Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com.Þú ert að nota vafraútgáfu með takmarkaðan CSS stuðning.Til að fá bestu upplifunina mælum við með því að þú notir uppfærðan vafra (eða slökkva á eindrægnistillingu í Internet Explorer).Að auki, til að tryggja áframhaldandi stuðning, sýnum við síðuna án stíla og JavaScript.
Sýnir hringekju með þremur skyggnum í einu.Notaðu Fyrri og Næsta hnappana til að fara í gegnum þrjár skyggnur í einu, eða notaðu sleðahnappana í lokin til að fara í gegnum þrjár skyggnur í einu.
Í þessari rannsókn er vatnsaflsfræði flokkunar metin með tilrauna- og tölulegum rannsóknum á ókyrrða flæðihraðasviðinu í spaðaflokkunarvél á rannsóknarstofu.Óróaflæðið sem stuðlar að agnasamsöfnun eða flokksbroti er flókið og er skoðað og borið saman í þessari grein með því að nota tvö ókyrrðarlíkön, nefnilega SST k-ω og IDDES.Niðurstöðurnar sýna að IDDES gefur mjög litla framför yfir SST k-ω, sem er nægjanlegt til að líkja nákvæmlega eftir flæði innan spaðaflokkunarvélar.Passunarstigið er notað til að kanna samleitni PIV og CFD niðurstaðna og til að bera saman niðurstöður CFD ókyrrðarlíkans sem notað er.Rannsóknin beinist einnig að því að mæla sleðastuðulinn k, sem er 0,18 við lágan hraða 3 og 4 snúninga á mínútu samanborið við venjulega dæmigerða gildið 0,25.Með því að lækka k úr 0,25 í 0,18 eykst krafturinn sem kemur til vökvans um 27-30% og eykur hraðahallann (G) um 14%.Þetta þýðir að öflugri blöndun næst en búist var við, því minni orku er eytt og því getur orkunotkun í flokkunareiningu neysluvatnshreinsistöðvar verið minni.
Við vatnshreinsun veldur því að bæta við storkuefnum óstöðugleika í litlum kvoðuagnum og óhreinindum sem síðan sameinast og mynda flokkun á flokkunarstigi.Flögur eru lauslega bundnar brotasamstæður sem eru síðan fjarlægðar með því að setjast.Agnaeiginleikar og vökvablöndunarskilyrði ákvarða skilvirkni flokkunar- og meðhöndlunarferlisins.Flokkun krefst hægs hræringar í tiltölulega stuttan tíma og mikillar orku til að hrista mikið magn af vatni1.
Meðan á flokkun stendur, ákvarða vatnsaflsfræði alls kerfisins og efnafræði víxlverkunar storkuefnis og agna hraða sem kyrrstæð kornastærðardreifing næst2.Þegar agnir rekast, festast þær hver við aðra3.Oyegbile, Ay4 greindi frá því að árekstrar væru háðir flocculation flutningsaðferðum Brownian dreifingar, vökvaskurðar og mismunadrifs.Þegar flögurnar rekast, stækka þær og ná ákveðnum stærðarmörkum, sem getur leitt til brota, þar sem flögurnar þola ekki kraft vatnsaflskrafta5.Sumar af þessum brotnu flögum sameinast aftur í smærri eða sömu stærð6.Hins vegar geta sterkar flögur staðist þennan kraft og viðhaldið stærð sinni og jafnvel vaxið7.Yukselen og Gregory8 greindu frá rannsóknum sem tengjast eyðingu flögna og getu þeirra til að endurnýjast, sem sýndu að óafturkræfið er takmarkað.Bridgeman, Jefferson9 notaði CFD til að meta staðbundin áhrif meðalflæðis og ókyrrðar á flokkmyndun og sundrun í gegnum staðbundna hraðahalla.Í tönkum sem eru búnir snúningsblöðum er nauðsynlegt að breyta hraðanum sem fyllingin rekast á við aðrar agnir þegar þau eru nægilega óstöðug í storknunarfasanum.Með því að nota CFD og lægri snúningshraða um 15 snúninga á mínútu, gátu Vadasarukkai og Gagnon11 náð G-gildum fyrir flokkun með keilulaga blöðum og lágmarkaði þannig orkunotkun fyrir hræringu.Hins vegar getur rekstur við hærri G gildi leitt til flokkunar.Þeir rannsökuðu áhrif blöndunarhraða á að ákvarða meðalhraðahalla flugvélar.Þeir snúast á meira en 5 snúninga á mínútu.
