Salamat sa pagbisita sa Nature.com.Naggamit ka usa ka bersyon sa browser nga adunay limitado nga suporta sa CSS.Alang sa labing kaayo nga kasinatian, among girekomenda nga mogamit ka usa ka bag-ong browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer).Dugang pa, aron masiguro ang padayon nga suporta, gipakita namon ang site nga wala’y mga istilo ug JavaScript.
Nagpakita sa usa ka carousel sa tulo ka mga slide sa usa ka higayon.Gamita ang Kaniadto ug Sunod nga mga buton sa paglihok sa tulo ka mga slide sa usa ka higayon, o gamita ang mga buton sa slider sa katapusan aron sa paglihok sa tulo ka mga slide sa usa ka higayon.
Niini nga pagtuon, ang hydrodynamics sa flocculation gi-evaluate pinaagi sa eksperimento ug numerical nga imbestigasyon sa gubot nga agianan sa tulin nga natad sa usa ka laboratory scale paddle flocculator.Ang gubot nga pag-agos nga nagpasiugda sa paghugpong sa partikulo o pagkabungkag sa floc komplikado ug gikonsiderar ug gitandi niini nga papel gamit ang duha ka mga modelo sa turbulence, nga mao ang SST k-ω ug IDDES.Ang mga resulta nagpakita nga ang IDDES naghatag ug gamay kaayong pag-uswag sa SST k-ω, nga igo na aron tukma nga masundog ang dagan sulod sa paddle flocculator.Ang fit score gigamit sa pag-imbestigar sa convergence sa PIV ug CFD nga mga resulta, ug sa pagtandi sa mga resulta sa CFD turbulence model nga gigamit.Ang pagtuon nagpunting usab sa pag-ihap sa slip factor k, nga 0.18 sa mubu nga tulin nga 3 ug 4 rpm kumpara sa naandan nga tipikal nga kantidad nga 0.25.Ang pagkunhod sa k gikan sa 0.25 ngadto sa 0.18 nagdugang sa gahum nga gihatag ngadto sa fluid sa mga 27-30% ug nagdugang sa velocity gradient (G) sa mga 14%.Kini nagpasabot nga mas intensive nga pagsagol ang nakab-ot kay sa gipaabot, busa mas gamay nga enerhiya ang nahurot, ug busa ang konsumo sa enerhiya sa flocculation unit sa planta sa pag-inom sa tubig mahimong mas ubos.
Sa paghinlo sa tubig, ang pagdugang sa mga coagulants nagdaot sa gagmay nga mga partikulo sa koloid ug mga hugaw, nga unya maghiusa aron maporma ang flocculation sa yugto sa flocculation.Ang mga tipik mao ang loosely bound fractal aggregates sa masa, nga unya gikuha pinaagi sa paghusay.Ang mga kabtangan sa partikulo ug mga kondisyon sa pagsagol sa likido nagtino sa kaepektibo sa flocculation ug proseso sa pagtambal.Ang flocculation nanginahanglan ug hinay nga agitation sa medyo mubo nga panahon ug daghang kusog aron mapukaw ang daghang volume sa tubig1.
Sa panahon sa flocculation, ang hydrodynamics sa tibuok nga sistema ug ang chemistry sa coagulant-particle interaction nagtino sa gikusgon sa usa ka stationary particle size distribution nga makab-ot2.Kung ang mga partikulo magbangga, sila magtapot sa usag usa3.Oyegbile, Ay4 nagtaho nga ang mga bangga nagdepende sa flocculation transport mechanisms sa Brownian diffusion, fluid shear ug differential settling.Sa diha nga ang mga tipik magbangga, sila motubo ug moabut sa usa ka piho nga gidak-on nga limitasyon, nga mahimong mosangpot sa pagkaguba, tungod kay ang mga tipik dili makasugakod sa puwersa sa hydrodynamic nga pwersa5.Ang uban niini nga mga nabuak nga mga tipik naghiusa pag-usab ngadto sa mas gagmay o parehas nga gidak-on6.Bisan pa, ang lig-on nga mga flakes makasukol niini nga puwersa ug magpadayon sa ilang gidak-on ug bisan pa sa pagtubo7.Gi-report ni Yukselen ug Gregory8 ang mga pagtuon nga may kalabotan sa pagkaguba sa mga flakes ug ang ilang abilidad sa pagbag-o, nga nagpakita nga ang pagkadili mabag-o limitado.Bridgeman, Jefferson9 migamit sa CFD sa pagbanabana sa lokal nga impluwensya sa mean flow ug turbulence sa floc formation ug fragmentation pinaagi sa local velocity gradients.Sa mga tangke nga adunay mga rotor blades, kinahanglan nga usbon ang katulin kung diin ang mga aggregate nabangga sa ubang mga partikulo kung kini igo nga na-destabilize sa yugto sa coagulation.Pinaagi sa paggamit sa CFD ug ubos nga rotation speeds sa palibot sa 15 rpm, Vadasarukkai ug Gagnon11 nakahimo sa pagkab-ot sa mga kantidad sa G alang sa flocculation uban sa conical blades, sa ingon gipakunhod ang konsumo sa kuryente alang sa agitation.Bisan pa, ang operasyon sa mas taas nga mga kantidad sa G mahimong mosangpot sa flocculation.Gisusi nila ang epekto sa katulin sa pagsagol sa pagtino sa kasagaran nga gradient sa tulin sa usa ka pilot paddle flocculator.Nagtuyok sila sa gikusgon nga labaw sa 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 migamit ug upat ka lain-laing mga modelo sa turbulence sa pagtuon sa flow field sa usa ka tank test bench.Gisukod nila ang flow field gamit ang laser Doppler anemometer ug PIV ug gitandi ang kalkulado nga mga resulta sa gisukod nga mga resulta.Gisugyot ni de Oliveira ug Donadel13 ang usa ka alternatibong pamaagi sa pagbanabana sa mga gradient sa tulin gikan sa hydrodynamic nga mga kabtangan gamit ang CFD.Ang gisugyot nga pamaagi gisulayan sa unom ka flocculation units base sa helical geometry.gi-assess ang epekto sa oras