PIV и CFD исследование гидродинамики флокуляции лопастей при низких скоростях вращения

Том 12 научных докладов, номер статьи: 19742 (2022) Цитировать эту статью

742 Доступа

1 Цитаты

Подробности о метриках

В этом исследовании гидродинамика флокуляции оценивалась путем исследования поля скоростей турбулентного потока экспериментально и численно в лабораторном лопастном флокуляторе. Турбулентность, которая либо способствует агрегации частиц, либо разрушению хлопьев, сложна и рассматривалась и сравнивалась в этой работе с использованием двух моделей турбулентности; а именно, SST k–ω и IDDES. Результаты показали, что IDDES обеспечивает очень незначительное улучшение по сравнению с SST k–ω, что позволяет последнему достаточно точно моделировать поток внутри лопастного флокулятора. Оценка согласия была принята для изучения сходимости между результатами PIV и CFD, а также для сравнения результатов используемых моделей турбулентности CFD. Исследование также было сосредоточено на количественном определении коэффициента проскальзывания k, равного 0,18 при низких скоростях вращения 3 и 4 об/мин, и сравнении с обычным типичным значением 0,25. Такое уменьшение k с 0,25 до 0,18 приводит к увеличению мощности, передаваемой жидкости, примерно на 27–30% и увеличению градиента скорости (G) примерно на 14%. Это означает, что обеспечивается большее перемешивание, чем ожидалось, и, следовательно, затрачивается меньше энергии, и, таким образом, потребление электроэнергии для установки флокуляции на установке очистки питьевой воды потенциально может быть уменьшено.

При очистке воды добавление коагулянтов дестабилизирует мелкие коллоидные частицы и примеси, которые затем соединяются и образуют хлопья на стадии флокуляции. Флоки представляют собой слабосвязанные массовые фрактальные агрегаты, которые затем удаляются путем седиментации. Характеристики частиц и условия смешивания жидкости определяют действие флокуляции и эффективность процесса очистки. Флокуляция требует медленного перемешивания в течение относительно коротких периодов времени, а также большого количества энергии для смешивания большого объема воды1.

В процессе флокуляции гидродинамика всей системы, а также химия взаимодействия коагулянт-частицы определяют скорость достижения устойчивого распределения по размерам2. Когда частицы сталкиваются, они прилипают друг к другу3. Ойегбиле, Ay4, сообщил, что столкновение зависит от механизмов флокуляционного транспорта, таких как броуновская диффузия, сдвиг жидкости и дифференциальное осаждение. Когда хлопья сталкиваются, они растут и достигают определенного предельного размера, поэтому может произойти разрушение, поскольку хлопья не выдерживают воздействия гидродинамических сил5. Некоторые из этих разбитых хлопьев снова объединяются до меньшего или того же размера6. Однако сильные стаи могли выдержать воздействие сил и сохранить свой размер или даже вырасти7. Юкселен и Грегори8 сообщили об исследованиях, связанных с разрушением хлопьев и их способностью к повторному росту, указав, что необратимость ограничена. Бриджман и Джефферсон9 использовали CFD для оценки локального влияния среднего потока и турбулентности на образование и разрушение хлопьев с использованием локального градиента скорости. В резервуаре, снабженном роторными лопастями, необходимо было изменять скорость агрегата при столкновении с другими частицами, когда они были достаточно дестабилизированы в фазе коагуляции10. Используя CFD и при более низких скоростях вращения, около 15 об/мин, Вадасаруккай и Ганьон11 смогли достичь значений G, используемых для флокуляции с коническими лопастями, что свело к минимуму потребляемую мощность, необходимую для смешивания. Однако работа при более высоких значениях G может привести к разрушению хлопьев. Они изучили влияние скорости перемешивания на определение среднего градиента скорости для пилотных лопастных флокуляторов. Скорость их вращения превышала 5 об/мин.

Корпиярви и Альстедт12 использовали четыре различные модели турбулентности для изучения поля потока в испытательном устройстве. Они использовали лазерно-доплеровский анемометр и PIV для измерения поля потока и сравнили рассчитанные и измеренные результаты. де Оливейра и Донадел13 предложили альтернативный подход для оценки градиента скорости по гидродинамическим характеристикам с использованием CFD. Предложенный подход был апробирован на шести установках флокуляции, основанных на спиральной геометрии. Было оценено влияние времени удерживания на флокуляторы и предложена модель флокуляции, которую можно использовать в качестве инструмента для поддержки рационального проектирования установок с низким временем удерживания14. Жан, Ю15 предложил комбинированную модель CFD и модель баланса популяции для моделирования характеристик потока и поведения хлопьев в полномасштабной флокуляции. Ллано-Серна, Корал-Портильо16 исследовали характеристики потока гидравлического флокулятора типа Кокса на водоочистной станции в Витербо, Колумбия. Хотя применение CFD имело свои преимущества, существовали ограничения, такие как числовые ошибки в вычислениях. Следовательно, любой полученный численный результат должен быть тщательно изучен и проанализирован для вынесения критических суждений17. В литературе существует несколько исследований, посвященных проектированию флокуляторов с горизонтальными перегородками, тогда как рекомендации по проектированию гидравлических флокуляторов ограничены18. Чен и Ляо19 использовали экспериментальную установку, основанную на рассеянии поляризованного света, для измерения состояний поляризации рассеянного света отдельных частиц. Фэн и Чжан20 смоделировали распределение вихрей и завихренность в поле потока того же волнового флокулятора со складчатыми пластинами и противоположного волнового флокулятора со складчатыми пластинами с помощью Ansys-Fluent. После использования Ansys-Fluent для моделирования турбулентного потока жидкости в гидравлических флокуляторах Гави21 использовал результаты при разработке гидравлического флокулятора. Ванели и Тейшейра22 сообщили, что до сих пор отсутствует понимание взаимосвязи между гидродинамикой спиральных трубчатых флокуляторов и процессом флокуляции, что могло бы поддержать рациональную конструкцию. де Оливейра и Коста Тейшейра23 исследовали эффективность и представили гидродинамические характеристики флокуляторов со спиральными трубками с помощью физических экспериментов и моделирования CFD. Реакторы со спиральными трубками или флокуляторы со спиральными трубками изучались многими исследователями. Однако подробная информация о динамике жидкости о реакции этих реакторов на изменяющуюся конструкцию и условия эксплуатации все еще отсутствует (Сартори, Оливейра24; Оливейра, Тейшейра25). Оливейра и Тейшейра26 представили оригинальные результаты теоретических, экспериментальных исследований и исследований CFD-моделирования флокуляторов со спиральными трубками. Оливейра и Тейшейра27 предложили использовать спирально скрученные трубы в качестве реактора коагуляции-флокуляции в сочетании с традиционной системой декантера. Они сообщили, что полученные результаты эффективности удаления мутности значительно отличаются от результатов, полученных с помощью обычно используемых моделей для оценки флокуляции, что указывает на осторожность при использовании таких моделей. Моруцци и де Оливейра28 выполнили моделирование поведения системы последовательно соединенных камер непрерывной флокуляции в различных условиях эксплуатации, включая вариации количества используемых камер и использование фиксированных или масштабированных градиентов скорости в установках. Ромфофак и Ле Мен29 выполнили PIV-измерения мгновенной скорости в квазидвумерном струйном отстойнике. Они обнаружили сильную циркуляцию, вызванную струей в зоне флокуляции, и оценили локальную и мгновенную скорости сдвига.