Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com.Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS.Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer).Επιπλέον, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Εμφανίζει ένα καρουζέλ τριών διαφανειών ταυτόχρονα.Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Προηγούμενο και Επόμενο για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά ή χρησιμοποιήστε τα κουμπιά ρυθμιστικού στο τέλος για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά.
Σε αυτή τη μελέτη, η υδροδυναμική της κροκίδωσης αξιολογείται με πειραματική και αριθμητική διερεύνηση του πεδίου ταχύτητας τυρβώδους ροής σε έναν κροκιδωτή με κουπιά εργαστηριακής κλίμακας.Η τυρβώδης ροή που προάγει τη συσσωμάτωση σωματιδίων ή τη διάσπαση των κροκίδων είναι πολύπλοκη και εξετάζεται και συγκρίνεται σε αυτή την εργασία χρησιμοποιώντας δύο μοντέλα στροβιλισμού, τα SST k-ω και IDDES.Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το IDDES παρέχει μια πολύ μικρή βελτίωση σε σχέση με το SST k-ω, η οποία είναι επαρκής για την ακριβή προσομοίωση της ροής μέσα σε έναν κροκιδωτή με κουπιά.Η βαθμολογία προσαρμογής χρησιμοποιείται για τη διερεύνηση της σύγκλισης των αποτελεσμάτων PIV και CFD και για τη σύγκριση των αποτελεσμάτων του μοντέλου αναταράξεων CFD που χρησιμοποιήθηκε.Η μελέτη εστιάζει επίσης στον ποσοτικό προσδιορισμό του συντελεστή ολίσθησης k, ο οποίος είναι 0,18 σε χαμηλές ταχύτητες 3 και 4 rpm σε σύγκριση με τη συνήθη τυπική τιμή του 0,25.Η μείωση του k από 0,25 σε 0,18 αυξάνει την ισχύ που παρέχεται στο ρευστό κατά περίπου 27-30% και αυξάνει τη διαβάθμιση ταχύτητας (G) κατά περίπου 14%.Αυτό σημαίνει ότι επιτυγχάνεται πιο εντατική ανάμειξη από το αναμενόμενο, επομένως καταναλώνεται λιγότερη ενέργεια και επομένως η κατανάλωση ενέργειας στη μονάδα κροκίδωσης της μονάδας επεξεργασίας πόσιμου νερού μπορεί να είναι χαμηλότερη.
Στον καθαρισμό του νερού, η προσθήκη πηκτικών αποσταθεροποιεί μικρά κολλοειδή σωματίδια και ακαθαρσίες, τα οποία στη συνέχεια συνδυάζονται για να σχηματίσουν κροκίδωση στο στάδιο της κροκίδωσης.Οι νιφάδες είναι χαλαρά συνδεδεμένα φράκταλ συσσωματώματα μάζας, τα οποία στη συνέχεια απομακρύνονται με καθίζηση.Οι ιδιότητες των σωματιδίων και οι συνθήκες ανάμιξης υγρών καθορίζουν την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας κροκίδωσης και επεξεργασίας.Η κροκίδωση απαιτεί αργή ανάδευση για σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα και πολλή ενέργεια για την ανάδευση μεγάλων όγκων νερού1.
Κατά τη διάρκεια της κροκίδωσης, η υδροδυναμική ολόκληρου του συστήματος και η χημεία της αλληλεπίδρασης θρομβωτικού-σωματιδίου καθορίζουν τον ρυθμό με τον οποίο επιτυγχάνεται μια σταθερή κατανομή μεγέθους σωματιδίων2.Όταν τα σωματίδια συγκρούονται, κολλάνε μεταξύ τους3.Oyegbile, ο Ay4 ανέφερε ότι οι συγκρούσεις εξαρτώνται από τους μηχανισμούς μεταφοράς κροκίδωσης της διάχυσης Brown, της διάτμησης ρευστού και της διαφορικής καθίζησης.Όταν οι νιφάδες συγκρούονται, μεγαλώνουν και φτάνουν σε ένα συγκεκριμένο όριο μεγέθους, το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε θραύση, αφού οι νιφάδες δεν μπορούν να αντέξουν τη δύναμη των υδροδυναμικών δυνάμεων5.Μερικές από αυτές τις σπασμένες νιφάδες ανασυνδυάζονται σε μικρότερες ή του ίδιου μεγέθους6.Ωστόσο, οι ισχυρές νιφάδες μπορούν να αντισταθούν σε αυτή τη δύναμη και να διατηρήσουν το μέγεθός τους και ακόμη και να αναπτυχθούν7.Οι Yukselen και Gregory8 ανέφεραν μελέτες που σχετίζονται με την καταστροφή των νιφάδων και την ικανότητά τους να αναγεννώνται, δείχνοντας ότι η μη αναστρέψιμη ικανότητα είναι περιορισμένη.Ο Bridgeman, Jefferson9 χρησιμοποίησε το CFD για να υπολογίσει την τοπική επιρροή της μέσης ροής και του στροβιλισμού στον σχηματισμό και τον κατακερματισμό των κροκίδων μέσω τοπικών βαθμίδων ταχύτητας.Σε δεξαμενές εξοπλισμένες με πτερύγια ρότορα, είναι απαραίτητο να μεταβάλλεται η ταχύτητα με την οποία τα συσσωματώματα συγκρούονται με άλλα σωματίδια όταν αποσταθεροποιούνται επαρκώς στη φάση της πήξης.Χρησιμοποιώντας CFD και χαμηλότερες ταχύτητες περιστροφής περίπου 15 rpm, οι Vadasarukkai και Gagnon11 μπόρεσαν να επιτύχουν τιμές G για κροκίδωση με κωνικές λεπίδες, ελαχιστοποιώντας έτσι την κατανάλωση ενέργειας για ανάδευση.Ωστόσο, η λειτουργία σε υψηλότερες τιμές G μπορεί να οδηγήσει σε κροκίδωση.Διερεύνησαν την επίδραση της ταχύτητας ανάμιξης στον προσδιορισμό της μέσης κλίσης ταχύτητας ενός πιλότου κροκιδωτή με κουπιά.Περιστρέφονται με ταχύτητα μεγαλύτερη από 5 σ.α.λ.