Korpijärvi, Ahlstedt12 notaði fjögur mismunandi ókyrrðarlíkön til að rannsaka flæðisviðið á tankprófunarbekk.Þeir mældu flæðisviðið með laser Doppler vindmæli og PIV og báru saman reiknaðar niðurstöður við mældar niðurstöður.de Oliveira og Donadel13 hafa lagt til aðra aðferð til að meta hraðahalla út frá vatnsaflsfræðilegum eiginleikum með því að nota CFD.Fyrirhuguð aðferð var prófuð á sex flokkunareiningum sem byggðar voru á þyrillaga rúmfræði.metið áhrif varðveislutíma á flokkunarefni og lagt til flokkunarlíkan sem hægt er að nota sem tæki til að styðja við skynsamlega frumuhönnun með lágum varðveislutíma14.Zhan, You15 lagði til sameinað CFD og íbúajafnvægislíkan til að líkja eftir flæðiseiginleikum og flókahegðun í fullum mælikvarða.Llano-Serna, Coral-Portillo16 rannsakaði flæðiseiginleika vatnsflokkunartækis af Cox-gerð í vatnshreinsistöð í Viterbo, Kólumbíu.Þó að CFD hafi sína kosti eru líka takmarkanir eins og tölulegar villur í útreikningum.Þess vegna ætti að skoða og greina allar tölulegar niðurstöður sem fást vandlega til að draga gagnrýnar ályktanir17.Fáar rannsóknir eru til í bókmenntum um hönnun lárétta flóknara, en ráðleggingar um hönnun vatnsafnfræðilegra flocculators eru takmarkaðar18.Chen, Liao19 notaði tilraunauppsetningu sem byggði á dreifingu skautaðs ljóss til að mæla skautun dreifðs ljóss frá einstökum ögnum.Feng, Zhang20 notaði Ansys-Fluent til að líkja eftir dreifingu hvirfilstrauma og hringsnúnings í flæðisviði storknuðu plötuflokkunartækis og innbyrðis bylgjupappa.Eftir að hafa líkt eftir ólgandi vökvaflæði í flocculator með Ansys-Fluent, notaði Gavi21 niðurstöðurnar til að hanna flocculator.Vaneli og Teixeira22 greindu frá því að sambandið milli vökvavirkni þyrilröraflokkunarvéla og flokkunarferlisins sé enn illa skilið til að styðja við skynsamlega hönnun.de Oliveira og Costa Teixeira23 rannsökuðu skilvirknina og sýndu fram á vatnsaflsfræðilega eiginleika spíralröraflokkunarbúnaðarins með eðlisfræðitilraunum og CFD uppgerð.Margir vísindamenn hafa rannsakað spóluhólfa eða spóluhólfa.Hins vegar vantar enn nákvæmar vatnsaflsupplýsingar um viðbrögð þessara kjarna við ýmiskonar hönnun og rekstrarskilyrði (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira og Teixeira26 kynna upprunalegar niðurstöður úr fræðilegum, tilrauna- og CFD uppgerðum á spíralflokkunarvél.Oliveira og Teixeira27 lögðu til að nota spíralspólu sem storku-flokkunarofni ásamt hefðbundnu dekanterkerfi.Þeir greina frá því að niðurstöður sem fást fyrir skilvirkni gruggeyðingar séu verulega frábrugðnar þeim sem fást með algengum líkönum til að meta flokkun, sem bendir til varúðar þegar slík líkön eru notuð.Moruzzi og de Oliveira [28] gerðu líkan af hegðun kerfis samfelldra flokkunarhólfa við ýmsar rekstraraðstæður, þar á meðal breytileika í fjölda hólfa sem notuð eru og notkun fastra eða kvarðaðra frumuhraðahalla.Romphophak, Le Men29 PIV mælingar á tafarlausum hraða í hálf-tvívíðum þotuhreinsiefnum.Þeir fundu sterka þotavöldum hringrás í flokkunarsvæðinu og áætlað staðbundið og tafarlaust klipphraða.
Shah, Joshi30 greinir frá því að CFD bjóði upp á áhugaverðan valkost til að bæta hönnun og fá sýndarflæðiseiginleika.Þetta hjálpar til við að forðast víðtækar tilraunauppsetningar.CFD er í auknum mæli notað til að greina vatns- og skólphreinsistöðvar (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Nokkrir rannsakendur hafa gert tilraunir á dósaprófunarbúnaði (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) og götóttum diskaflokkunartækjum31.Aðrir hafa notað CFD til að meta vatnsflokkunartæki (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 greindi frá því að vélrænar flocculators þurfi reglubundið viðhald þar sem þeir bila oft og þurfa mikið rafmagn.
Afköst spaðaflokkavélar eru mjög háð vatnsaflsvirkni lónsins.Skortur á megindlegum skilningi á flæðihraðasviðum í slíkum flocculators kemur greinilega fram í bókmenntum (Howe, Hand38; Hendricks39).Allur vatnsmassi er háður hreyfingu flocculator hjólsins, þannig að búist er við skriði.Venjulega er vökvahraðinn minni en blaðhraðinn miðað við sleðstuðulinn k, sem er skilgreindur sem hlutfall hraða vatnshlotsins og hraða hjólsins.Bhole40 greindi frá því að það séu þrír óþekktir þættir sem þarf að hafa í huga þegar flocculator er hannaður, nefnilega hraðahalli, viðnámsstuðull og hlutfallslegur hraði vatnsins miðað við blaðið.
