مطالعه PIV و CFD هیدرودینامیک لخته سازی پارویی در سرعت چرخش کم

از بازدید شما از Nature.com سپاسگزاریم.شما از یک نسخه مرورگر با پشتیبانی محدود CSS استفاده می کنید.برای بهترین تجربه، توصیه می کنیم از یک مرورگر به روز شده استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر غیرفعال کنید).علاوه بر این، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل و جاوا اسکریپت نشان می‌دهیم.
چرخ فلکی از سه اسلاید را همزمان نمایش می دهد.از دکمه های قبلی و بعدی برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید یا از دکمه های لغزنده در پایان برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید.
در این مطالعه، هیدرودینامیک لخته‌سازی با بررسی تجربی و عددی میدان سرعت جریان آشفته در لخته‌ساز پارویی در مقیاس آزمایشگاهی ارزیابی می‌شود.جریان آشفته ای که باعث تجمع ذرات یا شکست لخته می شود، پیچیده است و در این مقاله با استفاده از دو مدل آشفتگی، یعنی SST k-ω و IDDES در نظر گرفته شده و مقایسه شده است.نتایج نشان می‌دهد که IDDES بهبود بسیار کمی نسبت به SST k-ω ارائه می‌کند، که برای شبیه‌سازی دقیق جریان در یک لخته‌ساز پارویی کافی است.امتیاز برازش برای بررسی همگرایی نتایج PIV و CFD و مقایسه نتایج مدل آشفتگی CFD استفاده می‌شود.این مطالعه همچنین بر کمی کردن ضریب لغزش k که 0.18 در سرعت های کم 3 و 4 دور در دقیقه در مقایسه با مقدار معمولی 0.25 است، تمرکز دارد.کاهش k از 0.25 به 0.18 باعث افزایش توان تحویلی به سیال در حدود 27-30٪ و افزایش گرادیان سرعت (G) در حدود 14٪ می شود.این بدان معنی است که اختلاط فشرده تر از حد انتظار حاصل می شود، بنابراین انرژی کمتری مصرف می شود و بنابراین مصرف انرژی در واحد لخته سازی تصفیه خانه آب آشامیدنی می تواند کمتر باشد.
در تصفیه آب، افزودن مواد منعقد کننده، ذرات کوچک کلوئیدی و ناخالصی ها را بی ثبات می کند، که سپس با هم ترکیب می شوند و در مرحله لخته سازی لخته ایجاد می کنند.ورقه‌ها، توده‌های فراکتالی هستند که با ته نشین شدن جدا می‌شوند.خواص ذرات و شرایط اختلاط مایع، کارایی فرآیند لخته سازی و تصفیه را تعیین می کند.لخته سازی نیاز به هم زدن آهسته برای مدت زمان نسبتاً کوتاه و انرژی زیادی برای هم زدن حجم زیادی از آب دارد.
در طول لخته سازی، هیدرودینامیک کل سیستم و شیمی برهمکنش منعقد کننده-ذره، سرعتی را که در آن توزیع اندازه ذرات ثابت به دست می آید، تعیین می کند.وقتی ذرات با هم برخورد می کنند، به یکدیگر می چسبند.Oyegbile، Ay4 گزارش داد که برخوردها به مکانیسم‌های انتقال لخته‌سازی انتشار براونی، برش سیال و ته‌نشینی دیفرانسیل بستگی دارد.وقتی تکه‌ها با هم برخورد می‌کنند، رشد می‌کنند و به حد معینی می‌رسند که می‌تواند منجر به شکستگی شود، زیرا پولک‌ها نمی‌توانند نیروی هیدرودینامیکی را تحمل کنند.برخی از این تکه های شکسته دوباره با هم ترکیب می شوند و به قطعات کوچکتر یا هم اندازه 6 تبدیل می شوند.با این حال، پوسته های قوی می توانند در برابر این نیرو مقاومت کنند و اندازه خود را حفظ کنند و حتی رشد کنند.Yukselen و Gregory8 در مورد مطالعات مربوط به تخریب پوسته ها و توانایی آنها در بازسازی گزارش کردند و نشان دادند که برگشت ناپذیری محدود است.بریجمن، جفرسون 9 از CFD برای تخمین تأثیر محلی جریان متوسط ​​و آشفتگی بر تشکیل لخته و تکه تکه شدن از طریق گرادیان‌های سرعت محلی استفاده کرد.در مخازن مجهز به پره های روتور، لازم است سرعت برخورد سنگدانه ها با سایر ذرات زمانی که به اندازه کافی در فاز انعقاد ناپایدار شده اند، تغییر کند.با استفاده از CFD و سرعت چرخش کمتر در حدود 15 دور در دقیقه، Vadasarukkai و Gagnon11 توانستند مقادیر G را برای لخته سازی با تیغه های مخروطی به دست آورند و در نتیجه مصرف انرژی برای هم زدن را به حداقل برسانند.با این حال، عملکرد در مقادیر G بالاتر ممکن است منجر به لخته سازی شود.آنها تأثیر سرعت اختلاط را بر تعیین گرادیان سرعت متوسط ​​فلوکولاتور پارویی خلبان بررسی کردند.آنها با سرعت بیش از 5 دور در دقیقه می چرخند.