Ο Korpijärvi, Ahlstedt12 χρησιμοποίησε τέσσερα διαφορετικά μοντέλα αναταράξεων για να μελετήσει το πεδίο ροής σε έναν πάγκο δοκιμών δεξαμενής.Μέτρησαν το πεδίο ροής με ανεμόμετρο λέιζερ Doppler και PIV και συνέκριναν τα υπολογισμένα αποτελέσματα με τα αποτελέσματα που μετρήθηκαν.Οι de Oliveira και Donadel13 έχουν προτείνει μια εναλλακτική μέθοδο για την εκτίμηση των βαθμίδων ταχύτητας από υδροδυναμικές ιδιότητες χρησιμοποιώντας CFD.Η προτεινόμενη μέθοδος δοκιμάστηκε σε έξι μονάδες κροκίδωσης με βάση την ελικοειδή γεωμετρία.αξιολόγησε την επίδραση του χρόνου κατακράτησης στα κροκιδωτικά και πρότεινε ένα μοντέλο κροκίδωσης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο για την υποστήριξη του ορθολογικού σχεδιασμού των κυττάρων με χαμηλούς χρόνους κατακράτησης14.Ο Zhan, You15 πρότεινε ένα συνδυασμένο μοντέλο CFD και ισοζυγίου πληθυσμού για την προσομοίωση των χαρακτηριστικών ροής και της συμπεριφοράς κροκίδωσης σε κροκίδωση πλήρους κλίμακας.Το Llano-Serna, Coral-Portillo16 ερεύνησε τα χαρακτηριστικά ροής ενός υδροκλοκκωτή τύπου Cox σε μια μονάδα επεξεργασίας νερού στο Viterbo της Κολομβίας.Αν και το CFD έχει τα πλεονεκτήματά του, υπάρχουν επίσης περιορισμοί όπως τα αριθμητικά σφάλματα στους υπολογισμούς.Επομένως, τυχόν αριθμητικά αποτελέσματα που προκύπτουν θα πρέπει να εξετάζονται και να αναλύονται προσεκτικά προκειμένου να εξαχθούν κρίσιμα συμπεράσματα17.Υπάρχουν λίγες μελέτες στη βιβλιογραφία σχετικά με το σχεδιασμό κροκιδωτών οριζόντιων διαφραγμάτων, ενώ οι συστάσεις για το σχεδιασμό υδροδυναμικών κροκιδωτών είναι περιορισμένες18.Ο Chen, Liao19 χρησιμοποίησε μια πειραματική διάταξη βασισμένη στη σκέδαση πολωμένου φωτός για να μετρήσει την κατάσταση πόλωσης του σκεδαζόμενου φωτός από μεμονωμένα σωματίδια.Ο Feng, ο Zhang20 χρησιμοποίησε το Ansys-Fluent για να προσομοιώσει την κατανομή των δινορευμάτων και του στροβιλισμού στο πεδίο ροής ενός κροκιδωτή με πήξη πλάκας και ενός κροκιδωτή μεταξύ κυματοειδούς κυματοειδούς σχήματος.Μετά την προσομοίωση της ροής τυρβώδους υγρού σε έναν κροκιδωτή χρησιμοποιώντας το Ansys-Fluent, ο Gavi21 χρησιμοποίησε τα αποτελέσματα για να σχεδιάσει τον κροκιδωτή.Οι Vaneli και Teixeira22 ανέφεραν ότι η σχέση μεταξύ της δυναμικής των υγρών των κροκιδωτών σπειροειδών σωλήνων και της διαδικασίας κροκίδωσης εξακολουθεί να είναι ελάχιστα κατανοητή για να υποστηρίζει έναν ορθολογικό σχεδιασμό.Οι de Oliveira και Costa Teixeira23 μελέτησαν την αποτελεσματικότητα και κατέδειξαν τις υδροδυναμικές ιδιότητες του κροκιδωτή σπειροειδούς σωλήνα μέσω πειραμάτων φυσικής και προσομοιώσεων CFD.Πολλοί ερευνητές έχουν μελετήσει αντιδραστήρες περιελιγμένων σωλήνων ή κροκιδωτές περιελιγμένων σωλήνων.Ωστόσο, εξακολουθούν να λείπουν λεπτομερείς υδροδυναμικές πληροφορίες σχετικά με την απόκριση αυτών των αντιδραστήρων σε διάφορους σχεδιασμούς και συνθήκες λειτουργίας (Sartori, Oliveira24· Oliveira, Teixeira25).Οι Oliveira και Teixeira26 παρουσιάζουν πρωτότυπα αποτελέσματα από θεωρητικές, πειραματικές και προσομοιώσεις CFD ενός σπειροειδούς κροκιδωτή.Οι Oliveira και Teixeira27 πρότειναν τη χρήση ενός σπειροειδούς πηνίου ως αντιδραστήρα πήξης-κροκίδωσης σε συνδυασμό με ένα συμβατικό σύστημα αποχέτευσης.Αναφέρουν ότι τα αποτελέσματα που λαμβάνονται για την αποτελεσματικότητα αφαίρεσης θολότητας είναι σημαντικά διαφορετικά από εκείνα που λαμβάνονται με τα συνήθως χρησιμοποιούμενα μοντέλα για την αξιολόγηση της κροκίδωσης, υποδεικνύοντας προσοχή κατά τη χρήση τέτοιων μοντέλων.Οι Moruzzi και de Oliveira [28] μοντελοποίησαν τη συμπεριφορά ενός συστήματος συνεχών θαλάμων κροκίδωσης υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένων των διακυμάνσεων στον αριθμό των χρησιμοποιούμενων θαλάμων και της χρήσης σταθερών ή κλιμακωμένων βαθμίδων ταχύτητας κυψέλης.Romphophak, Le Men29 PIV μετρήσεις στιγμιαίων ταχυτήτων σε σχεδόν δισδιάστατα καθαριστικά πίδακα.Βρήκαν ισχυρή επαγόμενη από πίδακα κυκλοφορία στη ζώνη κροκίδωσης και υπολόγισαν τους τοπικούς και στιγμιαίους ρυθμούς διάτμησης.
Ο Shah, Joshi30 αναφέρει ότι το CFD προσφέρει μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση για τη βελτίωση των σχεδίων και την απόκτηση χαρακτηριστικών εικονικής ροής.Αυτό βοηθά στην αποφυγή εκτεταμένων πειραματικών ρυθμίσεων.Το CFD χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο για την ανάλυση μονάδων επεξεργασίας νερού και λυμάτων (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Αρκετοί ερευνητές έχουν πραγματοποιήσει πειράματα σε εξοπλισμό δοκιμών κονσερβών (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) και σε κροκιδωτές διάτρητου δίσκου31.Άλλοι έχουν χρησιμοποιήσει το CFD για να αξιολογήσουν τους υδροκλοκαριστές (Bridgeman, Jefferson5, Vadasarukkai, Gagnon37).Ο Ghawi21 ανέφερε ότι οι μηχανικοί κροκιδωτές απαιτούν τακτική συντήρηση καθώς συχνά καταστρέφονται και απαιτούν πολλή ηλεκτρική ενέργεια.
Η απόδοση ενός κροκιδωτή με κουπιά εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την υδροδυναμική της δεξαμενής.Η έλλειψη ποσοτικής κατανόησης των πεδίων ταχύτητας ροής σε τέτοιους κροκιδωτές σημειώνεται ξεκάθαρα στη βιβλιογραφία (Howe, Hand38; Hendricks39).Ολόκληρη η μάζα του νερού υπόκειται στην κίνηση της πτερωτής του κροκιδωτή, επομένως αναμένεται ολίσθηση.Τυπικά, η ταχύτητα του ρευστού είναι μικρότερη από την ταχύτητα της λεπίδας με τον συντελεστή ολίσθησης k, ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος της ταχύτητας του σώματος του νερού προς την ταχύτητα του τροχού κουπιών.Ο Bhole40 ανέφερε ότι υπάρχουν τρεις άγνωστοι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά το σχεδιασμό ενός κροκιδωτή, δηλαδή η κλίση ταχύτητας, ο συντελεστής οπισθέλκουσας και η σχετική ταχύτητα του νερού σε σχέση με τη λεπίδα.