Camp41 greinir frá því að þegar litið er til háhraðavéla sé hraðinn um 24% af snúningshraðanum og allt að 32% fyrir lághraðavélar.Í fjarveru septa notuðu Droste og Ger42 ak gildi 0,25, en í tilfelli septa var k á bilinu 0 til 0,15.Howe, Hand38 bendir til þess að k sé á bilinu 0,2 til 0,3.Hendrix39 tengdi sleðstuðulinn við snúningshraða með reynsluformúlu og komst að þeirri niðurstöðu að sleðstuðullinn væri einnig innan þess marks sem Camp41 setur.Bratby43 greindi frá því að k er um 0,2 fyrir hjólhraða frá 1,8 til 5,4 snúninga á mínútu og hækkar í 0,35 fyrir hjólhraða frá 0,9 til 3 snúninga á mínútu.Aðrir rannsakendur segja frá breitt úrval af þolstuðli (Cd) gildum frá 1,0 til 1,8 og sleðstuðull k gildum frá 0,25 til 0,40 (Feir og Geyer44; Hyde og Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; og Bratby og Marais48 ).Bókmenntir sýna ekki verulegar framfarir í skilgreiningu og magngreiningu k síðan Camp41 starfaði.
Flokkunarferlið byggir á ókyrrð til að auðvelda árekstra, þar sem hraðahalli (G) er notaður til að mæla ókyrrð/flokkun.Blöndun er ferlið við að dreifa efnum fljótt og jafnt í vatni.Hraði blöndunar er mælt með hraðahallanum:
þar sem G = hraðahalli (sek-1), P = aflinntak (W), V = rúmmál vatns (m3), μ = kraftmikil seigja (Pa s).
Því hærra sem G gildið er, því meira blandað.Mikil blöndun er nauðsynleg til að tryggja samræmda storknun.Bókmenntir gefa til kynna að mikilvægustu hönnunarbreyturnar séu blöndunartími (t) og hraðahalli (G).Flokkunarferlið byggir á ókyrrð til að auðvelda árekstra, þar sem hraðahalli (G) er notaður til að mæla ókyrrð/flokkun.Dæmigert hönnunargildi fyrir G eru 20 til 70 s–1, t er 15 til 30 mínútur og Gt (víddarlaust) er 104 til 105. Hraðblöndunartankar virka best með G gildi á bilinu 700 til 1000, með tímadvöl um 2 mínútur.
þar sem P er krafturinn sem hvert flocculator blað gefur vökvanum, N er snúningshraði, b er lengd blaðsins, ρ er vatnsþéttleiki, r er radíus og k er sleppastuðullinn.Þessari jöfnu er beitt á hvert blað fyrir sig og niðurstöðurnar eru teknar saman til að gefa heildaraflinntak flocculatorsins.Nákvæm rannsókn á þessari jöfnu sýnir mikilvægi sleðastuðulsins k í hönnunarferli spaðaflokkavélar.Í bókmenntum kemur ekki fram nákvæmt gildi k, en í staðinn er mælt með bili eins og áður sagði.Samt sem áður er sambandið á milli kraftsins P og losunarstuðulsins k tenings.Þannig, að því tilskildu að allar breytur séu eins, til dæmis, að breyta k úr 0,25 í 0,3 mun það leiða til lækkunar á krafti sem fluttur er til vökvans á blað um um 20% og að minnka k úr 0,25 í 0,18 mun auka hana.um 27-30% á hvern hníf Kraftinn sem vökvanum er veittur.Á endanum þarf að kanna áhrif k á sjálfbæra hönnun á róðri með tæknilegri magngreiningu.
Nákvæm empírísk magngreining á skriðu krefst flæðissýni og uppgerð.Þess vegna er mikilvægt að lýsa snertihraða blaðsins í vatni við ákveðinn snúningshraða í mismunandi geislamyndalengdum frá skaftinu og á mismunandi dýpi frá vatnsyfirborði til að meta áhrif mismunandi blaðstaða.
Í þessari rannsókn er vatnsaflsfræði flokkunar metin með tilrauna- og tölulegum rannsóknum á ókyrrða flæðihraðasviðinu í spaðaflokkunarvél á rannsóknarstofu.PIV mælingarnar eru skráðar á flocculator, sem skapar tímameðaltalshraða útlínur sem sýna hraða vatnsagna í kringum blöðin.Að auki var ANSYS-Fluent CFD notað til að líkja eftir hringflæði inni í flokkunartækinu og búa til hraðaútlínur í tímameðaltali.CFD líkanið sem fékkst var staðfest með því að meta samsvörun milli PIV og CFD niðurstaðna.Áherslan í þessari vinnu er á magngreiningu sleðstuðulsins k, sem er víddarlaus hönnunarfæribreyta spaðaflokkunartækis.Sú vinna sem hér er kynnt gefur nýjan grunn til að mæla sleppastuðulinn k við lágan hraða 3 rpm og 4 rpm.Afleiðingar niðurstaðnanna stuðla beint að betri skilningi á vatnsaflsfræði flokkunartanksins.