sa pagpabilin sa mga flocculant ug gisugyot ang usa ka modelo sa flocculation nga magamit ingon usa ka himan aron suportahan ang rational nga disenyo sa cell nga adunay gamay nga oras sa pagpadayon14.Gisugyot ni Zhan, You15 ang usa ka hiniusa nga modelo sa CFD ug balanse sa populasyon aron masundog ang mga kinaiya sa dagan ug pamatasan sa floc sa tibuuk nga sukod sa flocculation.Llano-Serna, Coral-Portillo16 nagsusi sa mga kinaiya sa pag-agos sa usa ka Cox-type nga hydroflocculator sa usa ka planta sa pagtambal sa tubig sa Viterbo, Colombia.Bisan kung ang CFD adunay mga bentaha, adunay usab mga limitasyon sama sa mga sayup sa numero sa mga kalkulasyon.Busa, ang bisan unsang numerical nga mga resulta nga makuha kinahanglan nga maampingong susihon ug analisahon aron makahimo ug kritikal nga mga konklusyon17.Adunay pipila ka mga pagtuon sa literatura sa disenyo sa pinahigda nga baffle flocculators, samtang ang mga rekomendasyon alang sa disenyo sa hydrodynamic flocculators limitado18.Chen, Liao19 migamit ug experimental setup base sa pagsabwag sa polarized light aron sukdon ang kahimtang sa polarization sa nagkatag nga kahayag gikan sa indibidwal nga mga partikulo.Gigamit ni Feng, Zhang20 ang Ansys-Fluent aron i-simulate ang pag-apod-apod sa mga eddy currents ug pagtuyok-tuyok sa flow field sa usa ka coagulated plate flocculator ug usa ka inter-corrugated flocculator.Pagkahuman sa pag-simulate sa gubot nga pag-agos sa fluid sa usa ka flocculator gamit ang Ansys-Fluent, gigamit ni Gavi21 ang mga resulta sa pagdesinyo sa flocculator.Gi-report ni Vaneli ug Teixeira22 nga ang relasyon tali sa fluid dynamics sa spiral tube flocculators ug ang proseso sa flocculation wala pa kaayo masabtan sa pagsuporta sa usa ka makatarunganon nga disenyo.Gitun-an ni de Oliveira ug Costa Teixeira23 ang kahusayan ug gipakita ang hydrodynamic nga mga kabtangan sa spiral tube flocculator pinaagi sa mga eksperimento sa pisika ug mga simulation sa CFD.Daghang mga tigdukiduki ang nagtuon sa mga coiled tube reactors o coiled tube flocculators.Bisan pa, ang detalyado nga hydrodynamic nga kasayuran sa tubag sa kini nga mga reactor sa lainlaing mga disenyo ug kondisyon sa pag-opera kulang pa (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Ang Oliveira ug Teixeira26 nagpresentar sa orihinal nga mga resulta gikan sa theoretical, experimental ug CFD simulation sa usa ka spiral flocculator.Gisugyot ni Oliveira ug Teixeira27 nga gamiton ang usa ka spiral coil ingon usa ka coagulation-flocculation reactor sa kombinasyon sa usa ka conventional decanter system.Gitaho nila nga ang mga resulta nga nakuha alang sa pagkaayo sa pagtangtang sa turbidity lahi kaayo sa nakuha sa kasagarang gigamit nga mga modelo alang sa pagtimbang-timbang sa flocculation, nagsugyot nga mag-amping kung gamiton ang ingon nga mga modelo.Si Moruzzi ug de Oliveira [28] nagmodelo sa kinaiya sa usa ka sistema sa padayon nga flocculation chamber ubos sa lain-laing mga kondisyon sa pag-operate, lakip ang mga kausaban sa gidaghanon sa mga lawak nga gigamit ug ang paggamit sa fixed o scaled cell velocity gradients.Romphophak, Le Men29 PIV nga mga pagsukod sa dali nga mga tulin sa mga quasi-two-dimensional nga jet cleaners.Nakit-an nila ang kusog nga sirkulasyon sa jet-induced sa flocculation zone ug gibanabana ang lokal ug dali nga paggunting nga rate.
Shah, Joshi30 nagtaho nga ang CFD nagtanyag og usa ka makapaikag nga alternatibo alang sa pagpaayo sa mga disenyo ug pagkuha sa mga kinaiya sa virtual nga dagan.Makatabang kini aron malikayan ang daghang mga pag-setup sa eksperimento.Ang CFD nagkadaghan nga gigamit sa pag-analisar sa tubig ug wastewater treatment plant (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Daghang mga imbestigador ang nagpahigayon og mga eksperimento sa mga kagamitan sa pagsulay sa lata (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) ug perforated disc flocculators31.Ang uban migamit sa CFD sa pagtimbang-timbang sa mga hydroflocculators (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Gi-report ni Ghawi21 nga ang mga mekanikal nga flocculator nanginahanglan kanunay nga pagmentinar tungod kay kini kanunay nga maguba ug nanginahanglan daghang kuryente.
Ang pasundayag sa usa ka paddle flocculator nagsalig kaayo sa hydrodynamics sa reservoir.Ang kakulang sa quantitative nga pagsabut sa mga natad sa tulin sa dagan sa maong mga flocculator klaro nga nakita sa literatura (Howe, Hand38; Hendricks39).Ang tibuuk nga masa sa tubig gipailalom sa paglihok sa flocculator impeller, mao nga gipaabut ang pag-slide.Kasagaran, ang fluid velocity mas ubos kay sa blade velocity pinaagi sa slip factor k, nga gihubit isip ratio sa velocity sa lawas sa tubig ngadto sa velocity sa paddle wheel.Ang Bhole40 nagtaho nga adunay tulo ka wala mailhi nga mga hinungdan nga ikonsiderar sa pagdesinyo sa usa ka flocculator, nga mao ang velocity gradient, ang drag coefficient, ug ang relative velocity sa tubig nga may kalabotan sa blade.