Το Camp41 αναφέρει ότι όταν εξετάζουμε μηχανές υψηλής ταχύτητας, η ταχύτητα είναι περίπου 24% της ταχύτητας του ρότορα και έως και 32% για μηχανές χαμηλής ταχύτητας.Ελλείψει διαφραγμάτων, οι Droste και Ger42 χρησιμοποίησαν την τιμή ak 0,25, ενώ στην περίπτωση των διαφραγμάτων, το k κυμαινόταν από 0 έως 0,15.Howe, Hand38 προτείνει ότι το k είναι στην περιοχή από 0,2 έως 0,3.Ο Hendrix39 συσχέτισε τον παράγοντα ολίσθησης με την ταχύτητα περιστροφής χρησιμοποιώντας έναν εμπειρικό τύπο και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο συντελεστής ολίσθησης ήταν επίσης εντός του εύρους που καθορίστηκε από το Camp41.Ο Bratby43 ανέφερε ότι το k είναι περίπου 0,2 για ταχύτητες πτερωτής από 1,8 έως 5,4 rpm και αυξάνεται σε 0,35 για ταχύτητες πτερωτής από 0,9 έως 3 rpm.Άλλοι ερευνητές αναφέρουν ένα ευρύ φάσμα τιμών συντελεστή οπισθέλκουσας (Cd) από 1,0 έως 1,8 και τιμές συντελεστών ολίσθησης k από 0,25 έως 0,40 (Feir και Geyer44, Hyde and Ludwig45, Harris, Kaufman46, van Duuren47 και Bratby και Bratby ).Η βιβλιογραφία δεν δείχνει σημαντική πρόοδο στον ορισμό και τον ποσοτικό προσδιορισμό του k από την εργασία του Camp41.
Η διαδικασία κροκίδωσης βασίζεται στον στροβιλισμό για τη διευκόλυνση των συγκρούσεων, όπου η κλίση ταχύτητας (G) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του στροβιλισμού/κροκίδωσης.Η ανάμειξη είναι η διαδικασία γρήγορης και ομοιόμορφης διασποράς χημικών ουσιών στο νερό.Ο βαθμός ανάμειξης μετριέται από την κλίση ταχύτητας:
όπου G = κλίση ταχύτητας (sec-1), P = ισχύς εισόδου (W), V = όγκος νερού (m3), μ = δυναμικό ιξώδες (Pa s).
Όσο υψηλότερη είναι η τιμή G, τόσο πιο μικτή.Η σχολαστική ανάμειξη είναι απαραίτητη για την εξασφάλιση ομοιόμορφης πήξης.Η βιβλιογραφία δείχνει ότι οι πιο σημαντικές παράμετροι σχεδιασμού είναι ο χρόνος ανάμειξης (t) και η κλίση ταχύτητας (G).Η διαδικασία κροκίδωσης βασίζεται στον στροβιλισμό για τη διευκόλυνση των συγκρούσεων, όπου η κλίση ταχύτητας (G) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του στροβιλισμού/κροκίδωσης.Οι τυπικές τιμές σχεδιασμού για το G είναι 20 έως 70 s–1, το t είναι 15 έως 30 λεπτά και το Gt (χωρίς διάσταση) είναι 104 έως 105. Οι δεξαμενές γρήγορης ανάμειξης λειτουργούν καλύτερα με τιμές G από 700 έως 1000, με χρόνο παραμονής περίπου 2 λεπτά.
όπου P είναι η ισχύς που προσδίδεται στο υγρό από κάθε λεπίδα κροκιδωτή, N είναι η ταχύτητα περιστροφής, b είναι το μήκος της λεπίδας, ρ είναι η πυκνότητα του νερού, r είναι η ακτίνα και k είναι ο συντελεστής ολίσθησης.Αυτή η εξίσωση εφαρμόζεται σε κάθε λεπίδα ξεχωριστά και τα αποτελέσματα αθροίζονται για να δώσουν τη συνολική ισχύ εισόδου του κροκιδωτή.Μια προσεκτική μελέτη αυτής της εξίσωσης δείχνει τη σημασία του παράγοντα ολίσθησης k στη διαδικασία σχεδιασμού ενός κροκιδωτή με κουπιά.Η βιβλιογραφία δεν δηλώνει την ακριβή τιμή του k, αλλά προτείνει μια περιοχή όπως αναφέρθηκε προηγουμένως.Ωστόσο, η σχέση μεταξύ της ισχύος P και του συντελεστή ολίσθησης k είναι κυβική.Έτσι, υπό την προϋπόθεση ότι όλες οι παράμετροι είναι ίδιες, για παράδειγμα, η αλλαγή του k από 0,25 σε 0,3 θα οδηγήσει σε μείωση της ισχύος που μεταδίδεται στο υγρό ανά λεπίδα κατά περίπου 20%, και η μείωση του k από 0,25 σε 0,18 θα την αυξήσει.κατά περίπου 27-30% ανά πτερύγιο Η ισχύς που προσδίδεται στο ρευστό.Τελικά, η επίδραση του k στον βιώσιμο σχεδιασμό κροκιδωτή πτερυγίων πρέπει να διερευνηθεί μέσω τεχνικής ποσοτικοποίησης.
Η ακριβής εμπειρική ποσοτικοποίηση της ολίσθησης απαιτεί οπτικοποίηση και προσομοίωση ροής.Επομένως, είναι σημαντικό να περιγραφεί η εφαπτομενική ταχύτητα της λεπίδας στο νερό με μια ορισμένη ταχύτητα περιστροφής σε διαφορετικές ακτινικές αποστάσεις από τον άξονα και σε διαφορετικά βάθη από την επιφάνεια του νερού, προκειμένου να αξιολογηθεί η επίδραση διαφορετικών θέσεων λεπίδας.
Σε αυτή τη μελέτη, η υδροδυναμική της κροκίδωσης αξιολογείται με πειραματική και αριθμητική διερεύνηση του πεδίου ταχύτητας τυρβώδους ροής σε έναν κροκιδωτή με κουπιά εργαστηριακής κλίμακας.Οι μετρήσεις PIV καταγράφονται στον κροκιδωτή, δημιουργώντας περιγράμματα μέσης ταχύτητας που δείχνουν την ταχύτητα των σωματιδίων του νερού γύρω από τα φύλλα.Επιπλέον, το ANSYS-Fluent CFD χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της στροβιλιζόμενης ροής μέσα στον κροκιδωτή και τη δημιουργία περιγραμμάτων μέσης ταχύτητας.Το προκύπτον μοντέλο CFD επιβεβαιώθηκε με την αξιολόγηση της αντιστοιχίας μεταξύ των αποτελεσμάτων PIV και CFD.Η εστίαση αυτής της εργασίας είναι στον ποσοτικό προσδιορισμό του συντελεστή ολίσθησης k, ο οποίος είναι μια αδιάστατη παράμετρος σχεδιασμού ενός κροκιδωτή με κουπιά.Η εργασία που παρουσιάζεται εδώ παρέχει μια νέα βάση για τον ποσοτικό προσδιορισμό του συντελεστή ολίσθησης k σε χαμηλές ταχύτητες 3 rpm και 4 rpm.Οι επιπτώσεις των αποτελεσμάτων συμβάλλουν άμεσα στην καλύτερη κατανόηση της υδροδυναμικής της δεξαμενής κροκίδωσης.
