa ili kuwakilisha mtiririko katika sehemu ya tank ya flocculation ya mmea wa kutibu maji ya kunywa.Nguvu inakokotolewa kwa kutumia mlingano wa jadi 42 .Kwa kasi zote mbili za mzunguko, gradient ya kasi \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) ni kubwa kuliko 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , nambari ya Reynolds inaonyesha mtiririko wa misukosuko (Jedwali 1).
PIV hutumiwa kufikia vipimo sahihi na vya kiasi vya vekta za kasi ya maji kwa wakati mmoja katika idadi kubwa sana ya pointi50.Usanidi wa majaribio ulijumuisha flocculator ya kiwango cha maabara, mfumo wa LaVision PIV (2017), na kichochezi cha sensorer ya nje ya Arduino.Ili kuunda wasifu wa kasi wa wastani, picha za PIV zilirekodiwa kwa mpangilio katika eneo moja.Mfumo wa PIV umesahihishwa hivi kwamba eneo linalolengwa liwe katikati ya urefu wa kila moja ya visu vitatu vya mkono fulani wa kasia.Kichochezi cha nje kina laser iko upande mmoja wa upana wa flocculator na mpokeaji wa sensor kwa upande mwingine.Kila wakati mkono wa flocculator unazuia njia ya leza, mawimbi hutumwa kwa mfumo wa PIV ili kunasa picha kwa leza ya PIV na kamera iliyosawazishwa na kitengo cha saa kinachoweza kupangwa.Kwenye mtini.2 inaonyesha usakinishaji wa mfumo wa PIV na mchakato wa kupata picha.
Rekodi ya PIV ilianzishwa baada ya flocculator kuendeshwa kwa dakika 5-10 ili kurekebisha mtiririko na kuzingatia uga sawa wa fahirisi wa refractive.Urekebishaji unapatikana kwa kutumia sahani ya calibration iliyoingizwa kwenye flocculator na kuwekwa katikati ya urefu wa blade ya riba.Rekebisha mkao wa leza ya PIV ili kuunda laha bapa moja kwa moja juu ya bati la urekebishaji.Rekodi thamani zilizopimwa kwa kila kasi ya mzunguko wa kila blade, na kasi ya mzunguko iliyochaguliwa kwa jaribio ni 3 rpm na 4 rpm.
Kwa rekodi zote za PIV, muda kati ya mipigo miwili ya leza uliwekwa katika masafa kutoka 6900 hadi 7700 µs, ambayo iliruhusu uhamishaji wa chembe cha chini wa pikseli 5.Majaribio ya majaribio yalifanywa kwa idadi ya picha zinazohitajika ili kupata vipimo sahihi vya wastani wa wakati.Takwimu za Vekta zililinganishwa kwa sampuli zenye picha 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 na 280.Sampuli ya ukubwa wa picha 240 ilipatikana ili kutoa matokeo thabiti ya wastani wa muda ikizingatiwa kuwa kila picha ina fremu mbili.
Kwa kuwa mtiririko katika flocculator ni msukosuko, dirisha ndogo la kuhojiwa na idadi kubwa ya chembe zinahitajika kutatua miundo ndogo ya msukosuko.Marudio kadhaa ya kupunguza ukubwa yanatumika pamoja na algoriti ya uunganisho mtambuka ili kuhakikisha usahihi.Dirisha la awali la ukubwa wa pikseli 48×48 na mwingiliano wa 50% na mchakato mmoja wa urekebishaji ulifuatiwa na saizi ya mwisho ya dirisha la upigaji kura la pikseli 32×32 na mwingiliano wa 100% na michakato miwili ya urekebishaji.Kwa kuongezea, tufe zenye mashimo ya glasi zilitumika kama chembe za mbegu katika mtiririko, ambayo iliruhusu angalau chembe 10 kwa kila dirisha la kupigia kura.Kurekodi kwa PIV kunachochewa na chanzo cha kichochezi katika Kitengo cha Muda Unaoweza Kupangwa (PTU), ambacho kina jukumu la kufanya kazi na kusawazisha chanzo cha leza na kamera.