Gi-report sa Camp41 nga kung gikonsiderar ang mga high speed nga makina, ang katulin mga 24% sa katulin sa rotor ug ingon kataas sa 32% alang sa mga makina nga mubu nga tulin.Kung wala ang septa, gigamit ni Droste ug Ger42 ang ak nga kantidad nga 0.25, samtang sa kaso sa septa, ang k gikan sa 0 hangtod 0.15.Howe, Hand38 nagsugyot nga ang k anaa sa han-ay sa 0.2 ngadto sa 0.3.Gilambigit ni Hendrix39 ang slip factor ngadto sa rotational speed gamit ang empirical formula ug nakahinapos nga ang slip factor anaa usab sa range nga gitukod sa Camp41.Gi-report sa Bratby43 nga ang k mga 0.2 alang sa mga katulin sa impeller gikan sa 1.8 hangtod 5.4 rpm ug pagtaas sa 0.35 alang sa mga katulin sa impeller gikan sa 0.9 hangtod 3 rpm.Gi-report sa ubang mga tigdukiduki ang usa ka halapad nga kantidad sa drag coefficient (Cd) gikan sa 1.0 hangtod 1.8 ug mga kantidad nga slip coefficient k gikan sa 0.25 hangtod 0.40 (Feir ug Geyer44; Hyde ug Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; ug Bratby ug Marais48 ).Ang literatura wala magpakita ug mahinungdanong pag-uswag sa pagtino ug pag-ihap sa k sukad sa trabaho sa Camp41.
Ang proseso sa flocculation gibase sa turbulence aron mapadali ang mga bangga, diin ang velocity gradient (G) gigamit sa pagsukod sa turbulence/flocculation.Ang pagsagol mao ang proseso sa dali ug parehas nga pagsabwag sa mga kemikal sa tubig.Ang lebel sa pagsagol gisukod pinaagi sa gradient sa tulin:
diin G = velocity gradient (sec-1), P = power input (W), V = volume sa tubig (m3), μ = dynamic viscosity (Pa s).
Kung mas taas ang kantidad sa G, labi nga nagkasagol.Ang hingpit nga pagsagol kinahanglanon aron masiguro ang managsama nga coagulation.Gipakita sa literatura nga ang labing hinungdanon nga mga parameter sa disenyo mao ang oras sa pagsagol (t) ug gradient sa tulin (G).Ang proseso sa flocculation gibase sa turbulence aron mapadali ang mga bangga, diin ang velocity gradient (G) gigamit sa pagsukod sa turbulence/flocculation.Ang kasagarang mga bili sa disenyo alang sa G mao ang 20 ngadto sa 70 s–1, ang t maoy 15 ngadto sa 30 ka minutos, ug ang Gt (walay dimensyon) maoy 104 ngadto sa 105. Ang mga fast mix nga tangke labing maayo nga mogana sa G nga mga kantidad nga 700 ngadto sa 1000, uban ang pagpabilin sa panahon mga 2 ka minuto.
diin ang P mao ang gahum nga gihatag sa likido sa matag blade sa flocculator, N ang katulin sa pagtuyok, b ang gitas-on sa blade, ρ ang densidad sa tubig, r ang radius, ug ang k ang slip coefficient.Kini nga equation gigamit sa matag blade nga tinagsa ug ang mga resulta gisumada aron mahatagan ang kinatibuk-ang input sa gahum sa flocculator.Ang maampingong pagtuon niini nga equation nagpakita sa kamahinungdanon sa slip factor k sa proseso sa pagdesinyo sa paddle flocculator.Ang literatura wala mag-ingon sa eksaktong bili sa k, apan nagrekomendar hinuon ug usa ka han-ay sama sa giingon kaniadto.Bisan pa, ang relasyon tali sa gahum P ug sa slip coefficient k mao ang cubic.Sa ingon, kung ang tanan nga mga parameter parehas, pananglitan, ang pagbag-o sa k gikan sa 0.25 hangtod 0.3 magdala sa usa ka pagkunhod sa gahum nga gipasa sa pluwido matag blade sa mga 20%, ug ang pagkunhod sa k gikan sa 0.25 hangtod 0.18 makadugang kaniya.sa mga 27-30% kada vane Ang gahum nga gihatag ngadto sa fluid.Sa katapusan, ang epekto sa k sa malungtarong disenyo sa paddle flocculator kinahanglan nga imbestigahan pinaagi sa teknikal nga quantification.
Ang tukma nga empirical quantification sa slippage nagkinahanglan sa flow visualization ug simulation.Busa, importante nga ihulagway ang tangential speed sa blade sa tubig sa usa ka rotational speed sa lain-laing radial gilay-on gikan sa shaft ug sa lain-laing mga giladmon gikan sa ibabaw sa tubig aron sa pagtimbang-timbang sa epekto sa lain-laing mga posisyon sa sulab.
Niini nga pagtuon, ang hydrodynamics sa flocculation gi-evaluate pinaagi sa eksperimento ug numerical nga imbestigasyon sa gubot nga agianan sa tulin nga natad sa usa ka laboratory scale paddle flocculator.Ang mga sukod sa PIV girekord sa flocculator, nga nagmugna sa time-average nga mga contour sa tulin nga nagpakita sa katulin sa mga partikulo sa tubig sa palibot sa mga dahon.Dugang pa, gigamit ang ANSYS-Fluent CFD aron i-simulate ang nagtuyok-tuyok nga dagan sa sulod sa flocculator ug maghimo og time-averaged velocity contours.Ang resulta nga modelo sa CFD gipamatud-an pinaagi sa pagtimbang-timbang sa mga sulat tali sa mga resulta sa PIV ug CFD.Ang focus niini nga trabaho mao ang pag-ihap sa slip coefficient k, nga usa ka dimensionless design parameter sa paddle flocculator.Ang trabaho nga gipresentar dinhi naghatag usa ka bag-ong sukaranan sa pag-ihap sa slip coefficient k sa mubu nga tulin nga 3 rpm ug 4 rpm.Ang mga implikasyon sa mga resulta direktang nakatampo sa mas maayo nga pagsabot sa hydrodynamics sa flocculation tank.