Ο εργαστηριακός κροκιδωτής αποτελείται από ένα ορθογώνιο κουτί ανοιχτής κορυφής με συνολικό ύψος 147 cm, ύψος 39 cm, συνολικό πλάτος 118 cm και συνολικό μήκος 138 cm (Εικ. 1).Τα κύρια κριτήρια σχεδιασμού που αναπτύχθηκαν από το Camp49 χρησιμοποιήθηκαν για το σχεδιασμό ενός κροκιδωτή με κουπιά εργαστηριακής κλίμακας και την εφαρμογή των αρχών της ανάλυσης διαστάσεων.Η πειραματική εγκατάσταση κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Μηχανικής Περιβάλλοντος του Lebanese American University (Byblos, Λίβανος).
Ο οριζόντιος άξονας βρίσκεται σε ύψος 60 cm από το κάτω μέρος και φιλοξενεί δύο τροχούς με κουπιά.Κάθε τροχός κουπιών αποτελείται από 4 κουπιά με 3 κουπιά σε κάθε κουπιά για συνολικά 12 κουπιά.Η κροκίδωση απαιτεί ήπια ανάδευση σε χαμηλή ταχύτητα 2 έως 6 σ.α.λ.Οι πιο συνηθισμένες ταχύτητες ανάμιξης στους κροκιδωτές είναι 3 rpm και 4 rpm.Η ροή κροκιδωτή εργαστηριακής κλίμακας έχει σχεδιαστεί για να αντιπροσωπεύει τη ροή στο διαμέρισμα της δεξαμενής κροκίδωσης μιας μονάδας επεξεργασίας πόσιμου νερού.Η ισχύς υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την παραδοσιακή εξίσωση 42 .Και για τις δύο ταχύτητες περιστροφής, η κλίση ταχύτητας \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) είναι μεγαλύτερη από 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , ο αριθμός Reynolds δείχνει τυρβώδη ροή (Πίνακας 1).
Το PIV χρησιμοποιείται για την επίτευξη ακριβών και ποσοτικών μετρήσεων διανυσμάτων ταχύτητας ρευστού ταυτόχρονα σε πολύ μεγάλο αριθμό σημείων50.Η πειραματική εγκατάσταση περιελάμβανε έναν κροκιδωτή κουπιών εργαστηριακής κλίμακας, ένα σύστημα LaVision PIV (2017) και μια σκανδάλη εξωτερικού αισθητήρα λέιζερ Arduino.Για να δημιουργηθούν προφίλ ταχύτητας με μέσο όρο χρόνου, οι εικόνες PIV καταγράφηκαν διαδοχικά στην ίδια τοποθεσία.Το σύστημα PIV είναι βαθμονομημένο έτσι ώστε η περιοχή στόχος να βρίσκεται στο μέσο του μήκους καθεμιάς από τις τρεις λεπίδες ενός συγκεκριμένου βραχίονα κουπιών.Η εξωτερική σκανδάλη αποτελείται από ένα λέιζερ που βρίσκεται στη μία πλευρά του πλάτους του κροκιδωτή και έναν δέκτη αισθητήρα στην άλλη πλευρά.Κάθε φορά που ο βραχίονας κροκιδωτή μπλοκάρει τη διαδρομή λέιζερ, αποστέλλεται ένα σήμα στο σύστημα PIV για τη λήψη μιας εικόνας με το λέιζερ PIV και την κάμερα συγχρονισμένα με μια προγραμματιζόμενη μονάδα χρονισμού.Στο σχ.2 δείχνει την εγκατάσταση του συστήματος PIV και τη διαδικασία λήψης εικόνας.
Η καταγραφή του PIV ξεκίνησε αφού ο κροκιδωτής τέθηκε σε λειτουργία για 5–10 λεπτά για να ομαλοποιηθεί η ροή και να ληφθεί υπόψη το ίδιο πεδίο δείκτη διάθλασης.Η βαθμονόμηση επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας μια πλάκα βαθμονόμησης βυθισμένη στον κροκιδωτή και τοποθετημένη στο μέσο του μήκους της λεπίδας που ενδιαφέρει.Προσαρμόστε τη θέση του λέιζερ PIV για να σχηματιστεί ένα επίπεδο φύλλο φωτός ακριβώς πάνω από την πλάκα βαθμονόμησης.Καταγράψτε τις μετρούμενες τιμές για κάθε ταχύτητα περιστροφής κάθε λεπίδας και οι ταχύτητες περιστροφής που επιλέχθηκαν για το πείραμα είναι 3 rpm και 4 rpm.
Για όλες τις εγγραφές PIV, το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο παλμών λέιζερ ορίστηκε στην περιοχή από 6900 έως 7700 µs, γεγονός που επέτρεψε μια ελάχιστη μετατόπιση σωματιδίων 5 pixel.Πραγματοποιήθηκαν πιλοτικές δοκιμές για τον αριθμό των εικόνων που απαιτούνται για τη λήψη ακριβών μετρήσεων με μέσο όρο χρόνου.Τα διανυσματικά στατιστικά συγκρίθηκαν για δείγματα που περιείχαν 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 και 280 εικόνες.Ένα μέγεθος δείγματος 240 εικόνων βρέθηκε ότι δίνει σταθερά αποτελέσματα με μέσο χρόνο, δεδομένου ότι κάθε εικόνα αποτελείται από δύο καρέ.
Δεδομένου ότι η ροή στον κροκιδωτή είναι τυρβώδης, απαιτείται ένα μικρό παράθυρο διερεύνησης και ένας μεγάλος αριθμός σωματιδίων για την επίλυση μικρών τυρβωδών δομών.Αρκετές επαναλήψεις μείωσης μεγέθους εφαρμόζονται μαζί με έναν αλγόριθμο διασταυρούμενης συσχέτισης για να διασφαλιστεί η ακρίβεια.Ένα αρχικό μέγεθος παραθύρου ψηφοφορίας 48×48 pixel με 50% επικάλυψη και μία διαδικασία προσαρμογής ακολουθήθηκε από ένα τελικό μέγεθος παραθύρου ψηφοφορίας 32×32 pixel με 100% επικάλυψη και δύο διαδικασίες προσαρμογής.Επιπλέον, γυάλινες κοίλες σφαίρες χρησιμοποιήθηκαν ως σωματίδια σπόρων στη ροή, γεγονός που επέτρεπε τουλάχιστον 10 σωματίδια ανά παράθυρο ψηφοφορίας.Η εγγραφή PIV ενεργοποιείται από μια πηγή σκανδάλης σε μια προγραμματιζόμενη μονάδα χρονισμού (PTU), η οποία είναι υπεύθυνη για τη λειτουργία και το συγχρονισμό της πηγής λέιζερ και της κάμερας.