Rannsóknarstofuflokkunarvélin samanstendur af ferhyrndum kassa með opnum toppi með heildarhæð 147 cm, hæð 39 cm, heildarbreidd 118 cm og heildarlengd 138 cm (mynd 1).Helstu hönnunarviðmiðin sem Camp49 þróaði voru notuð til að hanna spaðaflokkunarvél á rannsóknarstofu og beita meginreglum víddargreiningar.Tilraunaaðstaðan var byggð á umhverfisverkfræðirannsóknarstofu í Líbanon-ameríska háskólanum (Byblos, Líbanon).
Lárétti ásinn er staðsettur í 60 cm hæð frá botninum og rúmar tvö hjól.Hvert spaðahjól samanstendur af 4 spöðum með 3 spöðum á hverjum spaða fyrir samtals 12 spaða.Flokkun krefst vægrar hræringar á lágum hraða, 2 til 6 snúninga á mínútu.Algengustu blöndunarhraðarnir í flokkunarvélum eru 3 rpm og 4 rpm.Flokkaflæði á rannsóknarstofukvarða er hannað til að tákna flæðið í flokkunartankarými drykkjarvatnshreinsistöðvar.Afl er reiknað með hefðbundinni jöfnu 42 .Fyrir báða snúningshraða er hraðahallinn \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) meiri en 10 \({\text{sek}}^{-{1}}\) , Reynolds talan gefur til kynna óróaflæði (tafla 1).
PIV er notað til að ná nákvæmum og megindlegum mælingum á vökvahraðavigrum samtímis á mjög miklum fjölda punkta50.Tilraunauppsetningin innihélt paddle flocculator á rannsóknarstofu, LaVision PIV kerfi (2017) og Arduino ytri leysiskynjara.Til að búa til tímameðaltalshraðasnið voru PIV myndir teknar upp í röð á sama stað.PIV kerfið er kvarðað þannig að marksvæðið er á miðpunkti lengdar hvers þriggja blaða tiltekins róðrararms.Ytri kveikjan samanstendur af leysi sem staðsettur er á annarri hliðinni á breidd flocculator og skynjaramóttakara hinum megin.Í hvert sinn sem flokkunararmurinn hindrar leysisleiðina er merki sent til PIV kerfisins til að taka mynd með PIV leysinum og myndavélinni samstillt með forritanlegri tímatökueiningu.Á mynd.2 sýnir uppsetningu PIV kerfisins og myndtökuferlið.
Skráning á PIV var hafin eftir að flokkunartækið var notað í 5–10 mínútur til að staðla flæðið og taka tillit til sama brotstuðulssviðs.Kvörðun er náð með því að nota kvörðunarplötu sem er sökkt í flocculator og sett á miðpunkt lengdar blaðsins sem vekur áhuga.Stilltu stöðu PIV leysisins til að mynda flata ljósplötu beint fyrir ofan kvörðunarplötuna.Skráðu mæld gildi fyrir hvern snúningshraða hvers blaðs og snúningshraðinn sem valinn er fyrir tilraunina er 3 snúninga á mínútu og 4 snúninga á mínútu.
Fyrir allar PIV upptökur var tímabilið á milli tveggja leysipúlsa stillt á bilinu frá 6900 til 7700 µs, sem leyfði lágmarks tilfærslu agna upp á 5 pixla.Tilraunaprófanir voru gerðar á fjölda mynda sem þarf til að fá nákvæmar mælingar í tímameðaltali.Vigurtölfræði var borin saman fyrir sýni sem innihéldu 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 og 280 myndir.Sýnisstærð upp á 240 myndir reyndist gefa stöðugar niðurstöður í tímameðaltali að því gefnu að hver mynd samanstendur af tveimur römmum.
Þar sem flæðið í flocculatornum er ókyrrt þarf lítinn yfirheyrsluglugga og mikinn fjölda agna til að leysa úr litlum órólegum mannvirkjum.Nokkrar endurtekningar á stærðarminnkun eru notaðar ásamt krossfylgnialgrími til að tryggja nákvæmni.Upphafleg könnunargluggastærð 48×48 pixlar með 50% skörun og einu aðlögunarferli var fylgt eftir með lokakönnunargluggastærð 32×32 pixlar með 100% skörun og tveimur aðlögunarferlum.Auk þess voru holukúlur úr gleri notaðar sem fræagnir í flæðinu, sem leyfði að minnsta kosti 10 agnir í hverjum könnunarglugga.PIV upptaka er ræst af kveikjugjafa í forritanlegri tímaeiningu (PTU), sem sér um að stjórna og samstilla leysigjafann og myndavélina.
Auglýsing CFD pakkinn ANSYS Fluent v 19.1 var notaður til að þróa þrívíddarlíkanið og leysa grunnflæðisjöfnur.