Ang flocculator sa laboratoryo naglangkob sa usa ka bukas nga ibabaw nga rectangular nga kahon nga adunay kinatibuk-ang gitas-on nga 147 cm, usa ka gitas-on nga 39 cm, usa ka kinatibuk-ang gilapdon sa 118 cm, ug usa ka kinatibuk-ang gitas-on nga 138 cm (Fig. 1).Ang nag-unang kriterya sa disenyo nga gihimo sa Camp49 gigamit sa pagdesinyo sa laboratory scale paddle flocculator ug paggamit sa mga prinsipyo sa dimensional analysis.Ang pasilidad sa eksperimento gitukod sa Environmental Engineering Laboratory sa Lebanese American University (Byblos, Lebanon).
Ang pinahigda nga axis nahimutang sa gitas-on nga 60 cm gikan sa ubos ug nag-accommodate sa duha ka paddle wheels.Ang matag paddle wheel naglangkob sa 4 paddles nga adunay 3 paddles sa matag paddle sa kinatibuk-an nga 12 paddles.Ang flocculation nanginahanglan ug malumo nga pagsamok sa usa ka mubu nga tulin nga 2 hangtod 6 rpm.Ang labing kasagaran nga katulin sa pagsagol sa mga flocculator mao ang 3 rpm ug 4 rpm.Ang sukod sa laboratoryo nga flocculator flow gidesinyo nga magrepresentar sa dagan sa flocculation tank compartment sa usa ka planta sa pagtambal sa tubig nga mainom.Ang gahum gikalkulo gamit ang tradisyonal nga equation 42 .Para sa duha ka katulin sa pagtuyok, ang speed gradient \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) labaw pa sa 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , ang numero sa Reynolds nagpakita sa gubot nga dagan (Table 1).
Ang PIV gigamit aron makab-ot ang tukma ug quantitative nga mga pagsukod sa fluid velocity vectors nga dungan sa dako kaayong gidaghanon sa mga puntos50.Ang eksperimento nga setup naglakip sa lab-scale paddle flocculator, LaVision PIV system (2017), ug Arduino external laser sensor trigger.Aron makahimo og time-averaged velocity profiles, ang PIV nga mga hulagway girekord nga sunud-sunod sa samang lokasyon.Ang sistema sa PIV gi-calibrate sa ingon nga ang target nga lugar anaa sa tunga-tunga sa gitas-on sa matag usa sa tulo ka blades sa usa ka partikular nga paddle arm.Ang external trigger naglangkob sa usa ka laser nga nahimutang sa usa ka kilid sa flocculator gilapdon ug usa ka sensor receiver sa pikas nga bahin.Matag higayon nga ang bukton sa flocculator mobabag sa agianan sa laser, usa ka signal ang ipadala sa sistema sa PIV aron makuha ang usa ka imahe nga adunay PIV laser ug camera nga gi-synchronize sa usa ka programmable timing unit.Sa fig.2 nagpakita sa pag-instalar sa PIV system ug ang proseso sa pagkuha sa imahe.
Ang pagrekord sa PIV gisugdan human ang flocculator gipaandar sa 5-10 min aron ma-normalize ang dagan ug makonsiderar ang parehas nga refractive index field.Ang pagkakalibrate makab-ot pinaagi sa paggamit sa usa ka calibration plate nga gituslob sa flocculator ug gibutang sa tunga-tunga sa gitas-on sa blade sa interes.I-adjust ang posisyon sa PIV laser aron maporma ang flat light sheet nga direkta sa ibabaw sa calibration plate.Irekord ang gisukod nga mga kantidad alang sa matag rotation speed sa matag blade, ug ang rotation speed nga gipili alang sa eksperimento mao ang 3 rpm ug 4 rpm.
Alang sa tanan nga mga pagrekord sa PIV, ang gilay-on sa oras tali sa duha nga mga pulso sa laser gitakda sa sakup gikan sa 6900 hangtod 7700 µs, nga nagtugot sa usa ka minimum nga pagbalhin sa partikulo nga 5 ka pixel.Ang mga pagsulay sa piloto gihimo sa gidaghanon sa mga imahe nga gikinahanglan aron makakuha og tukma nga oras-average nga mga pagsukod.Ang mga istatistika sa vector gitandi alang sa mga sample nga adunay 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240, ug 280 nga mga imahe.Ang usa ka sample nga gidak-on sa 240 ka mga hulagway nakit-an nga naghatag ug lig-on nga time-average nga mga resulta nga gihatag nga ang matag hulagway naglangkob sa duha ka mga frame.
Tungod kay ang dagan sa flocculator gubot, usa ka gamay nga interogasyon nga bintana ug daghang mga partikulo ang gikinahanglan aron masulbad ang gagmay nga mga gubot nga istruktura.Daghang mga pag-usab sa pagkunhod sa gidak-on gipadapat kauban ang usa ka cross-correlation algorithm aron masiguro ang katukma.Usa ka inisyal nga polling window nga gidak-on nga 48 × 48 pixels nga adunay 50% nga overlap ug usa ka adaptation nga proseso gisundan sa katapusang polling window nga gidak-on nga 32 × 32 pixels nga adunay 100% overlap ug duha ka adaptation nga proseso.Dugang pa, ang mga bildo nga hollow sphere gigamit isip mga partikulo sa binhi sa agos, nga nagtugot sa labing menos 10 ka mga partikulo kada polling window.Ang pagrekord sa PIV na-trigger sa usa ka tinubdan sa gatilyo sa usa ka Programmable Timing Unit (PTU), nga maoy responsable sa pag-operate ug pag-synchronize sa tinubdan sa laser ug sa camera.