Korpijärvi، Ahlstedt12 از چهار مدل تلاطم مختلف برای مطالعه میدان جریان در یک میز آزمایش مخزن استفاده کرد.آنها میدان جریان را با بادسنج لیزری داپلر و PIV اندازه گیری کردند و نتایج محاسبه شده را با نتایج اندازه گیری شده مقایسه کردند.de Oliveira و Donadel13 یک روش جایگزین برای تخمین گرادیان های سرعت از خواص هیدرودینامیکی با استفاده از CFD پیشنهاد کرده اند.روش پیشنهادی بر روی شش واحد لخته سازی بر اساس هندسه مارپیچ آزمایش شد.اثر زمان ماند بر روی لخته‌سازها را ارزیابی کرد و یک مدل لخته‌سازی را پیشنهاد کرد که می‌تواند به عنوان ابزاری برای پشتیبانی از طراحی منطقی سلول با زمان‌های ماند کم استفاده شود.Zhan، You15 یک مدل ترکیبی CFD و تعادل جمعیت را برای شبیه‌سازی ویژگی‌های جریان و رفتار لخته در لخته‌سازی در مقیاس کامل پیشنهاد کرد.Llano-Serna، Coral-Portillo16 ویژگی‌های جریان یک هیدروفلوکولاتور از نوع Cox را در یک کارخانه تصفیه آب در ویتربو، کلمبیا بررسی کرد.اگرچه CFD مزایای خود را دارد، اما محدودیت هایی مانند خطاهای عددی در محاسبات نیز وجود دارد.بنابراین، هر گونه نتایج عددی به دست آمده باید به دقت مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گیرد تا نتیجه گیری های انتقادی حاصل شود.مطالعات کمی در زمینه طراحی لخته سازهای بافل افقی در ادبیات وجود دارد، در حالی که توصیه ها برای طراحی لخته سازهای هیدرودینامیکی محدود است.Chen، Liao19 از یک مجموعه آزمایشی مبتنی بر پراکندگی نور قطبی شده برای اندازه‌گیری وضعیت قطبش نور پراکنده از ذرات منفرد استفاده کرد.Feng، Zhang20 از Ansys-Fluent برای شبیه سازی توزیع جریان های گردابی و چرخش در میدان جریان یک لخته ساز صفحه منعقد شده و یک لخته ساز بین موجدار استفاده کرد.پس از شبیه سازی جریان سیال آشفته در یک لخته ساز با استفاده از Ansys-Fluent، Gavi21 از نتایج برای طراحی فلوکولاتور استفاده کرد.Vaneli و Teixeira22 گزارش کردند که رابطه بین دینامیک سیال لخته سازهای لوله مارپیچی و فرآیند لخته سازی هنوز برای پشتیبانی از یک طراحی منطقی درک نشده است.de Oliveira و Costa Teixeira23 کارایی را مطالعه کردند و خواص هیدرودینامیکی لخته ساز لوله مارپیچی را از طریق آزمایش های فیزیک و شبیه سازی CFD نشان دادند.بسیاری از محققین راکتورهای لوله‌ای پیچ‌دار یا لخته‌سازهای لوله‌ای پیچ‌دار را مطالعه کرده‌اند.با این حال، اطلاعات دقیق هیدرودینامیکی در مورد پاسخ این راکتورها به طرح‌ها و شرایط عملیاتی مختلف هنوز وجود ندارد (Sartori، Oliveira24؛ Oliveira، Teixeira25).Oliveira و Teixeira26 نتایج اصلی را از شبیه‌سازی‌های نظری، تجربی و CFD یک لخته‌ساز مارپیچی ارائه می‌کنند.Oliveira و Teixeira27 پیشنهاد کردند که از یک سیم پیچ مارپیچی به عنوان یک راکتور انعقادی-لخته سازی در ترکیب با یک سیستم decanter معمولی استفاده شود.آنها گزارش می دهند که نتایج به دست آمده برای راندمان حذف کدورت به طور قابل توجهی با نتایج به دست آمده با مدل های رایج برای ارزیابی لخته سازی متفاوت است، که نشان دهنده احتیاط هنگام استفاده از چنین مدل هایی است.Moruzzi و de Oliveira [28] رفتار سیستمی از محفظه های لخته سازی پیوسته را تحت شرایط عملیاتی مختلف، از جمله تغییرات در تعداد محفظه های مورد استفاده و استفاده از گرادیان های سرعت سلولی ثابت یا مقیاس شده، مدل کردند.Romphophak، Le Men29 PIV اندازه گیری سرعت های لحظه ای در جت پاک کننده های شبه دو بعدی.آنها گردش قوی ناشی از جت را در ناحیه لخته یافتند و نرخ برش محلی و آنی را تخمین زدند.
شاه، Joshi30 گزارش می دهد که CFD یک جایگزین جالب برای بهبود طرح ها و به دست آوردن ویژگی های جریان مجازی ارائه می دهد.این به جلوگیری از تنظیمات آزمایشی گسترده کمک می کند.CFD به طور فزاینده ای برای تجزیه و تحلیل تصفیه خانه های آب و فاضلاب استفاده می شود (Melo, Freire31؛ Alalm, Nasr32؛ Bridgeman, Jefferson9؛ Samaras, Zouboulis33؛ Wang, Wu34؛ Zhang, Tejada-Martínez35).چندین محقق آزمایشاتی را روی تجهیزات تست قوطی (Bridgeman, Jefferson36؛ Bridgeman, Jefferson5؛ Jarvis, Jefferson6؛ Wang, Wu34) و لخته سازهای دیسک سوراخ دار انجام داده اند.دیگران از CFD برای ارزیابی هیدروفلوکولاتورها استفاده کرده اند (Bridgeman, Jefferson5؛ Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 گزارش داد که لخته سازهای مکانیکی نیاز به تعمیر و نگهداری منظم دارند زیرا اغلب خراب می شوند و به برق زیادی نیاز دارند.