Kifurushi cha kibiashara cha CFD ANSYS Fasaha v 19.1 kilitumiwa kuunda muundo wa 3D na kutatua milinganyo msingi ya mtiririko.
Kwa kutumia ANSYS-Fasaha, mfano wa 3D wa flocculator ya kiwango cha maabara iliundwa.Mfano huo unafanywa kwa namna ya sanduku la mstatili, linalojumuisha magurudumu mawili ya paddle yaliyowekwa kwenye mhimili wa usawa, kama mfano wa maabara.Mfano bila ubao wa bure ni urefu wa 108 cm, upana wa 118 cm na urefu wa 138 cm.Ndege ya cylindrical ya usawa imeongezwa karibu na mchanganyiko.Uzalishaji wa ndege ya cylindrical unapaswa kutekeleza mzunguko wa mchanganyiko mzima wakati wa awamu ya ufungaji na kuiga uwanja wa mtiririko unaozunguka ndani ya flocculator, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3a.
3D ANSYS-fasaha na mfano wa jiometri mchoro, ANSYS-fasaha flocculator body mesh kwenye ndege ya riba, ANSYS-fasaha mchoro kwenye ndege ya riba.
Jiometri ya mfano ina mikoa miwili, ambayo kila moja ni maji.Hii inafanikiwa kwa kutumia kitendakazi cha kutoa kimantiki.Kwanza toa silinda (ikiwa ni pamoja na mchanganyiko) kutoka kwenye sanduku ili kuwakilisha kioevu.Kisha uondoe mchanganyiko kutoka kwa silinda, na kusababisha vitu viwili: mchanganyiko na kioevu.Hatimaye, kiolesura cha kuteleza kilitumika kati ya maeneo mawili: kiolesura cha silinda-silinda na kiolesura cha mchanganyiko wa silinda (Mchoro 3a).
Uunganishaji wa miundo iliyojengwa umekamilika ili kukidhi mahitaji ya miundo ya misukosuko ambayo itatumika kuendesha uigaji wa nambari.Mesh isiyo na muundo na tabaka zilizopanuliwa karibu na uso imara ilitumiwa.Unda safu za upanuzi za kuta zote kwa kasi ya ukuaji wa 1.2 ili kuhakikisha kuwa mifumo changamano ya mtiririko inanaswa, na unene wa safu ya kwanza ya \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m ili kuhakikisha kuwa \ ( {\ maandishi {y)) ^ {+}\le 1.0\).Ukubwa wa mwili hurekebishwa kwa kutumia njia ya kufaa ya tetrahedron.Ukubwa wa upande wa mbele wa miingiliano miwili yenye ukubwa wa kipengele cha 2.5 × \({10}^{-3}\) m imeundwa, na ukubwa wa mbele wa kichanganyaji wa 9 × \({10}^{-3}\ ) m inatumika.Mesh ya awali iliyozalishwa ilijumuisha vipengele 2144409 (Mchoro 3b).