Ang komersyal nga CFD nga pakete nga ANSYS Fluent v 19.1 gigamit aron mapalambo ang 3D nga modelo ug masulbad ang sukaranan nga mga equation sa dagan.
Gamit ang ANSYS-Fluent, usa ka 3D nga modelo sa usa ka laboratory-scale paddle flocculator ang gihimo.Ang modelo gihimo sa porma sa usa ka rectangular nga kahon, nga gilangkuban sa duha ka paddle wheels nga gitaod sa usa ka pinahigda nga axis, sama sa modelo sa laboratoryo.Ang modelo nga walay freeboard 108 cm ang gitas-on, 118 cm ang gilapdon ug 138 cm ang gitas-on.Ang usa ka pinahigda nga cylindrical nga eroplano gidugang sa palibot sa mixer.Cylindrical plane generation kinahanglan nga ipatuman ang rotation sa tibuok mixer sa panahon sa instalasyon nga bahin ug simulate ang rotating flow field sulod sa flocculator, sama sa gipakita sa Fig. 3a.
3D ANSYS-fluent ug modelo nga geometry diagram, ANSYS-fluent flocculator body mesh sa eroplano nga interes, ANSYS-fluent diagram sa eroplano nga interesado.
Ang modelo nga geometry naglangkob sa duha ka mga rehiyon, nga ang matag usa usa ka pluwido.Kini makab-ot gamit ang logical subtraction function.Kuhaa una ang silindro (lakip ang mixer) gikan sa kahon aron magrepresentar sa likido.Dayon kuhaa ang mixer gikan sa silindro, nga moresulta sa duha ka butang: ang mixer ug ang likido.Sa katapusan, usa ka sliding interface ang gigamit tali sa duha ka mga lugar: usa ka cylinder-cylinder interface ug usa ka cylinder-mixer interface (Fig. 3a).
Ang meshing sa mga gitukod nga mga modelo nahuman na aron matubag ang mga kinahanglanon sa mga modelo sa turbulence nga gamiton sa pagpadagan sa numerical simulations.Usa ka wala matukod nga mata sa baling nga adunay gipalapdan nga mga sapaw duol sa solidong nawong gigamit.Paghimo og mga lut-od sa pagpalapad alang sa tanang mga bungbong nga adunay gikusgon sa pagtubo nga 1.2 aron masiguro nga ang mga komplikadong mga pattern sa pag-agos makuha, nga adunay unang layer nga gibag-on nga \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m aron masiguro nga \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).Ang gidak-on sa lawas gi-adjust gamit ang tetrahedron fitting method.Usa ka gidak-on sa atubangan nga kilid sa duha ka mga interface nga adunay gidak-on sa elemento nga 2.5 × \({10}^{-3}\) m ang gihimo, ug usa ka mixer atubangan nga gidak-on nga 9 × \({10}^{-3}\ ) m gipadapat.Ang inisyal nga nahimo nga mata sa baling naglangkob sa 2144409 nga mga elemento (Fig. 3b).
Usa ka duha ka parameter nga k–ε turbulence model ang gipili isip inisyal nga base model.Aron tukma nga masundog ang swirling flow sa sulod sa flocculator, usa ka mas mahal nga modelo ang gipili.Ang gubot nga swirling flow sulod sa flocculator gisusi sa numero gamit ang duha ka modelo sa CFD: SST k–ω51 ug IDDES52.Ang mga resulta sa duha ka mga modelo gitandi sa eksperimento nga mga resulta sa PIV aron ma-validate ang mga modelo.Una, ang SST k-ω turbulence model usa ka two-equation turbulent viscosity model para sa fluid dynamics applications.Kini usa ka hybrid nga modelo nga naghiusa sa Wilcox k-ω ug k-ε nga mga modelo.Ang function sa pagsagol nagpalihok sa modelo sa Wilcox duol sa bungbong ug sa modelo nga k-ε sa umaabot nga dagan.Kini nagsiguro nga ang husto nga modelo gigamit sa tibuuk nga uma sa dagan.Kini tukma nga nagtagna sa pagbulag sa dagan tungod sa dili maayo nga mga gradient sa presyur.Ikaduha, ang Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) nga pamaagi, nga kaylap nga gigamit sa Individual Eddy Simulation (DES) nga modelo nga adunay SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) nga modelo, gipili.Ang IDDES usa ka hybrid nga RANS-LES (dako nga eddy simulation) nga modelo nga naghatag ug mas flexible ug user-friendly resolution scaling (SRS) simulation model.Gibase kini sa modelo sa LES aron masulbad ang dagkong mga eddies ug ibalik sa SST k-ω aron masundog ang gagmay nga mga eddies.Ang mga pag-analisa sa estadistika sa mga resulta gikan sa SST k–ω ug IDDES nga mga simulation gitandi sa mga resulta sa PIV aron ma-validate ang modelo.