عملکرد یک لخته ساز پارویی به شدت به هیدرودینامیک مخزن بستگی دارد.عدم درک کمی از میدان های سرعت جریان در چنین لخته سازها به وضوح در ادبیات ذکر شده است (Howe, Hand38; Hendricks39).کل توده آب در معرض حرکت پروانه فلوکولاتور است، بنابراین لغزش انتظار می رود.به طور معمول، سرعت سیال کمتر از سرعت تیغه با ضریب لغزش k است که به عنوان نسبت سرعت بدنه آب به سرعت چرخ دست و پا زدن تعریف می شود.Bhole40 گزارش داد که سه عامل ناشناخته برای طراحی یک لخته ساز وجود دارد، یعنی گرادیان سرعت، ضریب درگ و سرعت نسبی آب نسبت به تیغه.
Camp41 گزارش می دهد که هنگام در نظر گرفتن ماشین های سرعت بالا، سرعت حدود 24٪ سرعت روتور و تا 32٪ برای ماشین های سرعت پایین است.در غیاب سپتا، Droste و Ger42 از مقدار ak 0.25 استفاده کردند، در حالی که در مورد سپتا، k از 0 تا 0.15 متغیر بود.هاو، Hand38 نشان می دهد که k در محدوده 0.2 تا 0.3 است.هندریکس 39 با استفاده از یک فرمول تجربی ضریب لغزش را به سرعت دورانی مرتبط کرد و نتیجه گرفت که ضریب لغزش نیز در محدوده تعیین شده توسط Camp41 قرار دارد.Bratby43 گزارش داد که k برای سرعت پروانه از 1.8 تا 5.4 دور در دقیقه حدود 0.2 است و برای سرعت پروانه از 0.9 تا 3 rpm به 0.35 افزایش می یابد.سایر محققان طیف وسیعی از مقادیر ضریب پسا (Cd) را از 1.0 تا 1.8 و مقادیر ضریب لغزش k را از 0.25 تا 0.40 گزارش می‌کنند (Feir و Geyer44؛ Hyde و Ludwig45؛ Harris, Kaufman46؛ van Duuren47؛ و Bratby48 و Martby. ).ادبیات پیشرفت قابل توجهی را در تعریف و کمی کردن k از زمان کار Camp41 نشان نمی دهد.
فرآیند لخته سازی بر اساس تلاطم برای تسهیل برخوردها است، جایی که گرادیان سرعت (G) برای اندازه گیری آشفتگی/لخته سازی استفاده می شود.اختلاط فرآیند پراکندگی سریع و یکنواخت مواد شیمیایی در آب است.درجه اختلاط با گرادیان سرعت اندازه گیری می شود:
که در آن G = گرادیان سرعت (s-1)، P = توان ورودی (W)، V = حجم آب (m3)، μ = ویسکوزیته دینامیکی (Pa s).
هر چه مقدار G بیشتر باشد، بیشتر مخلوط می شود.اختلاط کامل برای اطمینان از انعقاد یکنواخت ضروری است.ادبیات نشان می دهد که مهمترین پارامترهای طراحی زمان اختلاط (t) و گرادیان سرعت (G) هستند.فرآیند لخته سازی بر اساس تلاطم برای تسهیل برخوردها است، جایی که گرادیان سرعت (G) برای اندازه گیری آشفتگی/لخته سازی استفاده می شود.مقادیر طراحی معمولی برای G 20 تا 70 s-1، t 15 تا 30 دقیقه، و Gt (بدون ابعاد) 104 تا 105 است. مخازن مخلوط سریع با مقادیر G 700 تا 1000 با زمان ماندن بهترین عملکرد را دارند. حدود 2 دقیقه
که در آن P توانی است که توسط هر تیغه لخته ساز به مایع داده می شود، N سرعت چرخش، b طول تیغه، ρ چگالی آب، r شعاع، و k ضریب لغزش است.این معادله برای هر تیغه به صورت جداگانه اعمال می شود و نتایج برای بدست آوردن توان ورودی کل لخته ساز جمع می شود.مطالعه دقیق این معادله اهمیت ضریب لغزش k را در فرآیند طراحی فلوکولاتور پارویی نشان می دهد.ادبیات مقدار دقیق k را بیان نمی کند، اما در عوض محدوده ای را همانطور که قبلا بیان شد توصیه می کند.با این حال، رابطه بین توان P و ضریب لغزش k مکعب است.بنابراین، به شرطی که همه پارامترها یکسان باشند، به عنوان مثال، تغییر k از 0.25 به 0.3 منجر به کاهش قدرت انتقال یافته به سیال در هر تیغه تا حدود 20٪ می شود و کاهش k از 0.25 به 0.18 باعث افزایش آن می شود.حدود 27 تا 30 درصد در هر پره قدرتی که به سیال منتقل می شود.در نهایت، اثر k بر طراحی لخته ساز پارویی پایدار باید از طریق کمی سازی فنی بررسی شود.
کمی سازی تجربی دقیق لغزش نیاز به تجسم جریان و شبیه سازی دارد.بنابراین، توصیف سرعت مماسی تیغه در آب با سرعت چرخشی معین در فواصل شعاعی مختلف از شفت و در اعماق مختلف از سطح آب به منظور ارزیابی اثر موقعیت‌های مختلف تیغه حائز اهمیت است.