Með því að nota ANSYS-Fluent var búið til þrívíddarlíkan af paddle flocculator á rannsóknarstofu.Líkanið er gert í formi rétthyrnds kassa, sem samanstendur af tveimur hjólum sem eru festir á láréttan ás, eins og rannsóknarstofulíkanið.Líkanið án fríborðs er 108 cm á hæð, 118 cm á breidd og 138 cm á lengd.Láréttu sívalningsplani hefur verið bætt utan um hrærivélina.Myndun sívals plans ætti að útfæra snúning á öllu hrærivélinni meðan á uppsetningu stendur og líkja eftir snúningsflæðisviðinu inni í flokkunartækinu, eins og sýnt er á mynd 3a.
3D ANSYS-fljótandi skýringarmynd og módel rúmfræði, ANSYS-fluent flocculator líkama möskva á áhugaplaninu, ANSYS-fluent skýringarmynd á áhugaplaninu.
Rúmfræði líkansins samanstendur af tveimur svæðum sem hvert um sig er vökvi.Þetta er náð með því að nota rökræna frádráttaraðgerðina.Dragðu fyrst strokkinn (þar með talið hrærivél) frá kassanum til að tákna vökvann.Dragðu síðan hrærivélina frá strokknum, sem leiðir til tveggja hluta: hrærivélina og vökvann.Að lokum var renniviðmót beitt á milli svæðanna tveggja: strokka-strokka tengi og strokka-blandara tengi (Mynd 3a).
Lokið hefur verið við samþættingu smíðuðu líkananna til að uppfylla kröfur um ókyrrðarlíkön sem verða notuð til að keyra tölulegar hermir.Notað var ómótað möskva með stækkuðum lögum nálægt föstu yfirborðinu.Búðu til þenslulög fyrir alla veggi með vaxtarhraða 1,2 til að tryggja að flókið flæðimynstur sé fangað, með fyrsta lagi þykkt \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m til að tryggja að \( ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).Líkamsstærðin er aðlöguð með því að nota tetrahedron-festingaraðferðina.Framhliðarstærð tveggja viðmóta með stærð 2,5 × \({10}^{-3}\) m er búin til og framhlið blöndunartækisins 9 × \({10}^{-3}\ ) m er beitt.Upphaflega mynda möskvan samanstóð af 2144409 þáttum (mynd 3b).
Tveggja breytu k–ε ókyrrðarlíkan var valið sem upphafsgrunnlíkan.Til að líkja nákvæmlega eftir hringflæðinu inni í flokkunarvélinni var reiknunarlega dýrara líkan valið.Ólgandi hringflæði inni í flocculator var tölulega rannsakað með tveimur CFD líkönum: SST k–ω51 og IDDES52.Niðurstöður beggja líkananna voru bornar saman við PIV tilrauna niðurstöður til að sannreyna líkanin.Í fyrsta lagi er SST k-ω ókyrrðarlíkan tveggja jöfnu ókyrrðarseigjulíkan fyrir vökvavirkni.Þetta er blendingslíkan sem sameinar Wilcox k-ω og k-ε módel.Blöndunaraðgerðin virkjar Wilcox líkanið nálægt veggnum og k-ε líkanið í komandi flæði.Þetta tryggir að rétt líkan sé notað á öllu flæðisviðinu.Það spáir nákvæmlega fyrir um flæðiskil vegna óhagstæðra þrýstingshalla.Í öðru lagi var Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) aðferðin, sem er mikið notuð í Individual Eddy Simulation (DES) líkaninu með SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) líkaninu, valin.IDDES er blendingur RANS-LES (stór eddy simulation) líkan sem veitir sveigjanlegra og notendavænna upplausnarskala (SRS) uppgerð líkan.Það er byggt á LES líkaninu til að leysa úr stórum hviðum og snýr aftur til SST k-ω til að líkja eftir smáskala hvirlum.Tölfræðilegar greiningar á niðurstöðum úr SST k–ω og IDDES hermunum voru bornar saman við PIV niðurstöður til að sannreyna líkanið.
Tveggja breytu k–ε ókyrrðarlíkan var valið sem upphafsgrunnlíkan.Til að líkja nákvæmlega eftir hringflæðinu inni í flokkunarvélinni var reiknunarlega dýrara líkan valið.Ólgandi hringflæði inni í flocculator var tölulega rannsakað með tveimur CFD líkönum: SST k–ω51 og IDDES52.Niðurstöður beggja líkananna voru bornar saman við PIV tilrauna niðurstöður til að sannreyna líkanin.Í fyrsta lagi er SST k-ω ókyrrðarlíkan tveggja jöfnu ókyrrðarseigjulíkan fyrir vökvavirkni.Þetta er blendingslíkan sem sameinar Wilcox k-ω og k-ε módel.Blöndunaraðgerðin virkjar Wilcox líkanið nálægt veggnum og k-ε líkanið í komandi flæði.Þetta tryggir að rétt líkan sé notað á öllu flæðisviðinu.Það spáir nákvæmlega fyrir um flæðiskil vegna óhagstæðra þrýstingshalla.Í öðru lagi var Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) aðferðin, sem er mikið notuð í Individual Eddy Simulation (DES) líkaninu með SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) líkaninu, valin.IDDES er blendingur RANS-LES (stór eddy simulation) líkan sem veitir sveigjanlegra og notendavænna upplausnarskala (SRS) uppgerð líkan.Það er byggt á LES líkaninu til að leysa úr stórum hviðum og snýr aftur til SST k-ω til að líkja eftir smáskala hvirlum.Tölfræðilegar greiningar á niðurstöðum úr SST k–ω og IDDES hermunum voru bornar saman við PIV niðurstöður til að sannreyna líkanið.