Το εμπορικό πακέτο CFD ANSYS Fluent v 19.1 χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη του τρισδιάστατου μοντέλου και την επίλυση των βασικών εξισώσεων ροής.
Χρησιμοποιώντας το ANSYS-Fluent, δημιουργήθηκε ένα τρισδιάστατο μοντέλο ενός κροκιδωτή κουπιών εργαστηριακής κλίμακας.Το μοντέλο είναι κατασκευασμένο με τη μορφή ενός ορθογώνιου κουτιού, που αποτελείται από δύο τροχούς κουπιών τοποθετημένους σε οριζόντιο άξονα, όπως το μοντέλο του εργαστηρίου.Το μοντέλο χωρίς εξάλων έχει ύψος 108 cm, πλάτος 118 cm και μήκος 138 cm.Γύρω από το μίξερ έχει προστεθεί ένα οριζόντιο κυλινδρικό επίπεδο.Η παραγωγή κυλινδρικού επιπέδου θα πρέπει να υλοποιεί την περιστροφή ολόκληρου του αναμικτήρα κατά τη φάση εγκατάστασης και να προσομοιώνει το πεδίο περιστρεφόμενης ροής μέσα στον κροκιδωτή, όπως φαίνεται στο Σχ. 3α.
3D ANSYS-fluent και διάγραμμα γεωμετρίας μοντέλου, ANSYS-fluent flocculator body mesh στο επίπεδο ενδιαφέροντος, ANSYS-fluent διάγραμμα στο επίπεδο ενδιαφέροντος.
Η γεωμετρία του μοντέλου αποτελείται από δύο περιοχές, καθεμία από τις οποίες είναι ρευστή.Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση της λογικής αφαίρεσης.Αρχικά αφαιρέστε τον κύλινδρο (συμπεριλαμβανομένου του μίξερ) από το κουτί για να αντιπροσωπεύσετε το υγρό.Στη συνέχεια αφαιρέστε το μίξερ από τον κύλινδρο, με αποτέλεσμα δύο αντικείμενα: το μίξερ και το υγρό.Τέλος, εφαρμόστηκε μια συρόμενη διεπαφή μεταξύ των δύο περιοχών: μια διεπαφή κυλίνδρου-κύλινδρου και μια διεπαφή κυλίνδρου-μίκτη (Εικ. 3α).
Η δικτύωση των κατασκευασμένων μοντέλων έχει ολοκληρωθεί για να καλύψει τις απαιτήσεις των μοντέλων στροβιλισμού που θα χρησιμοποιηθούν για την εκτέλεση των αριθμητικών προσομοιώσεων.Χρησιμοποιήθηκε ένα αδόμητο πλέγμα με διογκωμένα στρώματα κοντά στη στερεά επιφάνεια.Δημιουργήστε στρώματα επέκτασης για όλους τους τοίχους με ρυθμό ανάπτυξης 1,2 για να διασφαλίσετε ότι καταγράφονται πολύπλοκα μοτίβα ροής, με πάχος πρώτου στρώματος \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m για να διασφαλίσετε ότι \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).Το μέγεθος του σώματος ρυθμίζεται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο προσαρμογής τετραέδρου.Δημιουργείται ένα μέγεθος μπροστινής πλευράς δύο διεπαφών με μέγεθος στοιχείου 2,5 × \({10}^{-3}\) m και ένα μέγεθος πρόσοψης μίκτη 9 × \({10}^{-3}\ ) m εφαρμόζεται.Το αρχικό δημιουργημένο πλέγμα αποτελούνταν από 2144409 στοιχεία (Εικ. 3β).
Ως αρχικό βασικό μοντέλο επιλέχθηκε ένα μοντέλο στροβιλισμού δύο παραμέτρων k–ε.Για την ακριβή προσομοίωση της ροής στροβιλισμού μέσα στον κροκιδωτή, επιλέχθηκε ένα πιο ακριβό υπολογιστικά μοντέλο.Η τυρβώδης στροβιλιζόμενη ροή μέσα στον κροκιδωτή διερευνήθηκε αριθμητικά χρησιμοποιώντας δύο μοντέλα CFD: SST k–ω51 και IDDES52.Τα αποτελέσματα και των δύο μοντέλων συγκρίθηκαν με πειραματικά αποτελέσματα PIV για την επικύρωση των μοντέλων.Πρώτον, το μοντέλο στροβιλισμού SST k-ω είναι ένα μοντέλο τυρβώδους ιξώδους δύο εξισώσεων για εφαρμογές ρευστοδυναμικής.Αυτό είναι ένα υβριδικό μοντέλο που συνδυάζει τα μοντέλα Wilcox k-ω και k-ε.Η λειτουργία ανάμειξης ενεργοποιεί το μοντέλο Wilcox κοντά στον τοίχο και το μοντέλο k-ε στην επερχόμενη ροή.Αυτό διασφαλίζει ότι το σωστό μοντέλο χρησιμοποιείται σε όλο το πεδίο ροής.Προβλέπει με ακρίβεια τον διαχωρισμό ροής λόγω δυσμενών κλίσεων πίεσης.Δεύτερον, επιλέχθηκε η μέθοδος Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), που χρησιμοποιείται ευρέως στο μοντέλο Individual Eddy Simulation (DES) με το μοντέλο SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).Το IDDES είναι ένα υβριδικό μοντέλο RANS-LES (μεγάλη προσομοίωση δίνων) που παρέχει ένα πιο ευέλικτο και φιλικό προς το χρήστη μοντέλο προσομοίωσης κλίμακας ανάλυσης (SRS).Βασίζεται στο μοντέλο LES για την επίλυση μεγάλων στροβιλισμών και επιστρέφει στο SST k-ω για την προσομοίωση δίνων μικρής κλίμακας.Οι στατιστικές αναλύσεις των αποτελεσμάτων από τις προσομοιώσεις SST k–ω και IDDES συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα PIV για την επικύρωση του μοντέλου.
Ως αρχικό βασικό μοντέλο επιλέχθηκε ένα μοντέλο στροβιλισμού δύο παραμέτρων k–ε.Για την ακριβή προσομοίωση της ροής στροβιλισμού μέσα στον κροκιδωτή, επιλέχθηκε ένα πιο ακριβό υπολογιστικά μοντέλο.Η τυρβώδης στροβιλιζόμενη ροή μέσα στον κροκιδωτή διερευνήθηκε αριθμητικά χρησιμοποιώντας δύο μοντέλα CFD: SST k–ω51 και IDDES52.Τα αποτελέσματα και των δύο μοντέλων συγκρίθηκαν με πειραματικά αποτελέσματα PIV για την επικύρωση των μοντέλων.Πρώτον, το μοντέλο στροβιλισμού SST k-ω είναι ένα μοντέλο τυρβώδους ιξώδους δύο εξισώσεων για εφαρμογές ρευστοδυναμικής.Αυτό είναι ένα υβριδικό μοντέλο που συνδυάζει τα μοντέλα Wilcox k-ω και k-ε.Η λειτουργία ανάμειξης ενεργοποιεί το μοντέλο Wilcox κοντά στον τοίχο και το μοντέλο k-ε στην επερχόμενη ροή.Αυτό διασφαλίζει ότι το σωστό μοντέλο χρησιμοποιείται σε όλο το πεδίο ροής.Προβλέπει με ακρίβεια τον διαχωρισμό ροής λόγω δυσμενών κλίσεων πίεσης.Δεύτερον, επιλέχθηκε η μέθοδος Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), που χρησιμοποιείται ευρέως στο μοντέλο Individual Eddy Simulation (DES) με το μοντέλο SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).Το IDDES είναι ένα υβριδικό μοντέλο RANS-LES (μεγάλη προσομοίωση δίνων) που παρέχει ένα πιο ευέλικτο και φιλικό προς το χρήστη μοντέλο προσομοίωσης κλίμακας ανάλυσης (SRS).Βασίζεται στο μοντέλο LES για την επίλυση μεγάλων στροβιλισμών και επιστρέφει στο SST k-ω για την προσομοίωση δίνων μικρής κλίμακας.Οι στατιστικές αναλύσεις των αποτελεσμάτων από τις προσομοιώσεις SST k–ω και IDDES συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα PIV για την επικύρωση του μοντέλου.