Kielelezo cha msukosuko cha k–ε cha vigezo viwili kilichaguliwa kama kielelezo cha msingi cha awali.Ili kuiga kwa usahihi mtiririko wa kuzunguka ndani ya flocculator, mtindo wa gharama kubwa zaidi ulichaguliwa.Mtiririko wa msukosuko wa kuzunguka ndani ya flocculator ulichunguzwa kwa nambari kwa kutumia miundo miwili ya CFD: SST k–ω51 na IDDES52.Matokeo ya miundo yote miwili yalilinganishwa na matokeo ya majaribio ya PIV ili kuthibitisha miundo.Kwanza, kielelezo cha msukosuko cha SST k-ω ni kielelezo cha msukosuko cha milinganyo miwili ya utumizi wa mienendo ya maji.Huu ni muundo mseto unaochanganya miundo ya Wilcox k-ω na k-ε.Kitendaji cha kuchanganya huwasha kielelezo cha Wilcox karibu na ukuta na kielelezo cha k-ε katika mtiririko unaokuja.Hii inahakikisha kwamba muundo sahihi unatumiwa katika uwanja wote wa mtiririko.Inatabiri kwa usahihi utengano wa mtiririko kutokana na gradients mbaya ya shinikizo.Pili, mbinu ya Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), inayotumika sana katika modeli ya Uigaji wa Eddy Binafsi (DES) na modeli ya SST k-ω RNS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) ilichaguliwa.IDDES ni muundo mseto wa RNS-LES (simulizi kubwa la eddy) ambao hutoa muundo wa uigaji unaonyumbulika zaidi na unaomfaa mtumiaji (SRS).Inategemea muundo wa LES kusuluhisha eddies kubwa na kurudi kwa SST k-ω ili kuiga eddies za kiwango kidogo.Uchanganuzi wa takwimu wa matokeo kutoka kwa uigaji wa SST k–ω na IDDES ulilinganishwa na matokeo ya PIV ili kuthibitisha kielelezo.
Kielelezo cha msukosuko cha k–ε cha vigezo viwili kilichaguliwa kama kielelezo cha msingi cha awali.Ili kuiga kwa usahihi mtiririko wa kuzunguka ndani ya flocculator, mtindo wa gharama kubwa zaidi ulichaguliwa.Mtiririko wa msukosuko wa kuzunguka ndani ya flocculator ulichunguzwa kwa nambari kwa kutumia miundo miwili ya CFD: SST k–ω51 na IDDES52.Matokeo ya miundo yote miwili yalilinganishwa na matokeo ya majaribio ya PIV ili kuthibitisha miundo.Kwanza, kielelezo cha msukosuko cha SST k-ω ni kielelezo cha msukosuko cha milinganyo miwili ya utumizi wa mienendo ya maji.Huu ni muundo mseto unaochanganya miundo ya Wilcox k-ω na k-ε.Kitendaji cha kuchanganya huwasha kielelezo cha Wilcox karibu na ukuta na kielelezo cha k-ε katika mtiririko unaokuja.Hii inahakikisha kwamba muundo sahihi unatumiwa katika uwanja wote wa mtiririko.Inatabiri kwa usahihi utengano wa mtiririko kutokana na gradients mbaya ya shinikizo.Pili, mbinu ya Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), inayotumika sana katika modeli ya Uigaji wa Eddy Binafsi (DES) na modeli ya SST k-ω RNS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) ilichaguliwa.IDDES ni muundo mseto wa RNS-LES (simulizi kubwa la eddy) ambao hutoa muundo wa uigaji unaonyumbulika zaidi na unaomfaa mtumiaji (SRS).Inategemea muundo wa LES kusuluhisha eddies kubwa na kurudi kwa SST k-ω ili kuiga eddies za kiwango kidogo.Uchanganuzi wa takwimu wa matokeo kutoka kwa uigaji wa SST k–ω na IDDES ulilinganishwa na matokeo ya PIV ili kuthibitisha kielelezo.
Tumia kisuluhishi cha mpito chenye shinikizo na utumie mvuto katika mwelekeo wa Y.Mzunguko unapatikana kwa kukabidhi mwendo wa matundu kwa kichanganyaji, ambapo asili ya mhimili wa mzunguko iko katikati ya mhimili mlalo na mwelekeo wa mhimili wa mzunguko uko katika mwelekeo wa Z.Kiolesura cha matundu kimeundwa kwa violesura vyote viwili vya jiometri, na kusababisha kingo mbili za kisanduku.Kama ilivyo katika mbinu ya majaribio, kasi ya kuzunguka inalingana na mapinduzi 3 na 4.