Notaðu þrýstingsbundinn skammtímaleysi og notaðu þyngdarafl í Y átt.Snúningur er náð með því að úthluta möskvahreyfingu til hrærivélarinnar, þar sem uppruni snúningsássins er í miðju lárétta ássins og stefna snúningsássins er í Z átt.Möskvaviðmót er búið til fyrir bæði rúmfræðiviðmót líkananna, sem leiðir til tveggja afmarkandi kassabrúna.Eins og í tilraunatækninni samsvarar snúningshraði 3 og 4 snúninga.
Mörkin fyrir veggi blöndunartækisins og flocculator voru stillt af veggnum og efsta opið á flocculator var stillt við úttakið með núllmælisþrýstingi (Mynd 3c).EINFALT þrýstings-hraða samskiptakerfi, sundurgreining á hallarými annars stigs aðgerða með öllum breytum byggðar á frumefnum minnstu ferninga.Samrunisviðmiðið fyrir allar flæðisbreytur er kvarðaðri leifar 1 x \({10}^{-3}\).Hámarksfjöldi endurtekningar á hverju tímaþrepi er 20 og stærð tímaþrepsins samsvarar 0,5° snúningi.Lausnin rennur saman við 8. endurtekningu fyrir SST k–ω líkanið og við 12. endurtekningu með IDDES.Auk þess var fjöldi tímaþrepa reiknaður þannig að hrærivélin gerði að minnsta kosti 12 snúninga.Notaðu gagnasýni fyrir tímatölfræði eftir 3 snúninga, sem gerir kleift að staðla flæðið, svipað og tilraunaaðferðin.Samanburður á afköstum hraðalykkja fyrir hvern snúning gefur nákvæmlega sömu niðurstöður fyrir síðustu fjóra snúningana, sem gefur til kynna að stöðugu ástandi hafi verið náð.Auka snúningurinn bætti ekki meðalhraða útlínur.
Tímaþrepið er skilgreint í tengslum við snúningshraða, 3 rpm eða 4 rpm.Tímaþrepið er fínstillt í þann tíma sem þarf til að snúa hrærivélinni um 0,5°.Þetta reynist nægjanlegt, þar sem lausnin rennur auðveldlega saman, eins og lýst er í fyrri kafla.Þannig voru allir tölulegir útreikningar fyrir bæði ókyrrðarlíkön framkvæmdir með breyttu tímaþrepinu 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) fyrir 3 rpm, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 snúninga á mínútu.Fyrir tiltekið fínpússunartímaþrep er Courant númer reits alltaf minna en 1,0.
Til að kanna módel-möskva háð, voru niðurstöður fyrst fengnar með því að nota upprunalega 2,14M möskva og síðan fágaða 2,88M möskva.Hreinsun á rist er náð með því að minnka frumustærð blöndunartækisins úr 9 × \({10}^{-3}\) m í 7 × \({10}^{-3}\) m.Fyrir upprunalegu og fáguðu möskvæðin af ókyrrð módelanna tveggja voru meðalgildi hraðaeininga á mismunandi stöðum í kringum blaðið borin saman.Hlutfallsmunur á niðurstöðum er 1,73% fyrir SST k–ω líkanið og 3,51% fyrir IDDES líkanið.IDDES sýnir hærri prósentumun vegna þess að þetta er blendingur RANS-LES módel.Þessi munur var talinn óverulegur, þannig að uppgerðin var gerð með því að nota upprunalega möskva með 2,14 milljón frumefni og snúningstímaþrep upp á 0,5°.
Endurtakanleiki tilraunaniðurstaðna var skoðaður með því að framkvæma hverja tilraunanna sex í annað sinn og bera saman niðurstöðurnar.Berðu saman hraðagildin í miðju blaðsins í tveimur röð tilrauna.Meðalhlutfallsmunur milli tilraunahópanna tveggja var 3,1%.PIV kerfið var einnig sjálfstætt endurkvarðað fyrir hverja tilraun.Berðu saman greiningarreiknaðan hraða í miðju hvers blaðs við PIV hraðann á sama stað.Þessi samanburður sýnir muninn með hámarks prósentuskekkju upp á 6,5% fyrir blað 1.