Χρησιμοποιήστε έναν μεταβατικό επιλύτη που βασίζεται στην πίεση και χρησιμοποιήστε τη βαρύτητα προς την κατεύθυνση Υ.Η περιστροφή επιτυγχάνεται με την αντιστοίχιση μιας κίνησης πλέγματος στο μίξερ, όπου η αρχή του άξονα περιστροφής βρίσκεται στο κέντρο του οριζόντιου άξονα και η κατεύθυνση του άξονα περιστροφής είναι στην κατεύθυνση Ζ.Δημιουργείται μια διεπαφή πλέγματος και για τις δύο διεπαφές γεωμετρίας μοντέλων, με αποτέλεσμα δύο οριοθετημένες ακμές πλαισίου.Όπως και στην πειραματική τεχνική, η ταχύτητα περιστροφής αντιστοιχεί σε 3 και 4 στροφές.
Οι οριακές συνθήκες για τα τοιχώματα του αναμικτήρα και του κροκιδωτή ορίστηκαν από το τοίχωμα και το άνω άνοιγμα του κροκιδωτή ορίστηκε από την έξοδο με μηδενική πίεση μετρητή (Εικ. 3c).ΑΠΛΟ σχήμα επικοινωνίας πίεσης-ταχύτητας, διακριτοποίηση του χώρου κλίσης συναρτήσεων δεύτερης τάξης με όλες τις παραμέτρους που βασίζονται σε στοιχεία ελαχίστων τετραγώνων.Το κριτήριο σύγκλισης για όλες τις μεταβλητές ροής είναι η κλιμακούμενη υπολειπόμενη τιμή 1 x \({10}^{-3}\).Ο μέγιστος αριθμός επαναλήψεων ανά χρονικό βήμα είναι 20 και το μέγεθος του χρονικού βήματος αντιστοιχεί σε περιστροφή 0,5°.Η λύση συγκλίνει στην 8η επανάληψη για το μοντέλο SST k–ω και στη 12η επανάληψη χρησιμοποιώντας IDDES.Επιπλέον, ο αριθμός των χρονικών βημάτων υπολογίστηκε έτσι ώστε ο αναμίκτης να κάνει τουλάχιστον 12 στροφές.Εφαρμόστε δειγματοληψία δεδομένων για στατιστικές χρόνου μετά από 3 περιστροφές, κάτι που επιτρέπει την κανονικοποίηση της ροής, παρόμοια με την πειραματική διαδικασία.Η σύγκριση της εξόδου των βρόχων ταχύτητας για κάθε περιστροφή δίνει ακριβώς τα ίδια αποτελέσματα για τις τέσσερις τελευταίες στροφές, υποδεικνύοντας ότι έχει επιτευχθεί μια σταθερή κατάσταση.Οι επιπλέον στροφές δεν βελτίωσαν τα περιγράμματα της μεσαίας ταχύτητας.
Το χρονικό βήμα ορίζεται σε σχέση με την ταχύτητα περιστροφής, 3 rpm ή 4 rpm.Το χρονικό βήμα εξευγενίζεται στον χρόνο που απαιτείται για την περιστροφή του μίκτη κατά 0,5°.Αυτό αποδεικνύεται αρκετό, καθώς η λύση συγκλίνει εύκολα, όπως περιγράφεται στην προηγούμενη ενότητα.Έτσι, όλοι οι αριθμητικοί υπολογισμοί και για τα δύο μοντέλα στροβιλισμού πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας ένα τροποποιημένο χρονικό βήμα 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) για 3 rpm, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 σ.α.λ.Για ένα δεδομένο χρονικό βήμα βελτίωσης, ο αριθμός Courant ενός κελιού είναι πάντα μικρότερος από 1,0.
Για τη διερεύνηση της εξάρτησης μοντέλου-πλέγματος, τα αποτελέσματα ελήφθησαν πρώτα χρησιμοποιώντας το αρχικό πλέγμα 2,14M και στη συνέχεια το βελτιωμένο πλέγμα 2,88M.Η βελτίωση του πλέγματος επιτυγχάνεται με τη μείωση του μεγέθους κελιών του σώματος του μίκτη από 9 × \({10}^{-3}\) m σε 7 × \({10}^{-3}\) m.Για τα αρχικά και τα εκλεπτυσμένα πλέγματα των δύο μοντέλων στροβιλισμού, συγκρίθηκαν οι μέσες τιμές των μονάδων ταχύτητας σε διαφορετικά σημεία γύρω από τη λεπίδα.Η ποσοστιαία διαφορά μεταξύ των αποτελεσμάτων είναι 1,73% για το μοντέλο SST k–ω και 3,51% για το μοντέλο IDDES.Το IDDES δείχνει μεγαλύτερη ποσοστιαία διαφορά επειδή είναι ένα υβριδικό μοντέλο RANS-LES.Αυτές οι διαφορές θεωρήθηκαν ασήμαντες, επομένως η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το αρχικό πλέγμα με 2,14 εκατομμύρια στοιχεία και ένα χρονικό βήμα περιστροφής 0,5°.
Η αναπαραγωγιμότητα των πειραματικών αποτελεσμάτων εξετάστηκε εκτελώντας καθένα από τα έξι πειράματα δεύτερη φορά και συγκρίνοντας τα αποτελέσματα.Συγκρίνετε τις τιμές ταχύτητας στο κέντρο της λεπίδας σε δύο σειρές πειραμάτων.Η μέση ποσοστιαία διαφορά μεταξύ των δύο πειραματικών ομάδων ήταν 3,1%.Το σύστημα PIV βαθμονομήθηκε επίσης ανεξάρτητα για κάθε πείραμα.Συγκρίνετε την αναλυτικά υπολογισμένη ταχύτητα στο κέντρο κάθε λεπίδας με την ταχύτητα PIV στην ίδια θέση.Αυτή η σύγκριση δείχνει τη διαφορά με μέγιστο ποσοστό σφάλματος 6,5% για το blade 1.