Masharti ya mipaka ya kuta za mchanganyiko na flocculator ziliwekwa na ukuta, na ufunguzi wa juu wa flocculator uliwekwa na plagi na shinikizo la kupima sifuri (Mchoro 3c).MPANGO RAHISI wa mawasiliano ya kasi ya shinikizo, utofautishaji wa nafasi ya gradient ya vitendaji vya mpangilio wa pili na vigezo vyote kulingana na vipengele vya angalau miraba.Kigezo cha muunganiko cha anuwai zote za mtiririko ni mabaki yaliyopimwa 1 x \({10}^{-3}\).Idadi ya juu ya marudio kwa hatua ya wakati ni 20, na ukubwa wa hatua ya muda inafanana na mzunguko wa 0.5 °.Suluhisho huungana katika marudio ya 8 kwa kielelezo cha SST k–ω na marudio ya 12 kwa kutumia IDDES.Kwa kuongezea, idadi ya hatua za wakati zilihesabiwa ili mchanganyiko afanye mapinduzi angalau 12.Tumia sampuli za data kwa takwimu za muda baada ya mizunguko 3, ambayo inaruhusu urekebishaji wa mtiririko, sawa na utaratibu wa majaribio.Kulinganisha pato la vitanzi vya kasi kwa kila mapinduzi hutoa matokeo sawa kabisa kwa mapinduzi manne ya mwisho, ikionyesha kuwa hali ya utulivu imefikiwa.Marekebisho ya ziada hayakuboresha mikondo ya kasi ya wastani.
Hatua ya wakati inafafanuliwa kuhusiana na kasi ya mzunguko, 3 rpm au 4 rpm.Hatua ya muda imesafishwa hadi wakati unaohitajika ili kuzunguka mchanganyiko kwa 0.5 °.Hii inageuka kuwa ya kutosha, kwani suluhisho hubadilika kwa urahisi, kama ilivyoelezewa katika sehemu iliyopita.Kwa hivyo, hesabu zote za nambari za miundo yote miwili ya misukosuko zilifanywa kwa kutumia hatua ya wakati iliyorekebishwa ya 0.02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) kwa 3 rpm, 0.0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.Kwa hatua fulani ya wakati wa uboreshaji, nambari ya Courant ya kisanduku huwa chini ya 1.0.
Ili kuchunguza utegemezi wa matundu ya modeli, matokeo yalipatikana kwanza kwa kutumia matundu asilia ya 2.14M na kisha matundu yaliyosafishwa ya 2.88M.Uboreshaji wa gridi hupatikana kwa kupunguza saizi ya seli ya mwili wa kichanganyaji kutoka 9 × \({10}^{-3}\) m hadi 7 × \({10}^{-3}\) m.Kwa meshes asili na iliyosafishwa ya aina mbili za misukosuko, maadili ya wastani ya moduli za kasi katika maeneo tofauti karibu na blade yalilinganishwa.Tofauti ya asilimia kati ya matokeo ni 1.73% kwa muundo wa SST k–ω na 3.51% kwa muundo wa IDDES.IDDES inaonyesha tofauti ya asilimia kubwa zaidi kwa sababu ni muundo mseto wa RNS-LES.Tofauti hizi zilionekana kuwa duni, kwa hivyo uigaji ulifanyika kwa kutumia matundu asilia yenye vipengee milioni 2.14 na hatua ya mzunguko wa 0.5°.
Uzalishaji wa matokeo ya majaribio ulichunguzwa kwa kufanya kila moja ya majaribio sita mara ya pili na kulinganisha matokeo.Linganisha maadili ya kasi katikati ya blade katika mfululizo wa majaribio mawili.Tofauti ya wastani ya asilimia kati ya vikundi viwili vya majaribio ilikuwa 3.1%.Mfumo wa PIV pia ulirekebishwa kwa kujitegemea kwa kila jaribio.Linganisha kasi iliyohesabiwa kwa uchanganuzi katikati ya kila blade na kasi ya PIV katika eneo moja.Ulinganisho huu unaonyesha tofauti na kosa la juu la asilimia 6.5 kwa blade 1.