Áður en sleppastuðullinn er magnmældur er nauðsynlegt að gera vísindalega grein fyrir hugtakinu slipp í róðrarflöguvél, sem krefst þess að rannsaka flæðisbygginguna í kringum róðrarspaðana.Hugmyndalega er sleðstuðullinn innbyggður í hönnun spaðaflokka til að taka tillit til hraða blaðanna miðað við vatnið.Bókmenntir mæla með því að þessi hraði sé 75% af blaðhraðanum, þannig að flestar hönnun nota venjulega ak upp á 0,25 til að gera grein fyrir þessari aðlögun.Þetta krefst þess að hraðastraumlínur séu notaðar úr PIV tilraunum til að skilja flæðihraðasviðið að fullu og rannsaka þennan sleða.Blað 1 er innsta blaðið næst skaftinu, blað 3 er ysta blaðið og blað 2 er miðblaðið.
Hraðastraumlínurnar á blað 1 sýna beint snúningsflæði um blaðið.Þessi flæðimynstur stafar frá punkti hægra megin á blaðinu, á milli snúnings og blaðs.Þegar litið er á svæðið sem rauða punktareiturinn gefur til kynna á mynd 4a, er áhugavert að greina annan þátt í endurrásarflæðinu fyrir ofan og í kringum blaðið.Flæðissýn sýnir lítið flæði inn í endurrásarsvæðið.Þetta flæði nálgast frá hægri hlið blaðsins í um 6 cm hæð frá enda blaðsins, hugsanlega vegna áhrifa frá fyrsta blaði handar á undan blaðinu, sem sést á myndinni.Flæðissýn við 4 snúninga á mínútu sýnir sömu hegðun og uppbyggingu, að því er virðist með meiri hraða.
Hraðasvið og straumrit þriggja blaða við tvo snúningshraða 3 rpm og 4 rpm.Hámarksmeðalhraði blaðanna þriggja við 3 snúninga á mínútu er 0,15 m/s, 0,20 m/s og 0,16 m/s í sömu röð og hámarksmeðalhraði við 4 snúninga á mínútu er 0,15 m/s, 0,22 m/s og 0,22 m/ s, í sömu röð.á þremur blöðum.
Önnur tegund af þyrluflæði fannst á milli vinda 1 og 2. Vigursviðið sýnir greinilega að vatnsrennslið er að færast upp frá botni vinds 2, eins og stefna vigursins gefur til kynna.Eins og punktakassinn á mynd 4b sýnir, fara þessir vektorar ekki lóðrétt upp frá yfirborði blaðsins heldur snúast til hægri og síga smám saman niður.Á yfirborði blaðsins 1 eru greindir niður vigur, sem nálgast bæði blöðin og umlykja þau frá endurrásarflæðinu sem myndast á milli þeirra.Sama flæðisbygging var ákvörðuð við báða snúningshraða með hærri hraða amplitude 4 rpm.
Hraðasvið blaðs 3 hefur ekki marktækt framlag vegna þess að hraðavigur fyrri blaðsins tengist flæðinu fyrir neðan blað 3. Meginrennsli undir blað 3 er vegna þess að lóðréttur hraðavigur hækkar með vatninu.
Hægt er að skipta hraðavögrum yfir yfirborði blaðsins 3 í þrjá hópa, eins og sýnt er á mynd 4c.Fyrsta settið er það sem er á hægri brún blaðsins.Flæðisbyggingin í þessari stöðu er beint til hægri og upp (þ.e. í átt að blað 2).Annar hópurinn er miðja blaðsins.Hraðavigur fyrir þessa stöðu er beint upp, án nokkurs fráviks og án snúnings.Lækkun á hraðagildi var ákvörðuð með aukningu á hæð fyrir ofan enda blaðsins.Fyrir þriðja hópinn, sem er staðsettur á vinstri jaðri blaðanna, er flæðinu beint til vinstri, þ.e. að vegg flocculatorsins.Stærstur hluti flæðisins sem hraðavigurinn táknar fer upp og hluti flæðisins fer lárétt niður.
Tvö ókyrrðarlíkön, SST k–ω og IDDES, voru notuð til að smíða tímameðaltalshraðasnið fyrir 3 rpm og 4 rpm í meðallengdarplani blaðsins.Eins og sýnt er á mynd 5, næst stöðugu ástandi með því að ná algjörum líkindum á milli hraðaútlínanna sem myndast við fjóra snúninga í röð.Að auki eru útlínur tímameðaltalshraða sem myndast af IDDES sýndar á mynd 6a, en tímameðaltalshraðasnið sem myndast af SST k – ω eru sýnd á mynd 6a.6b.
Með því að nota IDDES og tímameðaltalshraðalykkja sem myndast af SST k–ω, hefur IDDES hærra hlutfall af hraðalykkjum.
Skoðaðu vandlega hraðasniðið sem búið er til með IDDES við 3 snúninga á mínútu eins og sýnt er á mynd 7. Blöndunartækið snýst réttsælis og flæðið er rætt samkvæmt skýringunum sem sýndar eru.