Πριν ποσοτικοποιηθεί ο παράγοντας ολίσθησης, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε επιστημονικά την έννοια της ολίσθησης σε έναν κροκιδωτή με κουπιά, η οποία απαιτεί τη μελέτη της δομής ροής γύρω από τα πτερύγια του κροκιδωτή.Εννοιολογικά, ο συντελεστής ολίσθησης είναι ενσωματωμένος στο σχεδιασμό των κροκιδωτών κουπιών για να λαμβάνεται υπόψη η ταχύτητα των λεπίδων σε σχέση με το νερό.Η βιβλιογραφία συνιστά αυτή η ταχύτητα να είναι 75% της ταχύτητας της λεπίδας, επομένως τα περισσότερα σχέδια χρησιμοποιούν συνήθως ak 0,25 για να λάβουν υπόψη αυτήν τη ρύθμιση.Αυτό απαιτεί τη χρήση γραμμών ταχύτητας που προέρχονται από πειράματα PIV για την πλήρη κατανόηση του πεδίου ταχύτητας ροής και τη μελέτη αυτής της ολίσθησης.Η λεπίδα 1 είναι η πιο εσωτερική λεπίδα που βρίσκεται πιο κοντά στον άξονα, η λεπίδα 3 είναι η πιο εξωτερική λεπίδα και η λεπίδα 2 είναι η μεσαία λεπίδα.
Οι γραμμές ταχύτητας στη λεπίδα 1 δείχνουν μια άμεση περιστρεφόμενη ροή γύρω από τη λεπίδα.Αυτά τα μοτίβα ροής προέρχονται από ένα σημείο στη δεξιά πλευρά της λεπίδας, μεταξύ του ρότορα και της λεπίδας.Κοιτάζοντας την περιοχή που υποδεικνύεται από το κόκκινο διάστικτο πλαίσιο στο Σχήμα 4α, είναι ενδιαφέρον να προσδιορίσουμε μια άλλη πτυχή της ροής ανακυκλοφορίας πάνω και γύρω από τη λεπίδα.Η οπτικοποίηση ροής δείχνει μικρή ροή στη ζώνη ανακυκλοφορίας.Αυτή η ροή πλησιάζει από τη δεξιά πλευρά της λεπίδας σε ύψος περίπου 6 cm από το άκρο της λεπίδας, πιθανώς λόγω της επίδρασης της πρώτης λεπίδας του χεριού που προηγείται της λεπίδας, η οποία είναι ορατή στην εικόνα.Η οπτικοποίηση ροής στις 4 σ.α.λ. δείχνει την ίδια συμπεριφορά και δομή, προφανώς με υψηλότερες ταχύτητες.
Γραφήματα πεδίου ταχύτητας και ρεύματος τριών λεπίδων σε δύο ταχύτητες περιστροφής 3 rpm και 4 rpm.Η μέγιστη μέση ταχύτητα των τριών λεπίδων στις 3 rpm είναι 0,15 m/s, 0,20 m/s και 0,16 m/s αντίστοιχα, και η μέγιστη μέση ταχύτητα στις 4 rpm είναι 0,15 m/s, 0,22 m/s και 0,22 m/s. s, αντίστοιχα.σε τρία φύλλα.
Μια άλλη μορφή ελικοειδούς ροής βρέθηκε μεταξύ των πτερυγίων 1 και 2. Το διανυσματικό πεδίο δείχνει ξεκάθαρα ότι η ροή του νερού κινείται προς τα πάνω από τον πυθμένα του πτερυγίου 2, όπως υποδεικνύεται από την κατεύθυνση του φορέα.Όπως φαίνεται από το διακεκομμένο πλαίσιο στο Σχ. 4β, αυτά τα διανύσματα δεν πηγαίνουν κατακόρυφα προς τα πάνω από την επιφάνεια της λεπίδας, αλλά στρέφονται προς τα δεξιά και σταδιακά κατεβαίνουν.Στην επιφάνεια της λεπίδας 1 διακρίνονται καθοδικοί φορείς, οι οποίοι πλησιάζουν και τις δύο λεπίδες και τις περιβάλλουν από τη ροή ανακυκλοφορίας που σχηματίζεται μεταξύ τους.Η ίδια δομή ροής προσδιορίστηκε και στις δύο ταχύτητες περιστροφής με υψηλότερο πλάτος ταχύτητας 4 rpm.
Το πεδίο ταχύτητας της λεπίδας 3 δεν συνεισφέρει σημαντικά από το διάνυσμα ταχύτητας της προηγούμενης λεπίδας που ενώνει τη ροή κάτω από τη λεπίδα 3. Η κύρια ροή κάτω από τη λεπίδα 3 οφείλεται στο κάθετο διάνυσμα ταχύτητας που ανεβαίνει με το νερό.
Τα διανύσματα ταχύτητας πάνω από την επιφάνεια της λεπίδας 3 μπορούν να χωριστούν σε τρεις ομάδες, όπως φαίνεται στο Σχ. 4γ.Το πρώτο σετ είναι αυτό στη δεξιά άκρη της λεπίδας.Η δομή ροής σε αυτή τη θέση είναι ευθεία προς τα δεξιά και προς τα πάνω (δηλ. προς τη λεπίδα 2).Η δεύτερη ομάδα είναι η μέση της λεπίδας.Το διάνυσμα ταχύτητας για αυτή τη θέση κατευθύνεται ευθεία προς τα πάνω, χωρίς καμία απόκλιση και χωρίς περιστροφή.Η μείωση στην τιμή της ταχύτητας προσδιορίστηκε με μια αύξηση στο ύψος πάνω από το άκρο της λεπίδας.Για την τρίτη ομάδα, που βρίσκεται στην αριστερή περιφέρεια των λεπίδων, η ροή κατευθύνεται αμέσως προς τα αριστερά, δηλαδή στο τοίχωμα του κροκιδωτή.Το μεγαλύτερο μέρος της ροής που αντιπροσωπεύεται από το διάνυσμα της ταχύτητας ανεβαίνει και μέρος της ροής κατεβαίνει οριζόντια προς τα κάτω.
Δύο μοντέλα στροβιλισμού, SST k–ω και IDDES, χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή προφίλ ταχύτητας με μέσο όρο χρόνου για 3 rpm και 4 rpm στο επίπεδο μέσου μήκους λεπίδας.Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, η σταθερή κατάσταση επιτυγχάνεται με την επίτευξη απόλυτης ομοιότητας μεταξύ των περιγραμμάτων ταχύτητας που δημιουργούνται από τέσσερις διαδοχικές περιστροφές.Επιπλέον, τα περιγράμματα μέσης ταχύτητας που δημιουργούνται από το IDDES φαίνονται στο Σχ. 6α, ενώ τα προφίλ μέσης ταχύτητας που δημιουργούνται από το SST k – ω φαίνονται στο Σχ. 6α.6β.
Χρησιμοποιώντας IDDES και βρόχους μέσης ταχύτητας που δημιουργούνται από SST k–ω, το IDDES έχει υψηλότερη αναλογία βρόχων ταχύτητας.
Εξετάστε προσεκτικά το προφίλ ταχύτητας που δημιουργήθηκε με IDDES στις 3 rpm, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7. Ο μείκτης περιστρέφεται δεξιόστροφα και η ροή συζητείται σύμφωνα με τις σημειώσεις που φαίνονται.