Usa ka duha ka parameter nga k–ε turbulence model ang gipili isip inisyal nga base model.Aron tukma nga masundog ang swirling flow sa sulod sa flocculator, usa ka mas mahal nga modelo ang gipili.Ang gubot nga swirling flow sulod sa flocculator gisusi sa numero gamit ang duha ka modelo sa CFD: SST k–ω51 ug IDDES52.Ang mga resulta sa duha ka mga modelo gitandi sa eksperimento nga mga resulta sa PIV aron ma-validate ang mga modelo.Una, ang SST k-ω turbulence model usa ka two-equation turbulent viscosity model para sa fluid dynamics applications.Kini usa ka hybrid nga modelo nga naghiusa sa Wilcox k-ω ug k-ε nga mga modelo.Ang function sa pagsagol nagpalihok sa modelo sa Wilcox duol sa bungbong ug sa modelo nga k-ε sa umaabot nga dagan.Kini nagsiguro nga ang husto nga modelo gigamit sa tibuuk nga uma sa dagan.Kini tukma nga nagtagna sa pagbulag sa dagan tungod sa dili maayo nga mga gradient sa presyur.Ikaduha, ang Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES) nga pamaagi, nga kaylap nga gigamit sa Individual Eddy Simulation (DES) nga modelo nga adunay SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) nga modelo, gipili.Ang IDDES usa ka hybrid nga RANS-LES (dako nga eddy simulation) nga modelo nga naghatag ug mas flexible ug user-friendly resolution scaling (SRS) simulation model.Gibase kini sa modelo sa LES aron masulbad ang dagkong mga eddies ug ibalik sa SST k-ω aron masundog ang gagmay nga mga eddies.Ang mga pag-analisa sa estadistika sa mga resulta gikan sa SST k–ω ug IDDES nga mga simulation gitandi sa mga resulta sa PIV aron ma-validate ang modelo.
Gamit ug pressure-based transient solver ug gamita ang gravity sa Y nga direksyon.Ang rotation makab-ot pinaagi sa pag-assign sa usa ka mesh motion sa mixer, diin ang gigikanan sa rotation axis anaa sa sentro sa horizontal axis ug ang direksyon sa rotation axis anaa sa Z nga direksyon.Ang usa ka mesh interface gihimo alang sa duha ka modelo nga geometry interface, nga miresulta sa duha ka nagbugkos nga mga sulab sa kahon.Sama sa eksperimento nga teknik, ang katulin sa pagtuyok katumbas sa 3 ug 4 nga mga rebolusyon.
Ang mga kondisyon sa utlanan alang sa mga bongbong sa mixer ug ang flocculator gipahimutang sa bungbong, ug ang ibabaw nga pag-abli sa flocculator gibutang sa outlet nga adunay zero gauge pressure (Fig. 3c).SIMPLE nga pressure-velocity nga pamaagi sa komunikasyon, discretization sa gradient space sa second-order functions nga adunay tanang parameter base sa pinakagamay nga squares nga mga elemento.Ang convergence criterion para sa tanang flow variables mao ang scaled residual 1 x \({10}^{-3}\).Ang kinatas-an nga gidaghanon sa mga pag-uli sa matag lakang sa oras mao ang 20, ug ang gidak-on sa lakang sa oras katumbas sa usa ka rotation nga 0.5 °.Ang solusyon naghiusa sa ika-8 nga pag-uli para sa SST k–ω nga modelo ug sa ika-12 nga pag-uli gamit ang IDDES.Dugang pa, ang gidaghanon sa mga lakang sa oras gikalkulo aron ang mixer naghimo labing menos 12 ka rebolusyon.I-apply ang data sampling alang sa mga estadistika sa oras pagkahuman sa 3 nga mga rotation, nga nagtugot sa pag-normalize sa dagan, parehas sa pamaagi sa eksperimento.Ang pagtandi sa output sa mga speed loops alang sa matag rebolusyon naghatag sa tukma nga mga resulta alang sa katapusang upat ka mga rebolusyon, nga nagpakita nga ang usa ka makanunayon nga kahimtang naabot.Ang mga dugang nga revs wala makapauswag sa medium speed contours.
Ang lakang sa oras gihubit nga may kalabotan sa katulin sa pagtuyok, 3 rpm o 4 rpm.Ang lakang sa oras gidalisay sa oras nga gikinahanglan aron i-rotate ang mixer sa 0.5 °.Kini nahimo nga igo, tungod kay ang solusyon dali nga maghiusa, sama sa gihulagway sa miaging seksyon.Busa, ang tanang numerical nga kalkulasyon alang sa duha ka turbulence nga mga modelo gihimo gamit ang giusab nga time step nga 0.02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) para sa 3 rpm, 0.0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.Alang sa gihatag nga lakang sa oras sa pagpino, ang numero sa Courant sa usa ka cell kanunay nga ubos sa 1.0.
Aron masusi ang pagsalig sa model-mesh, ang mga resulta unang nakuha gamit ang orihinal nga 2.14M mesh ug dayon ang pino nga 2.88M mesh.Ang pagpino sa grid makab-ot pinaagi sa pagkunhod sa gidak-on sa selula sa lawas sa mixer gikan sa 9 × \({10}^{-3}\) m ngadto sa 7 × \({10}^{-3}\) m.Alang sa orihinal ug dalisay nga mga mata sa duha ka mga modelo nga kagubot, ang kasagaran nga mga kantidad sa mga modulo sa tulin sa lainlaing mga lugar sa palibot sa blade gitandi.Ang porsyento nga kalainan tali sa mga resulta mao ang 1.73% alang sa SST k–ω nga modelo ug 3.51% alang sa IDDES nga modelo.Ang IDDES nagpakita og mas taas nga porsyento nga kalainan tungod kay kini usa ka hybrid nga RANS-LES nga modelo.Kini nga mga kalainan giisip nga dili hinungdanon, mao nga ang simulation gihimo gamit ang orihinal nga mata nga adunay 2.14 milyon nga mga elemento ug usa ka lakang sa oras sa pag-rotate nga 0.5 °.
Ang reproducibility sa mga resulta sa eksperimento gisusi pinaagi sa paghimo sa matag usa sa unom ka mga eksperimento sa ikaduhang higayon ug pagtandi sa mga resulta.Itandi ang mga kantidad sa katulin sa sentro sa blade sa duha ka serye sa mga eksperimento.Ang kasagaran nga porsyento nga kalainan tali sa duha ka eksperimento nga mga grupo mao ang 3.1%.Ang sistema sa PIV independente usab nga gi-recalibrate alang sa matag eksperimento.Itandi ang analytically kalkulado nga gikusgon sa sentro sa matag blade sa PIV speed sa samang lokasyon.Kini nga pagtandi nagpakita sa kalainan nga adunay labing taas nga porsyento nga sayup nga 6.5% alang sa blade 1.