Kabla ya kuhesabu sababu ya kuingizwa, ni muhimu kuelewa kisayansi dhana ya kuingizwa kwenye flocculator ya paddle, ambayo inahitaji kujifunza muundo wa mtiririko karibu na paddles ya flocculator.Kwa dhana, mgawo wa kuingizwa umejengwa katika muundo wa flocculators ya paddle ili kuzingatia kasi ya vile vile kuhusiana na maji.Maandiko yanapendekeza kwamba kasi hii iwe 75% ya kasi ya blade, kwa hivyo miundo mingi kwa kawaida hutumia ak ya 0.25 kuhesabu marekebisho haya.Hili linahitaji utumiaji wa misururu ya kasi inayotokana na majaribio ya PIV ili kuelewa kikamilifu uga wa kasi ya mtiririko na kusoma hati hii.Blade 1 ni blade ya ndani iliyo karibu zaidi na shimoni, blade 3 ni blade ya nje, na blade 2 ni blade ya kati.
Mistari ya kasi kwenye blade 1 inaonyesha mtiririko wa moja kwa moja unaozunguka karibu na blade.Mwelekeo huu wa mtiririko hutoka kwenye hatua ya upande wa kulia wa blade, kati ya rotor na blade.Kuangalia eneo lililoonyeshwa na kisanduku chenye vitone vyekundu kwenye Mchoro 4a, inavutia kutambua kipengele kingine cha mtiririko wa mzunguko juu na kuzunguka blade.Taswira ya mtiririko inaonyesha mtiririko mdogo katika eneo la uzungushaji tena.Mtiririko huu unakaribia kutoka upande wa kulia wa blade kwa urefu wa cm 6 kutoka mwisho wa blade, labda kutokana na ushawishi wa blade ya kwanza ya mkono unaotangulia blade, ambayo inaonekana kwenye picha.Taswira ya mtiririko kwa 4 rpm inaonyesha tabia na muundo sawa, inaonekana na kasi ya juu.
Shamba la kasi na grafu za sasa za vile tatu kwa kasi mbili za mzunguko wa 3 rpm na 4 rpm.Upeo wa wastani wa kasi ya vile tatu kwa 3 rpm ni 0.15 m / s, 0.20 m / s na 0.16 m / s kwa mtiririko huo, na kasi ya wastani ya 4 rpm ni 0.15 m / s, 0.22 m / s na 0.22 m / s, kwa mtiririko huo.kwenye karatasi tatu.
Aina nyingine ya mtiririko wa helical ilipatikana kati ya vanes 1 na 2. Sehemu ya vekta inaonyesha wazi kwamba mtiririko wa maji unasonga juu kutoka chini ya vane 2, kama inavyoonyeshwa na mwelekeo wa vekta.Kama inavyoonyeshwa na kisanduku chenye vitone kwenye Mchoro 4b, vijidudu hivi haviendi juu kutoka kwa uso wa blade, lakini vinageuka kulia na kushuka polepole.Juu ya uso wa blade 1, vekta za chini zinajulikana, ambazo hukaribia blade zote mbili na kuzizunguka kutoka kwa mtiririko wa mzunguko unaoundwa kati yao.Muundo sawa wa mtiririko umeamua kwa kasi zote mbili za mzunguko na amplitude ya kasi ya 4 rpm.
Shamba la kasi la blade 3 haitoi mchango mkubwa kutoka kwa vector ya kasi ya blade ya awali inayojiunga na mtiririko chini ya blade 3. Mtiririko mkuu chini ya blade 3 ni kutokana na vector ya kasi ya wima inayoongezeka na maji.