در این مطالعه، هیدرودینامیک لخته‌سازی با بررسی تجربی و عددی میدان سرعت جریان آشفته در لخته‌ساز پارویی در مقیاس آزمایشگاهی ارزیابی می‌شود.اندازه‌گیری‌های PIV روی لخته‌ساز ثبت می‌شوند و خطوط سرعت میانگین زمان را ایجاد می‌کنند که سرعت ذرات آب را در اطراف برگ‌ها نشان می‌دهد.علاوه بر این، ANSYS-Fluent CFD برای شبیه سازی جریان چرخشی در داخل لخته ساز و ایجاد خطوط سرعت متوسط ​​زمان استفاده شد.مدل CFD حاصل با ارزیابی مطابقت بین نتایج PIV و CFD تأیید شد.تمرکز این کار بر روی کمی کردن ضریب لغزش k است که یک پارامتر طراحی بدون بعد یک لخته ساز پارویی است.کار ارائه شده در اینجا مبنای جدیدی برای کمی سازی ضریب لغزش k در سرعت های کم 3 دور در دقیقه و 4 دور در دقیقه فراهم می کند.پیامدهای نتایج به طور مستقیم به درک بهتر هیدرودینامیک مخزن لخته سازی کمک می کند.
فلوکولاتور آزمایشگاهی از یک جعبه مستطیل شکل روباز با ارتفاع کلی 147 سانتی متر، ارتفاع 39 سانتی متر، عرض کلی 118 سانتی متر و طول کلی 138 سانتی متر تشکیل شده است (شکل 1).معیارهای طراحی اصلی توسعه یافته توسط Camp49 برای طراحی فلوکولاتور پارویی در مقیاس آزمایشگاهی و اعمال اصول آنالیز ابعادی استفاده شد.تاسیسات آزمایشی در آزمایشگاه مهندسی محیط زیست دانشگاه آمریکایی لبنانی (بیبلوس، لبنان) ساخته شد.
محور افقی در ارتفاع 60 سانتی متری از پایین قرار دارد و دو چرخ پارویی را در خود جای می دهد.هر چرخ پارویی از 4 پارو با 3 پارو در هر پارو و در مجموع 12 پارو تشکیل شده است.لخته سازی نیاز به هم زدن ملایم با سرعت کم 2 تا 6 دور در دقیقه دارد.رایج ترین سرعت اختلاط در لخته سازها 3 دور در دقیقه و 4 دور در دقیقه است.جریان فلوکولاتور مقیاس آزمایشگاهی برای نمایش جریان در محفظه مخزن لخته سازی یک تصفیه خانه آب آشامیدنی طراحی شده است.توان با استفاده از معادله سنتی 42 محاسبه می شود.برای هر دو سرعت چرخش، گرادیان سرعت \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) بیشتر از 10 است \({\text{sec}}^{-{1}}\) ، عدد رینولدز جریان آشفته را نشان می دهد (جدول 1).
PIV برای دستیابی به اندازه گیری های دقیق و کمی بردارهای سرعت سیال به طور همزمان در تعداد بسیار زیادی از نقاط استفاده می شود.راه اندازی آزمایشی شامل یک لخته ساز پدال در مقیاس آزمایشگاهی، یک سیستم LaVision PIV (2017) و یک ماشه حسگر لیزر خارجی آردوینو بود.برای ایجاد پروفایل های سرعت متوسط ​​زمان، تصاویر PIV به صورت متوالی در همان مکان ثبت شدند.سیستم PIV به گونه ای کالیبره شده است که ناحیه هدف در نقطه وسط طول هر یک از سه تیغه یک بازوی دست و پا زدن خاص باشد.ماشه خارجی شامل یک لیزر است که در یک طرف پهنای لخته ساز و یک گیرنده حسگر در طرف دیگر قرار دارد.هر بار که بازوی لخته ساز مسیر لیزر را مسدود می کند، سیگنالی به سیستم PIV ارسال می شود تا با لیزر PIV و دوربین هماهنگ با واحد زمان بندی قابل برنامه ریزی، تصویری ثبت کند.روی انجیر2 نصب سیستم PIV و فرآیند دریافت تصویر را نشان می دهد.
ضبط PIV پس از اینکه لخته ساز به مدت 5 تا 10 دقیقه برای عادی سازی جریان و در نظر گرفتن همان میدان ضریب شکست شروع شد.کالیبراسیون با استفاده از یک صفحه کالیبراسیون غوطه ور در فلوکولاتور و قرار دادن در نقطه میانی طول تیغه مورد نظر انجام می شود.موقعیت لیزر PIV را طوری تنظیم کنید که یک صفحه نور صاف مستقیماً بالای صفحه کالیبراسیون تشکیل شود.مقادیر اندازه گیری شده را برای هر سرعت چرخش هر تیغه ثبت کنید و سرعت چرخش انتخاب شده برای آزمایش 3 دور در دقیقه و 4 دور در دقیقه است.
برای همه ضبط‌های PIV، فاصله زمانی بین دو پالس لیزر در محدوده 6900 تا 7700 میکروثانیه تنظیم شد که حداقل جابه‌جایی ذرات 5 پیکسل را امکان‌پذیر می‌کرد.آزمایش‌های آزمایشی بر روی تعداد تصاویر مورد نیاز برای به دست آوردن اندازه‌گیری‌های میانگین زمان دقیق انجام شد.آمار برداری برای نمونه های حاوی 40، 50، 60، 80، 100، 120، 160، 200، 240 و 280 تصویر مقایسه شد.با توجه به اینکه هر تصویر از دو فریم تشکیل شده است، حجم نمونه 240 تصویری به دست آمد که نتایج میانگین زمانی پایداری را ارائه می دهد.