Sa dili pa i-quantify ang slip factor, gikinahanglan nga masabtan sa siyensya ang konsepto sa slip sa paddle flocculator, nga nagkinahanglan sa pagtuon sa flow structure sa palibot sa paddles sa flocculator.Sa konsepto, ang slip coefficient gitukod sa disenyo sa paddle flocculators aron makonsiderar ang katulin sa mga blades kalabot sa tubig.Girekomenda sa literatura nga kini nga katulin mahimong 75% sa katulin sa blade, mao nga kadaghanan sa mga disenyo kasagarang naggamit sa ak sa 0.25 aron matubag kini nga pag-adjust.Nagkinahanglan kini sa paggamit sa mga streamline sa tulin nga nakuha gikan sa mga eksperimento sa PIV aron hingpit nga masabtan ang natad sa tulin sa dagan ug tun-an kini nga slip.Blade 1 mao ang pinakasulod nga blade nga labing duol sa shaft, blade 3 mao ang pinakagawas nga blade, ug blade 2 mao ang tunga nga blade.
Ang velocity streamlines sa blade 1 nagpakita sa direkta nga rotating flow sa palibot sa blade.Kini nga mga pattern sa agos naggikan sa usa ka punto sa tuo nga bahin sa blade, taliwala sa rotor ug blade.Sa pagtan-aw sa lugar nga gipakita sa pula nga tuldok nga kahon sa Figure 4a, makaiikag ang pag-ila sa laing aspeto sa agos sa recirculation sa ibabaw ug sa palibot sa sulab.Ang pagtan-aw sa dagan nagpakita ug gamay nga dagan sa recirculation zone.Kini nga agos nagsingabot gikan sa tuo nga kilid sa sulab sa gitas-on nga mga 6 cm gikan sa tumoy sa sulab, lagmit tungod sa impluwensya sa unang sulab sa kamot nga nag-una sa sulab, nga makita sa hulagway.Ang pagtan-aw sa dagan sa 4 rpm nagpakita sa parehas nga pamatasan ug istruktura, dayag nga adunay mas taas nga tulin.
Velocity field ug kasamtangang mga graph sa tulo ka blades sa duha ka rotation speed nga 3 rpm ug 4 rpm.Ang kinatas-an nga average speed sa tulo ka blades sa 3 rpm mao ang 0.15 m/s, 0.20 m/s ug 0.16 m/s matag usa, ug ang maximum average speed sa 4 rpm mao ang 0.15 m/s, 0.22 m/s ug 0.22 m/ s, matag usa.sa tulo ka panid.
Ang laing porma sa helical flow nakit-an tali sa mga vanes 1 ug 2. Ang vector field tin-aw nga nagpakita nga ang agos sa tubig naglihok pataas gikan sa ubos sa vane 2, ingon nga gipakita sa direksyon sa vector.Ingon sa gipakita sa tuldok-tuldok nga kahon sa Fig. 4b, kini nga mga vector dili mopatindog nga pataas gikan sa nawong sa sulab, apan moliko sa tuo ug anam-anam nga manaog.Sa ibabaw sa blade 1, ang mga paubos nga mga vector gipalahi, nga nagpaduol sa duha ka mga blades ug naglibot kanila gikan sa recirculation flow nga naporma tali kanila.Ang parehas nga istruktura sa dagan gitino sa parehas nga mga katulin sa rotation nga adunay mas taas nga amplitude sa tulin nga 4 rpm.
Ang velocity field sa blade 3 wala maghimo ug mahinungdanong kontribusyon gikan sa velocity vector sa miaging blade nga miduyog sa agos ubos sa blade 3. Ang main flow ubos sa blade 3 kay tungod sa vertical velocity vector nga misaka uban sa tubig.
Ang velocity vectors sa ibabaw sa nawong sa blade 3 mahimong bahinon ngadto sa tulo ka grupo, sama sa gipakita sa Fig. 4c.Ang unang set mao ang naa sa tuo nga kilid sa sulab.Ang istruktura sa agos niini nga posisyon diretso sa tuo ug pataas (ie padulong sa blade 2).Ang ikaduha nga grupo mao ang tunga-tunga sa sulab.Ang velocity vector alang niini nga posisyon gitumong diretso, nga walay bisan unsa nga pagtipas ug walay rotation.Ang pagkunhod sa bili sa tulin gitino sa usa ka pagtaas sa gitas-on sa ibabaw sa tumoy sa sulab.Alang sa ikatulo nga grupo, nga nahimutang sa wala nga periphery sa mga blades, ang dagan dayon gitumong sa wala, ie sa dingding sa flocculator.Kadaghanan sa agos nga girepresentahan sa velocity vector mosaka, ug ang bahin sa agos mopahiangay sa ubos.
Duha ka mga modelo sa turbulence, SST k–ω ug IDDES, gigamit sa paghimo sa time-averaged velocity profiles alang sa 3 rpm ug 4 rpm sa blade mean length plane.Sama sa gipakita sa Figure 5, ang makanunayon nga kahimtang makab-ot pinaagi sa pagkab-ot sa hingpit nga pagkaparehas tali sa tulin nga mga contour nga gihimo sa upat ka sunod-sunod nga rotation.Dugang pa, ang time-averaged velocity contours nga gihimo sa IDDES gipakita sa Fig. 6a, samtang ang time-averaged velocity profiles nga gihimo sa SST k - ω gipakita sa Fig. 6a.6b.
Gamit ang IDDES ug time-averaged velocity loops nga namugna sa SST k–ω, ang IDDES adunay mas taas nga proporsiyon sa velocity loops.
Susiha pag-ayo ang speed profile nga gihimo gamit ang IDDES sa 3 rpm sama sa gipakita sa Figure 7. Ang mixer nagtuyok sa clockwise ug ang dagan gihisgutan sumala sa gipakita nga mga nota.