Vekta za kasi juu ya uso wa blade 3 zinaweza kugawanywa katika vikundi vitatu, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 4c.Seti ya kwanza ni ile iliyo kwenye makali ya kulia ya blade.Muundo wa mtiririko katika nafasi hii ni moja kwa moja kwa kulia na juu (yaani kuelekea blade 2).Kundi la pili ni katikati ya blade.Vector ya kasi ya nafasi hii inaelekezwa moja kwa moja juu, bila kupotoka yoyote na bila mzunguko.Kupungua kwa thamani ya kasi iliamuliwa na ongezeko la urefu juu ya mwisho wa blade.Kwa kikundi cha tatu, kilicho kwenye pembezoni ya kushoto ya vile, mtiririko huelekezwa mara moja upande wa kushoto, yaani kwa ukuta wa flocculator.Wengi wa mtiririko unaowakilishwa na vector ya kasi huenda juu, na sehemu ya mtiririko huenda kwa usawa chini.
Miundo miwili ya misukosuko, SST k–ω na IDDES, ilitumiwa kuunda wasifu wa kasi wa wastani wa rpm 3 na 4 rpm katika ndege ya wastani ya blade.Kama inavyoonyeshwa katika Mchoro wa 5, hali ya uthabiti hupatikana kwa kupata mfanano kamili kati ya kontua za kasi zinazoundwa na mizunguko minne mfululizo.Kwa kuongeza, mtaro wa kasi wa wastani wa muda unaozalishwa na IDDES unaonyeshwa kwenye Mchoro 6a, wakati maelezo ya kasi ya wastani yanayotokana na SST k - ω yanaonyeshwa kwenye Mchoro 6a.6b.
Kwa kutumia IDDES na vitanzi vya kasi vya wastani vya muda vinavyozalishwa na SST k–ω, IDDES ina sehemu kubwa zaidi ya vitanzi vya kasi.
Chunguza kwa uangalifu wasifu wa kasi ulioundwa na IDDES saa 3 rpm kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 7. Mchanganyiko huzunguka saa na mtiririko unajadiliwa kulingana na maelezo yaliyoonyeshwa.
Kwenye mtini.7 inaweza kuonekana kuwa juu ya uso wa blade 3 katika quadrant ya I kuna mgawanyiko wa mtiririko, kwani mtiririko hauzuiliwi kutokana na kuwepo kwa shimo la juu.Katika quadrant II hakuna mgawanyiko wa mtiririko unazingatiwa, kwani mtiririko umepunguzwa kabisa na kuta za flocculator.Katika quadrant III, maji huzunguka kwa kasi ya chini sana au ya chini kuliko katika quadrants zilizopita.Maji katika roboduara I na II husogezwa (yaani kuzungushwa au kusukumwa nje) kwenda chini kwa kitendo cha kichanganyaji.Na katika quadrant III, maji yanasukuma nje na vile vya kichochezi.Ni dhahiri kwamba wingi wa maji mahali hapa hupinga sleeve ya flocculator inayokaribia.Mtiririko wa rotary katika quadrant hii umetenganishwa kabisa.Kwa roboduara IV, mtiririko mwingi wa hewa ulio juu ya vane 3 huelekezwa kwenye ukuta wa flocculator na hupoteza saizi yake hatua kwa hatua kadri urefu unavyoongezeka hadi uwazi wa juu.
Kwa kuongeza, eneo la kati linajumuisha mifumo changamano ya mtiririko ambayo hutawala roboduara III na IV, kama inavyoonyeshwa na duaradufu zenye nukta samawati.Eneo hili lililowekwa alama halihusiani na mtiririko wa kuzunguka katika flocculator ya paddle, kwani mwendo wa kuzunguka unaweza kutambuliwa.Hii ni tofauti na roboduara I na II ambapo kuna utengano wazi kati ya mtiririko wa ndani na mtiririko kamili wa mzunguko.