از آنجایی که جریان در لخته ساز آشفته است، یک پنجره بازجویی کوچک و تعداد زیادی ذرات برای حل ساختارهای آشفته کوچک مورد نیاز است.چندین تکرار کاهش اندازه به همراه یک الگوریتم همبستگی متقابل برای اطمینان از دقت اعمال می شود.اندازه پنجره نظرسنجی اولیه 48×48 پیکسل با 50 درصد همپوشانی و یک فرآیند انطباق با اندازه پنجره نظرسنجی نهایی 32×32 پیکسل با 100 درصد همپوشانی و دو فرآیند تطبیق دنبال شد.علاوه بر این، کره های توخالی شیشه ای به عنوان ذرات بذر در جریان استفاده شد که حداقل 10 ذره را در هر پنجره نظرسنجی اجازه می داد.ضبط PIV توسط یک منبع ماشه در یک واحد زمان‌بندی قابل برنامه‌ریزی (PTU)، که مسئول عملیات و همگام‌سازی منبع لیزر و دوربین است، راه‌اندازی می‌شود.
بسته تجاری CFD ANSYS Fluent v 19.1 برای توسعه مدل سه بعدی و حل معادلات جریان اصلی استفاده شد.
با استفاده از ANSYS-Fluent، یک مدل سه بعدی از یک لخته ساز پدال در مقیاس آزمایشگاهی ایجاد شد.این مدل به صورت یک جعبه مستطیلی متشکل از دو چرخ دست و پا که مانند مدل آزمایشگاهی بر روی یک محور افقی نصب شده است ساخته شده است.مدل بدون تخته فری 108 سانتی متر ارتفاع، 118 سانتی متر عرض و 138 سانتی متر طول دارد.یک صفحه استوانه ای افقی در اطراف میکسر اضافه شده است.همانطور که در شکل 3a نشان داده شده است، تولید صفحه استوانه ای باید چرخش کل میکسر را در مرحله نصب اجرا کند و میدان جریان چرخشی را در داخل فلوکولاتور شبیه سازی کند.
نمودار هندسی سه بعدی ANSYS-fluent و مدل، مش بدنه فلوکولاتور ANSYS-fluent در صفحه مورد نظر، نمودار ANSYS-fluent در صفحه مورد نظر.
هندسه مدل از دو ناحیه تشکیل شده است که هر یک سیال هستند.این با استفاده از تابع تفریق منطقی به دست می آید.ابتدا سیلندر (از جمله مخلوط کن) را از جعبه کم کنید تا مایع را نشان دهد.سپس میکسر را از سیلندر کم کنید، در نتیجه دو جسم به وجود می آید: میکسر و مایع.در نهایت، یک رابط کشویی بین دو ناحیه اعمال شد: یک رابط سیلندر-سیلندر و یک رابط سیلندر-میکسر (شکل 3a).
مش بندی مدل های ساخته شده برای برآوردن نیازهای مدل های آشفتگی که برای اجرای شبیه سازی های عددی مورد استفاده قرار می گیرند، تکمیل شده است.یک شبکه بدون ساختار با لایه های منبسط شده در نزدیکی سطح جامد استفاده شد.برای اطمینان از ثبت الگوهای جریان پیچیده، لایه‌های گسترش برای همه دیوارها با نرخ رشد 1.2 ایجاد کنید، با ضخامت لایه اول \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) متر برای اطمینان از اینکه \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).اندازه بدنه با استفاده از روش برازش چهار وجهی تنظیم می شود.یک اندازه سمت جلوی دو رابط با اندازه عنصر 2.5 × \({10}^{-3}\) متر ایجاد شده است، و یک اندازه جلوی میکسر 9 × \({10}^{-3}\ ) m اعمال می شود.مش تولید شده اولیه شامل 2144409 عنصر بود (شکل 3b).
یک مدل آشفتگی k-ε دو پارامتری به عنوان مدل پایه اولیه انتخاب شد.برای شبیه‌سازی دقیق جریان چرخشی در داخل لخته‌ساز، مدل گران‌تری از نظر محاسباتی انتخاب شد.جریان چرخشی آشفته در داخل لخته ساز به صورت عددی با استفاده از دو مدل CFD مورد بررسی قرار گرفت: SST k–ω51 و IDDES52.نتایج هر دو مدل با نتایج تجربی PIV برای اعتبارسنجی مدل‌ها مقایسه شد.اول، مدل آشفتگی SST k-ω یک مدل ویسکوزیته آشفته دو معادله برای کاربردهای دینامیک سیالات است.این یک مدل ترکیبی است که مدل‌های Wilcox k-ω و k-ε را ترکیب می‌کند.تابع اختلاط مدل Wilcox را در نزدیکی دیوار و مدل k-ε را در جریان ورودی فعال می کند.این تضمین می کند که مدل صحیح در سراسر میدان جریان استفاده می شود.این به طور دقیق جداسازی جریان را به دلیل شیب فشار نامطلوب پیش بینی می کند.در مرحله دوم، روش شبیه‌سازی گردابی معوق پیشرفته (IDDES) که به طور گسترده در مدل شبیه‌سازی گردابی فردی (DES) با مدل SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) استفاده می‌شود، انتخاب شد.IDDES یک مدل ترکیبی RANS-LES (شبیه سازی گردابی بزرگ) است که یک مدل شبیه سازی مقیاس وضوح (SRS) انعطاف پذیرتر و کاربرپسندتر ارائه می دهد.این بر اساس مدل LES برای حل گرداب های بزرگ است و برای شبیه سازی گرداب های مقیاس کوچک به SST k-ω برمی گردد.تجزیه و تحلیل آماری نتایج حاصل از شبیه‌سازی SST k–ω و IDDES با نتایج PIV برای اعتبارسنجی مدل مقایسه شد.