Στο σχ.7 μπορεί να φανεί ότι στην επιφάνεια της λεπίδας 3 στο τεταρτημόριο I υπάρχει διαχωρισμός της ροής, αφού η ροή δεν περιορίζεται λόγω της παρουσίας της άνω οπής.Στο τεταρτημόριο II δεν παρατηρείται διαχωρισμός της ροής, αφού η ροή περιορίζεται πλήρως από τα τοιχώματα του κροκιδωτή.Στο τεταρτημόριο III, το νερό περιστρέφεται με πολύ μικρότερη ή μικρότερη ταχύτητα από ό,τι στα προηγούμενα τεταρτημόρια.Το νερό στα τεταρτημόρια I και II μετακινείται (δηλαδή περιστρέφεται ή ωθείται προς τα έξω) προς τα κάτω με τη δράση του αναμικτήρα.Και στο τεταρτημόριο III, το νερό ωθείται προς τα έξω από τις λεπίδες του αναδευτήρα.Είναι προφανές ότι η υδάτινη μάζα σε αυτό το μέρος αντιστέκεται στο χιτώνιο του κροκιδωτή που πλησιάζει.Η περιστροφική ροή σε αυτό το τεταρτημόριο είναι εντελώς διαχωρισμένη.Για το τεταρτημόριο IV, το μεγαλύτερο μέρος της ροής αέρα πάνω από το πτερύγιο 3 κατευθύνεται προς το τοίχωμα του κροκιδωτή και σταδιακά χάνει το μέγεθός του καθώς το ύψος αυξάνεται στο επάνω άνοιγμα.
Επιπλέον, η κεντρική θέση περιλαμβάνει πολύπλοκα μοτίβα ροής που κυριαρχούν στα τεταρτημόρια III και IV, όπως φαίνεται από τις μπλε διακεκομμένες ελλείψεις.Αυτή η σημειωμένη περιοχή δεν έχει καμία σχέση με τη ροή στροβιλισμού στον κροκιδωτή με κουπιά, καθώς μπορεί να αναγνωριστεί η στροβιλιστική κίνηση.Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τα τεταρτημόρια I και II όπου υπάρχει σαφής διαχωρισμός μεταξύ της εσωτερικής ροής και της πλήρους περιστροφικής ροής.
Όπως φαίνεται στο σχ.6, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των IDDES και SST k-ω, η κύρια διαφορά μεταξύ των περιγραμμάτων ταχύτητας είναι το μέγεθος της ταχύτητας αμέσως κάτω από τη λεπίδα 3. Το μοντέλο SST k-ω δείχνει ξεκάθαρα ότι η εκτεταμένη ροή υψηλής ταχύτητας μεταφέρεται από τη λεπίδα 3 σε σύγκριση με το IDDES.
Μια άλλη διαφορά μπορεί να βρεθεί στο τεταρτημόριο III.Από το IDDES, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, σημειώθηκε διαχωρισμός περιστροφικής ροής μεταξύ των βραχιόνων του κροκιδωτή.Ωστόσο, αυτή η θέση επηρεάζεται έντονα από τη χαμηλή ταχύτητα ροής από τις γωνίες και το εσωτερικό της πρώτης λεπίδας.Από το SST k–ω για την ίδια θέση, οι γραμμές περιγράμματος δείχνουν σχετικά υψηλότερες ταχύτητες σε σύγκριση με το IDDES επειδή δεν υπάρχει συρροή ροή από άλλες περιοχές.
Απαιτείται ποιοτική κατανόηση των διανυσματικών πεδίων και των γραμμών ταχύτητας για τη σωστή κατανόηση της συμπεριφοράς και της δομής ροής.Δεδομένου ότι κάθε λεπίδα έχει πλάτος 5 cm, επιλέχθηκαν επτά σημεία ταχύτητας σε όλο το πλάτος για να παρέχουν ένα αντιπροσωπευτικό προφίλ ταχύτητας.Επιπλέον, απαιτείται μια ποσοτική κατανόηση του μεγέθους της ταχύτητας ως συνάρτηση του ύψους πάνω από την επιφάνεια της λεπίδας, σχεδιάζοντας το προφίλ ταχύτητας απευθείας πάνω από κάθε επιφάνεια λεπίδας και σε μια συνεχή απόσταση 2,5 cm κατακόρυφα έως ένα ύψος 10 cm.Δείτε τα S1, S2 και S3 στο σχήμα για περισσότερες πληροφορίες.Παράρτημα Α. Το σχήμα 8 δείχνει την ομοιότητα της κατανομής της επιφανειακής ταχύτητας κάθε λεπίδας (Y = 0,0) που ελήφθη χρησιμοποιώντας πειράματα PIV και ανάλυση ANSYS-Fluent χρησιμοποιώντας IDDES και SST k-ω.Και τα δύο αριθμητικά μοντέλα καθιστούν δυνατή την ακριβή προσομοίωση της δομής ροής στην επιφάνεια των λεπίδων κροκιδωτή.
Κατανομές ταχύτητας PIV, IDDES και SST k–ω στην επιφάνεια της λεπίδας.Ο άξονας x αντιπροσωπεύει το πλάτος κάθε φύλλου σε χιλιοστά, με την αρχή (0 mm) να αντιπροσωπεύει την αριστερή περιφέρεια του φύλλου και το άκρο (50 mm) να αντιπροσωπεύει τη δεξιά περιφέρεια του φύλλου.
Φαίνεται καθαρά ότι οι κατανομές ταχύτητας των λεπίδων 2 και 3 φαίνονται στα Σχ. 8 και Σχ. 8.Τα S2 και S3 στο Παράρτημα Α δείχνουν παρόμοιες τάσεις με το ύψος, ενώ η λεπίδα 1 αλλάζει ανεξάρτητα.Τα προφίλ ταχύτητας των λεπίδων 2 και 3 γίνονται απόλυτα ευθεία και έχουν το ίδιο πλάτος σε ύψος 10 cm από το άκρο της λεπίδας.Αυτό σημαίνει ότι η ροή γίνεται ομοιόμορφη σε αυτό το σημείο.Αυτό φαίνεται ξεκάθαρα από τα αποτελέσματα PIV, τα οποία αναπαράγονται καλά από το IDDES.Εν τω μεταξύ, τα αποτελέσματα SST k–ω δείχνουν κάποιες διαφορές, ειδικά στις 4 rpm.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η λεπίδα 1 διατηρεί το ίδιο σχήμα του προφίλ ταχύτητας σε όλες τις θέσεις και δεν είναι κανονικοποιημένο σε ύψος, καθώς ο στροβιλισμός που σχηματίζεται στο κέντρο του μίξερ περιέχει την πρώτη λεπίδα όλων των βραχιόνων.Επίσης, σε σύγκριση με το IDDES, τα προφίλ ταχύτητας λεπίδας PIV 2 και 3 έδειξαν ελαφρώς υψηλότερες τιμές ταχύτητας στις περισσότερες τοποθεσίες έως ότου ήταν σχεδόν ίσες στα 10 cm πάνω από την επιφάνεια της λεπίδας.
Ώρα δημοσίευσης: Δεκ-27-2022