Á mynd.7 sést að á yfirborði blaðsins 3 í I fjórðungnum er aðskilnaður á flæðinu, þar sem flæðið er ekki takmarkað vegna nærveru efra gatsins.Í fjórðungi II sést ekki aðskilnaður flæðis þar sem flæðið er algjörlega takmarkað af veggjum flocculatorsins.Í fjórðungi III snýst vatnið á mun minni eða minni hraða en í fyrri fjórðungum.Vatnið í fjórðungum I og II er fært (þ.e. snúið eða ýtt út) niður á við með virkni blöndunartækisins.Og í fjórðungi III er vatninu ýtt út með blöðum hrærivélarinnar.Það er augljóst að vatnsmassi á þessum stað stendur gegn flocculator erminni sem nálgast.Snúningsflæðið í þessum fjórðungi er algjörlega aðskilið.Fyrir fjórðung IV beinist megnið af loftstreyminu fyrir ofan vökva 3 í átt að flocculator-veggnum og missir smám saman stærð sína eftir því sem hæðin eykst að efsta opinu.
Að auki inniheldur miðlæg staðsetning flókin flæðimynstur sem ráða yfir fjórðungum III og IV, eins og sést af bláum punkta sporbaugunum.Þetta merkta svæði hefur ekkert með hringflæðið í róðrarflöguvélinni að gera, þar sem hægt er að greina hringhreyfinguna.Þetta er ólíkt fjórðungum I og II þar sem skýr skil eru á milli innra flæðis og fulls snúningsflæðis.
Eins og sýnt er á mynd.6, þar sem niðurstöður IDDES og SST k-ω eru bornar saman, er helsti munurinn á hraðaútlínunum stærð hraðans beint fyrir neðan blað 3. SST k-ω líkanið sýnir greinilega að langvarandi háhraðaflæði er borið af blað 3 miðað við IDDES.
Annan mun er að finna í fjórðungi III.Frá IDDES, eins og fyrr segir, var greint frá snúningsflæðisskilum milli flokkunararmanna.Hins vegar er þessi staða mjög fyrir áhrifum af lághraða flæði frá hornum og innra hluta fyrsta blaðsins.Frá SST k–ω fyrir sama stað sýna útlínur hlutfallslega meiri hraða miðað við IDDES vegna þess að ekki er samflæði frá öðrum svæðum.
Eigindlegur skilningur á hraðavigursviðum og straumlínum er nauðsynleg til að fá réttan skilning á flæðihegðun og uppbyggingu.Í ljósi þess að hvert blað er 5 cm á breidd voru sjö hraðapunktar valdir yfir breiddina til að gefa dæmigert hraðasnið.Auk þess þarf megindlegan skilning á stærð hraðans sem fall af hæð yfir yfirborði blaðsins með því að teikna hraðasniðið beint yfir hvern blaðflöt og yfir samfellda fjarlægð sem er 2,5 cm lóðrétt upp í 10 cm hæð.Sjá S1, S2 og S3 á myndinni fyrir frekari upplýsingar.Viðauki A. Mynd 8 sýnir líkindin á yfirborðshraðadreifingu hvers blaðs (Y = 0,0) sem fæst með PIV tilraunum og ANSYS-Fluent greiningu með IDDES og SST k-ω.Bæði töluleg líkön gera það mögulegt að líkja nákvæmlega eftir flæðisbyggingu á yfirborði flocculator blaðanna.
Hraðadreifingar PIV, IDDES og SST k–ω á yfirborði blaðsins.X-ásinn táknar breidd hvers blaðs í millimetrum, þar sem uppruna (0 mm) táknar vinstri jaðar blaðsins og endir (50 mm) táknar hægri jaðar blaðsins.
Það sést greinilega að hraðadreifing blaðanna 2 og 3 er sýnd á mynd 8 og mynd 8.S2 og S3 í viðauka A sýna svipaða þróun með hæð, en blað 1 breytist sjálfstætt.Hraðasnið blaða 2 og 3 verða fullkomlega bein og hafa sömu amplitude í 10 cm hæð frá enda blaðsins.Þetta þýðir að flæðið verður einsleitt á þessum tímapunkti.Þetta sést vel af PIV niðurstöðunum, sem eru vel endurgerðar af IDDES.Á sama tíma sýna niðurstöður SST k–ω nokkurn mun, sérstaklega við 4 snúninga á mínútu.
Það er mikilvægt að hafa í huga að blað 1 heldur sömu lögun hraðasniðsins í öllum stöðum og er ekki eðlilegt á hæð, þar sem þyrlan sem myndast í miðju blöndunartækisins inniheldur fyrsta blað allra arma.Einnig, samanborið við IDDES, sýndu PIV blaðhraðasnið 2 og 3 aðeins hærri hraðagildi á flestum stöðum þar til þau voru næstum jöfn í 10 cm yfir yfirborði blaðsins.
Birtingartími: 27. desember 2022