یک مدل آشفتگی k-ε دو پارامتری به عنوان مدل پایه اولیه انتخاب شد.برای شبیه‌سازی دقیق جریان چرخشی در داخل لخته‌ساز، مدل گران‌تری از نظر محاسباتی انتخاب شد.جریان چرخشی آشفته در داخل لخته ساز به صورت عددی با استفاده از دو مدل CFD مورد بررسی قرار گرفت: SST k–ω51 و IDDES52.نتایج هر دو مدل با نتایج تجربی PIV برای اعتبارسنجی مدل‌ها مقایسه شد.اول، مدل آشفتگی SST k-ω یک مدل ویسکوزیته آشفته دو معادله برای کاربردهای دینامیک سیالات است.این یک مدل ترکیبی است که مدل‌های Wilcox k-ω و k-ε را ترکیب می‌کند.تابع اختلاط مدل Wilcox را در نزدیکی دیوار و مدل k-ε را در جریان ورودی فعال می کند.این تضمین می کند که مدل صحیح در سراسر میدان جریان استفاده می شود.این به طور دقیق جداسازی جریان را به دلیل شیب فشار نامطلوب پیش بینی می کند.در مرحله دوم، روش شبیه‌سازی گردابی معوق پیشرفته (IDDES) که به طور گسترده در مدل شبیه‌سازی گردابی فردی (DES) با مدل SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) استفاده می‌شود، انتخاب شد.IDDES یک مدل ترکیبی RANS-LES (شبیه سازی گردابی بزرگ) است که یک مدل شبیه سازی مقیاس وضوح (SRS) انعطاف پذیرتر و کاربرپسندتر ارائه می دهد.این بر اساس مدل LES برای حل گرداب های بزرگ است و برای شبیه سازی گرداب های مقیاس کوچک به SST k-ω برمی گردد.تجزیه و تحلیل آماری نتایج حاصل از شبیه‌سازی SST k–ω و IDDES با نتایج PIV برای اعتبارسنجی مدل مقایسه شد.
از یک حل کننده گذرا مبتنی بر فشار استفاده کنید و از گرانش در جهت Y استفاده کنید.چرخش با تخصیص یک حرکت مش به میکسر به دست می آید، جایی که مبدا محور چرخش در مرکز محور افقی و جهت محور چرخش در جهت Z است.یک رابط مش برای هر دو رابط هندسه مدل ایجاد می شود که در نتیجه دو لبه جعبه محدود ایجاد می شود.همانطور که در تکنیک تجربی، سرعت چرخش مربوط به 3 و 4 دور است.
شرایط مرزی برای دیواره های میکسر و لخته ساز توسط دیوار تنظیم می شود و دهانه بالای لخته ساز توسط خروجی با فشار گیج صفر تنظیم می شود (شکل 3c).طرح ارتباطی فشار-سرعت ساده، گسسته سازی فضای گرادیان توابع درجه دوم با تمام پارامترها بر اساس عناصر حداقل مربعات.معیار همگرایی برای همه متغیرهای جریان، باقیمانده مقیاس شده 1 x \({10}^{-3}\) است.حداکثر تعداد تکرار در هر مرحله زمانی 20 است و اندازه گام زمانی مربوط به چرخش 0.5 درجه است.راه حل در تکرار 8 برای مدل SST k–ω و در تکرار 12 با استفاده از IDDES همگرا می شود.علاوه بر این، تعداد مراحل زمانی محاسبه شد که میکسر حداقل 12 دور انجام دهد.نمونه‌گیری داده‌ها را برای آمار زمان پس از 3 چرخش اعمال کنید، که امکان عادی‌سازی جریان را، مشابه روش تجربی، فراهم می‌کند.مقایسه خروجی حلقه‌های سرعت برای هر دور دقیقاً نتایج یکسانی را برای چهار دور آخر به دست می‌دهد که نشان می‌دهد به یک حالت پایدار رسیده است.دورهای اضافی خطوط سرعت متوسط ​​را بهبود نمی بخشد.
گام زمانی در رابطه با سرعت چرخش 3 دور در دقیقه یا 4 دور در دقیقه تعریف می شود.مرحله زمانی به زمان لازم برای چرخش میکسر 0.5 درجه اصلاح می شود.این کافی است، زیرا راه حل به راحتی همگرا می شود، همانطور که در بخش قبل توضیح داده شد.بنابراین، تمام محاسبات عددی برای هر دو مدل آشفتگی با استفاده از یک گام زمانی اصلاح‌شده 0.02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) برای 3 rpm، 0.0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} انجام شد. {3}\) 4 دور در دقیقه.برای یک مرحله زمانی پالایش داده شده، عدد Courant یک سلول همیشه کمتر از 1.0 است.
برای بررسی وابستگی مدل به مش، نتایج ابتدا با استفاده از مش 2.14M اصلی و سپس 2.88M مش تصفیه شده به دست آمد.پالایش شبکه با کاهش اندازه سلولی بدنه میکسر از 9 × \({10}^{-3}\) متر به 7 × \({10}^{-3}\) متر به دست می آید.برای مش های اصلی و تصفیه شده دو مدل تلاطم، مقادیر متوسط ​​ماژول های سرعت در مکان های مختلف اطراف تیغه مقایسه شد.درصد تفاوت بین نتایج 1.73٪ برای مدل SST k–ω و 3.51٪ برای مدل IDDES است.IDDES درصد اختلاف بیشتری را نشان می دهد زیرا یک مدل هیبریدی RANS-LES است.این تفاوت ها ناچیز در نظر گرفته شد، بنابراین شبیه سازی با استفاده از مش اصلی با 2.14 میلیون عنصر و گام زمان چرخش 0.5 درجه انجام شد.
تکرارپذیری نتایج تجربی با انجام هر یک از شش آزمایش برای بار دوم و مقایسه نتایج مورد بررسی قرار گرفت.مقادیر سرعت را در مرکز تیغه در دو سری آزمایش مقایسه کنید.میانگین درصد اختلاف بین دو گروه آزمایشی 1/3 درصد بود.سیستم PIV نیز به طور مستقل برای هر آزمایش کالیبره شد.سرعت محاسبه شده تحلیلی در مرکز هر تیغه را با سرعت PIV در همان مکان مقایسه کنید.این مقایسه تفاوت را با حداکثر درصد خطای 6.5 درصد برای تیغه 1 نشان می دهد.