Kama inavyoonyeshwa kwenye mtini.6, kulinganisha matokeo ya IDDES na SST k-ω, tofauti kuu kati ya contours ya kasi ni ukubwa wa kasi mara moja chini ya blade 3. Mfano wa SST k-ω unaonyesha wazi kwamba mtiririko wa kasi ya juu unafanywa na blade 3. ikilinganishwa na IDDES.
Tofauti nyingine inaweza kupatikana katika roboduara III.Kutoka kwa IDDES, kama ilivyotajwa hapo awali, utengano wa mtiririko wa mzunguko kati ya mikono ya flocculator ulibainishwa.Hata hivyo, nafasi hii inathiriwa sana na mtiririko wa kasi ya chini kutoka kwa pembe na mambo ya ndani ya blade ya kwanza.Kutoka SST k–ω kwa eneo sawa, mistari ya kontua inaonyesha kasi ya juu ikilinganishwa na IDDES kwa sababu hakuna mtiririko wa msongamano kutoka maeneo mengine.
Uelewa wa ubora wa sehemu za vekta ya kasi na upatanisho unahitajika kwa uelewa sahihi wa tabia na muundo wa mtiririko.Kwa kuzingatia kwamba kila blade ina upana wa sentimita 5, sehemu saba za kasi zilichaguliwa kwa upana ili kutoa wasifu wa kasi wa mwakilishi.Kwa kuongeza, uelewa wa kiasi wa ukubwa wa kasi kama kazi ya urefu juu ya uso wa blade inahitajika kwa kupanga maelezo ya kasi moja kwa moja juu ya kila uso wa blade na kwa umbali unaoendelea wa 2.5 cm kwa wima hadi urefu wa 10 cm.Tazama S1, S2 na S3 kwenye takwimu kwa habari zaidi.Kiambatisho A. Kielelezo cha 8 kinaonyesha kufanana kwa usambazaji wa kasi ya uso wa kila blade (Y = 0.0) iliyopatikana kwa kutumia majaribio ya PIV na uchambuzi wa ANSYS-Fasaha kwa kutumia IDDES na SST k-ω.Mifano zote mbili za nambari hufanya iwezekanavyo kuiga kwa usahihi muundo wa mtiririko kwenye uso wa vile vya flocculator.
Usambazaji wa kasi PIV, IDDES na SST k–ω kwenye uso wa blade.Mhimili wa x unawakilisha upana wa kila laha katika milimita, huku asili (milimita 0) ikiwakilisha ukingo wa kushoto wa laha na mwisho (milimita 50) ikiwakilisha ukingo wa kulia wa laha.
Inaonekana wazi kwamba ugawaji wa kasi wa vile 2 na 3 unaonyeshwa kwenye Mchoro 8 na Mchoro.8.S2 na S3 katika Kiambatisho A zinaonyesha mwelekeo sawa na urefu, wakati blade 1 inabadilika kwa kujitegemea.Profaili za kasi za vile 2 na 3 huwa sawa kabisa na zina amplitude sawa kwa urefu wa cm 10 kutoka mwisho wa blade.Hii ina maana kwamba mtiririko unakuwa sawa katika hatua hii.Hii inaonekana wazi kutokana na matokeo ya PIV, ambayo yametolewa vyema na IDDES.Wakati huo huo, matokeo ya SST k–ω yanaonyesha tofauti fulani, haswa katika 4 rpm.
Ni muhimu kutambua kwamba blade 1 huhifadhi sura sawa ya wasifu wa kasi katika nafasi zote na sio kawaida kwa urefu, kwani swirl inayoundwa katikati ya mchanganyiko ina blade ya kwanza ya silaha zote.Pia, ikilinganishwa na IDDES, maelezo mafupi ya kasi ya blade ya PIV 2 na 3 yalionyesha viwango vya juu zaidi vya kasi katika maeneo mengi hadi yalikuwa karibu sawa na sentimita 10 juu ya uso wa blade.
Muda wa kutuma: Dec-27-2022