Sa fig.7 makita nga sa ibabaw sa sulab 3 sa I quadrant adunay usa ka pagbulag sa agos, tungod kay ang agos dili mapig-oton tungod sa presensya sa ibabaw nga lungag.Sa quadrant II walay pagbulag sa dagan ang naobserbahan, tungod kay ang agos hingpit nga limitado sa mga bungbong sa flocculator.Sa quadrant III, ang tubig nagtuyok sa mas ubos o mas ubos nga gikusgon kaysa sa miaging mga quadrant.Ang tubig sa quadrants I ug II gibalhin (ie gipatuyok o gitulod) paubos pinaagi sa aksyon sa mixer.Ug sa quadrant III, ang tubig giduso sa mga blades sa agitator.Dayag nga ang masa sa tubig niining dapita mosukol sa nagkaduol nga flocculator sleeve.Ang rotary flow niini nga quadrant hingpit nga nabulag.Para sa quadrant IV, kadaghanan sa airflow sa ibabaw sa vane 3 gitumong ngadto sa flocculator wall ug anam-anam nga mawad-an sa gidak-on niini samtang ang gitas-on mosaka sa ibabaw nga pagbukas.
Dugang pa, ang sentro nga lokasyon naglakip sa komplikado nga mga pattern sa pag-agos nga nagdominar sa mga quadrant III ug IV, ingon sa gipakita sa mga asul nga tuldok nga ellipse.Kining gimarkahan nga lugar walay labot sa nagtuyok-tuyok nga dagan sa paddle flocculator, kay mailhan ang nagtuyok-tuyok nga lihok.Sukwahi kini sa quadrants I ug II diin adunay klaro nga separasyon tali sa internal flow ug full rotational flow.
Ingon sa gipakita sa fig.6, pagtandi sa mga resulta sa IDDES ug SST k-ω, ang nag-unang kalainan tali sa velocity contours mao ang magnitude sa velocity diha-diha dayon ubos sa blade 3. Ang SST k-ω nga modelo tin-aw nga nagpakita nga ang gipalawig nga high-velocity nga dagan gidala sa blade 3 itandi sa IDDES.
Ang laing kalainan makita sa quadrant III.Gikan sa IDDES, sama sa nahisgotan na, ang rotational flow separation tali sa flocculator arms namatikdan.Bisan pa, kini nga posisyon kusog nga naapektuhan sa ubos nga tulin nga pag-agos gikan sa mga kanto ug sa sulud sa una nga sulab.Gikan sa SST k–ω para sa parehas nga lokasyon, ang mga linya sa contour nagpakita nga medyo mas taas nga tulin kumpara sa IDDES tungod kay walay confluent flow gikan sa ubang mga rehiyon.
Ang usa ka kwalitatibo nga pagsabot sa velocity vector fields ug streamlines gikinahanglan para sa saktong pagsabot sa flow ug structure.Gihatag nga ang matag blade 5 cm ang gilapdon, pito ka mga punto sa tulin ang gipili sa gilapdon aron mahatagan usa ka representante nga profile sa tulin.Dugang pa, ang usa ka quantitative nga pagsabut sa kadako sa tulin ingon usa ka function sa gitas-on sa ibabaw sa sulud sa sulud gikinahanglan pinaagi sa paglaraw sa profile sa tulin nga direkta sa matag sulud sa sulud ug sa usa ka padayon nga gilay-on nga 2.5 cm nga patindog hangtod sa gitas-on nga 10 cm.Tan-awa ang S1, S2 ug S3 sa hulagway alang sa dugang impormasyon.Apendise A. Gipakita sa Figure 8 ang pagkaparehas sa pag-apod-apod sa tulin sa ibabaw sa matag blade (Y = 0.0) nga nakuha gamit ang mga eksperimento sa PIV ug ANSYS-Fluent analysis gamit ang IDDES ug SST k-ω.Ang duha ka numerical nga mga modelo nagpaposible sa tukma nga pagsundog sa istruktura sa dagan sa ibabaw sa mga blades sa flocculator.
Ang mga pag-apod-apod sa tulin nga PIV, IDDES ug SST k–ω sa ibabaw sa blade.Ang x-axis nagrepresentar sa gilapdon sa matag sheet sa millimeters, nga ang gigikanan (0 mm) nagrepresentar sa wala nga periphery sa sheet ug ang katapusan (50 mm) nagrepresentar sa tuo nga periphery sa sheet.
Kini tin-aw nga nakita nga ang speed-apod-apod sa mga blades 2 ug 3 gipakita sa Fig.8 ug Fig.8.Ang S2 ug S3 sa Appendix A nagpakita sa susama nga mga uso sa gitas-on, samtang ang blade 1 nag-usab-usab nga independente.Ang mga profile sa tulin sa blades 2 ug 3 mahimong hingpit nga tul-id ug adunay parehas nga amplitude sa gitas-on nga 10 cm gikan sa tumoy sa blade.Kini nagpasabot nga ang dagan mahimong uniporme sa niini nga punto.Kini tin-aw nga nakita gikan sa mga resulta sa PIV, nga maayo nga gihimo sa IDDES.Samtang, ang mga resulta sa SST k–ω nagpakita sa pipila ka mga kalainan, labi na sa 4 rpm.
Mahinungdanon nga timan-an nga ang blade 1 nagpabilin sa parehas nga porma sa profile sa tulin sa tanan nga mga posisyon ug dili normal ang gitas-on, tungod kay ang swirl nga naporma sa sentro sa mixer naglangkob sa una nga blade sa tanan nga mga bukton.Usab, kon itandi sa IDDES, ang PIV blade speed profiles 2 ug 3 nagpakita og gamay nga mas taas nga speed values sa kadaghanan nga mga lokasyon hangtud nga kini halos managsama sa 10 cm ibabaw sa blade surface.
Oras sa pag-post: Dis-27-2022