قبل از تعیین کمیت ضریب لغزش، درک علمی مفهوم لغزش در فلوکولاتور پارویی ضروری است که مستلزم مطالعه ساختار جریان در اطراف پاروهای لخته ساز است.از نظر مفهومی، ضریب لغزش در طراحی لخته سازهای پارویی تعبیه شده است تا سرعت تیغه ها نسبت به آب در نظر گرفته شود.ادبیات توصیه می‌کند که این سرعت 75 درصد سرعت تیغه باشد، بنابراین اغلب طرح‌ها معمولاً از ak از 0.25 برای محاسبه این تنظیم استفاده می‌کنند.برای درک کامل میدان سرعت جریان و مطالعه این لغزش، این نیاز به استفاده از خطوط جریانی سرعت به دست آمده از آزمایش‌های PIV دارد.تیغه 1 داخلی ترین تیغه نزدیک به شفت، تیغه 3 بیرونی ترین تیغه و تیغه 2 تیغه میانی است.
خطوط جریان سرعت روی تیغه 1 یک جریان چرخشی مستقیم در اطراف تیغه را نشان می دهد.این الگوهای جریان از نقطه ای در سمت راست تیغه، بین روتور و تیغه سرچشمه می گیرند.با نگاهی به ناحیه نشان داده شده توسط جعبه نقطه قرمز در شکل 4a، شناسایی جنبه دیگری از جریان چرخش در بالا و اطراف تیغه جالب است.تجسم جریان جریان کمی را در ناحیه گردش مجدد نشان می دهد.این جریان از سمت راست تیغه در ارتفاع حدود 6 سانتی متری از انتهای تیغه نزدیک می شود که احتمالاً به دلیل نفوذ اولین تیغه دست قبل از تیغه است که در تصویر قابل مشاهده است.تجسم جریان در 4 دور در دقیقه همان رفتار و ساختار را نشان می دهد، ظاهراً با سرعت های بالاتر.
نمودار میدان سرعت و جریان سه تیغه در دو سرعت چرخش 3 دور در دقیقه و 4 دور در دقیقه.حداکثر سرعت متوسط ​​سه تیغه در 3 دور در دقیقه به ترتیب 0.15 متر بر ثانیه، 0.20 متر بر ثانیه و 0.16 متر بر ثانیه و حداکثر سرعت متوسط ​​در 4 دور در دقیقه 0.15 متر بر ثانیه، 0.22 متر بر ثانیه و 0.22 متر بر ثانیه است. s به ترتیب.در سه ورق
شکل دیگری از جریان مارپیچ بین پره های 1 و 2 یافت شد. میدان برداری به وضوح نشان می دهد که جریان آب از پایین پره 2 به سمت بالا حرکت می کند، همانطور که جهت بردار نشان داده می شود.همانطور که در کادر نقطه چین در شکل 4b نشان داده شده است، این بردارها از سطح تیغه به صورت عمودی به سمت بالا نمی روند، بلکه به سمت راست می چرخند و به تدریج پایین می آیند.بر روی سطح تیغه 1، بردارهای رو به پایین متمایز می شوند که به هر دو تیغه نزدیک می شوند و آنها را از جریان چرخشی تشکیل شده بین آنها احاطه می کنند.ساختار جریان یکسان در هر دو سرعت چرخش با دامنه سرعت بالاتر 4 rpm تعیین شد.
میدان سرعت تیغه 3 سهم قابل توجهی از بردار سرعت تیغه قبلی که به جریان زیر تیغه 3 می پیوندد ندارد. جریان اصلی زیر تیغه 3 به دلیل بردار سرعت عمودی است که با آب بالا می رود.
بردارهای سرعت روی سطح تیغه 3 را می توان به سه گروه تقسیم کرد، همانطور که در شکل 4c نشان داده شده است.اولین ست آن است که در لبه سمت راست تیغه قرار دارد.ساختار جریان در این موقعیت مستقیم به سمت راست و بالا است (یعنی به سمت تیغه 2).گروه دوم وسط تیغه است.بردار سرعت برای این موقعیت بدون هیچ انحراف و بدون چرخش مستقیم به سمت بالا هدایت می شود.کاهش در مقدار سرعت با افزایش ارتفاع بالای انتهای تیغه تعیین شد.برای گروه سوم که در حاشیه سمت چپ تیغه ها قرار دارند، جریان بلافاصله به سمت چپ، یعنی به دیواره لخته ساز هدایت می شود.بیشتر جریان نشان داده شده توسط بردار سرعت بالا می رود و بخشی از جریان به صورت افقی پایین می رود.
دو مدل آشفتگی، SST k–ω و IDDES، برای ساخت پروفیل‌های سرعت متوسط ​​زمان برای 3 دور در دقیقه و 4 دور در دقیقه در صفحه میانگین طول تیغه استفاده شد.همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، حالت پایدار با دستیابی به شباهت مطلق بین خطوط سرعت ایجاد شده توسط چهار چرخش متوالی به دست می آید.علاوه بر این، خطوط سرعت میانگین زمانی تولید شده توسط IDDES در شکل 6a نشان داده شده است، در حالی که پروفیل های سرعت میانگین زمانی تولید شده توسط SST k – ω در شکل 6a نشان داده شده است.6b.
با استفاده از IDDES و حلقه‌های سرعت میانگین زمانی تولید شده توسط SST k–ω، IDDES نسبت بیشتری از حلقه‌های سرعت دارد.
همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، پروفیل سرعت ایجاد شده با IDDES در 3 دور در دقیقه را به دقت بررسی کنید.
روی انجیر7 می توان دید که در سطح تیغه 3 در ربع I جریان جدایی وجود دارد، زیرا جریان به دلیل وجود سوراخ بالایی محدود نمی شود.در ربع II هیچ جدایی از جریان مشاهده نمی شود، زیرا جریان به طور کامل توسط دیواره های لخته ساز محدود می شود.در ربع III، آب با سرعت بسیار کمتر یا کمتری نسبت به ربع های قبلی می چرخد.آب در ربع I و II با عمل میکسر به سمت پایین حرکت می کند (یعنی می چرخد ​​یا به بیرون رانده می شود).و در ربع III، آب توسط تیغه های همزن به بیرون رانده می شود.بدیهی است که توده آب در این مکان در برابر آستین لخته ساز نزدیک مقاومت می کند.جریان چرخشی در این ربع کاملاً جدا شده است.برای ربع IV، بیشتر جریان هوا در بالای پره 3 به سمت دیواره لخته ساز هدایت می شود و با افزایش ارتفاع تا دهانه بالایی به تدریج اندازه خود را از دست می دهد.
علاوه بر این، مکان مرکزی شامل الگوهای جریان پیچیده ای است که بر ربع III و IV غالب است، همانطور که با بیضی های نقطه آبی نشان داده شده است.این ناحیه مشخص شده هیچ ارتباطی با جریان چرخشی در فلوکولاتور پارویی ندارد، زیرا حرکت چرخشی قابل شناسایی است.این برخلاف ربع I و II است که در آن جدایی واضحی بین جریان داخلی و جریان چرخشی کامل وجود دارد.
همانطور که در شکل نشان داده شده است.در شکل 6، با مقایسه نتایج IDDES و SST k-ω، تفاوت اصلی بین خطوط سرعت، بزرگی سرعت بلافاصله زیر تیغه 3 است. مدل SST k-ω به وضوح نشان می دهد که جریان با سرعت بالا گسترش یافته توسط تیغه 3 حمل می شود. در مقایسه با IDDES
تفاوت دیگر را می توان در ربع III یافت.همانطور که قبلا ذکر شد، از IDDES، جداسازی جریان چرخشی بین بازوهای لخته ساز ذکر شد.با این حال، این موقعیت به شدت تحت تاثیر جریان کم سرعت از گوشه ها و داخل تیغه اول است.از SST k–ω برای همان مکان، خطوط کانتور سرعت نسبتاً بالاتری را در مقایسه با IDDES نشان می‌دهند، زیرا هیچ جریان هم‌آهنگی از مناطق دیگر وجود ندارد.
درک کیفی میدان های بردار سرعت و خطوط جریان برای درک صحیح رفتار و ساختار جریان مورد نیاز است.با توجه به اینکه هر تیغه 5 سانتی متر عرض دارد، هفت نقطه سرعت در عرض انتخاب شد تا نمایه سرعت نماینده ارائه شود.علاوه بر این، درک کمی از بزرگی سرعت به عنوان تابعی از ارتفاع بالای سطح تیغه با رسم پروفیل سرعت به طور مستقیم بر روی هر سطح تیغه و در یک فاصله پیوسته 2.5 سانتی متری به صورت عمودی تا ارتفاع 10 سانتی متر مورد نیاز است.برای اطلاعات بیشتر به S1، S2 و S3 در شکل مراجعه کنید.پیوست A. شکل 8 شباهت توزیع سرعت سطحی هر تیغه (0.0 = Y) را نشان می دهد که با استفاده از آزمایشات PIV و آنالیز ANSYS-Fluent با استفاده از IDDES و SST k-ω به دست آمده است.هر دو مدل عددی شبیه سازی دقیق ساختار جریان بر روی سطح تیغه های لخته ساز را ممکن می سازند.
توزیع سرعت PIV، IDDES و SST k–ω روی سطح تیغه.محور x عرض هر ورق را بر حسب میلی متر نشان می دهد که مبدا (0 میلی متر) حاشیه سمت چپ ورق و انتهای (50 میلی متر) حاشیه سمت راست ورق را نشان می دهد.
به وضوح مشاهده می شود که توزیع سرعت تیغه های 2 و 3 در شکل 8 و 8 نشان داده شده است.S2 و S3 در ضمیمه A روندهای مشابهی را با ارتفاع نشان می دهند، در حالی که تیغه 1 به طور مستقل تغییر می کند.پروفیل های سرعت تیغه های 2 و 3 کاملاً صاف می شوند و در ارتفاع 10 سانتی متری از انتهای تیغه دارای دامنه یکسانی هستند.این بدان معنی است که جریان در این نقطه یکنواخت می شود.این به وضوح از نتایج PIV، که به خوبی توسط IDDES بازتولید شده است، دیده می شود.در همین حال، نتایج SST k–ω تفاوت هایی را نشان می دهد، به خصوص در 4 دور در دقیقه.
توجه به این نکته مهم است که تیغه 1 شکل یکسانی از مشخصات سرعت را در همه موقعیت ها حفظ می کند و از نظر ارتفاع نرمال نمی شود، زیرا چرخش تشکیل شده در مرکز میکسر شامل اولین تیغه همه بازوها است.همچنین، در مقایسه با IDDES، پروفیل‌های سرعت تیغه PIV 2 و 3 مقادیر سرعت کمی بالاتری را در بیشتر مکان‌ها نشان دادند تا زمانی که در 10 سانتی‌متر بالای سطح تیغه تقریباً برابر باشند.