ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.comคุณกำลังใช้เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่มีการรองรับ CSS แบบจำกัดเพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดต (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer)นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
แสดงภาพหมุนสามสไลด์พร้อมกันใช้ปุ่มก่อนหน้าและถัดไปเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง หรือใช้ปุ่มแถบเลื่อนที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง
ในการศึกษานี้ อุทกพลศาสตร์ของการตกตะกอนได้รับการประเมินโดยการตรวจสอบเชิงทดลองและเชิงตัวเลขของสนามความเร็วการไหลแบบปั่นป่วนในเครื่องตกตะกอนแบบพายในระดับห้องปฏิบัติการการไหลแบบปั่นป่วนที่ส่งเสริมการรวมตัวของอนุภาคหรือการแตกตัวของตะกอนมีความซับซ้อน และได้รับการพิจารณาและเปรียบเทียบในบทความนี้โดยใช้แบบจำลองความปั่นป่วนสองแบบ ได้แก่ SST k-ω และ IDDESผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า IDDES มีการปรับปรุงเล็กน้อยเหนือ SST k-ω ซึ่งเพียงพอที่จะจำลองการไหลภายในเครื่องตกตะกอนแบบพายได้อย่างแม่นยำคะแนนพอดีจะใช้เพื่อตรวจสอบการบรรจบกันของผลลัพธ์ PIV และ CFD และเพื่อเปรียบเทียบผลลัพธ์ของแบบจำลองความปั่นป่วน CFD ที่ใช้การศึกษายังมุ่งเน้นไปที่การหาปริมาณสลิปแฟคเตอร์ k ซึ่งเท่ากับ 0.18 ที่ความเร็วต่ำที่ 3 และ 4 รอบต่อนาที เมื่อเทียบกับค่าปกติปกติที่ 0.25การลด k จาก 0.25 เป็น 0.18 จะเพิ่มกำลังที่ส่งไปยังของไหลประมาณ 27-30% และเพิ่มการไล่ระดับความเร็ว (G) ประมาณ 14%ซึ่งหมายความว่าสามารถผสมได้อย่างเข้มข้นมากกว่าที่คาดไว้ ดังนั้นจึงใช้พลังงานน้อยลง ดังนั้นการใช้พลังงานในหน่วยการจับตะกอนของโรงบำบัดน้ำดื่มจึงสามารถลดลงได้
ในการทำน้ำให้บริสุทธิ์ การเติมสารตกตะกอนจะทำให้อนุภาคคอลลอยด์และสิ่งสกปรกขนาดเล็กไม่เสถียร ซึ่งจากนั้นจะรวมตัวกันเพื่อสร้างการจับตัวเป็นก้อนที่ระยะการจับตัวเป็นก้อนสะเก็ดคือมวลรวมแฟร็กทัลที่เกาะติดกันอย่างหลวมๆ ซึ่งจากนั้นจะถูกกำจัดออกโดยการตกตะกอนคุณสมบัติของอนุภาคและสภาวะการผสมของเหลวจะกำหนดประสิทธิภาพของกระบวนการตกตะกอนและบำบัดการตกตะกอนต้องใช้การกวนช้าๆ ในระยะเวลาอันสั้นและต้องใช้พลังงานมากในการกวนน้ำปริมาณมาก1
ในระหว่างการจับตัวเป็นก้อน อุทกพลศาสตร์ของทั้งระบบและเคมีของปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารตกตะกอนและอนุภาคจะเป็นตัวกำหนดอัตราที่ทำให้การกระจายขนาดอนุภาคคงที่2เมื่ออนุภาคชนกัน อนุภาคจะเกาะติดกัน3.Oyegbile, Ay4 รายงานว่าการชนขึ้นอยู่กับกลไกการขนส่งการตกตะกอนของการแพร่กระจายแบบบราวเนียน แรงเฉือนของของไหล และการตกตะกอนที่แตกต่างกันเมื่อสะเก็ดชนกัน สะเก็ดจะเติบโตและถึงขีดจำกัดขนาดที่กำหนด ซึ่งอาจนำไปสู่การแตกหักได้ เนื่องจากสะเก็ดไม่สามารถทนต่อแรงของพลังอุทกพลศาสตร์ได้5สะเก็ดที่แตกหักเหล่านี้บางส่วนจะรวมตัวกันเป็นชิ้นเล็กลงหรือมีขนาดเท่ากัน6อย่างไรก็ตาม สะเก็ดที่แข็งแรงสามารถต้านทานแรงนี้และรักษาขนาดไว้และเติบโตได้7Yukselen และ Gregory8 รายงานเกี่ยวกับการศึกษาที่เกี่ยวข้องกับการทำลายของสะเก็ดและความสามารถในการงอกใหม่ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการกลับคืนไม่ได้นั้นมีจำกัดบริดจแมน, Jefferson9 ใช้ CFD เพื่อประมาณอิทธิพลเฉพาะของการไหลเฉลี่ยและความปั่นป่วนที่มีต่อการก่อตัวของก้อนและการกระจายตัวผ่านการไล่ระดับความเร็วเฉพาะที่ในถังที่ติดตั้งใบพัดโรเตอร์ จำเป็นต้องเปลี่ยนความเร็วที่สารมวลรวมชนกับอนุภาคอื่น ๆ เมื่อพวกมันไม่เสถียรเพียงพอในขั้นตอนการแข็งตัวของเลือดด้วยการใช้ CFD และความเร็วในการหมุนที่ต่ำกว่าประมาณ 15 รอบต่อนาที วาดาศรุกไกและ Gagnon11 จึงสามารถบรรลุค่า G สำหรับการตกตะกอนด้วยใบมีดทรงกรวย จึงช่วยลดการใช้พลังงานเพื่อความปั่นป่วนได้อย่างไรก็ตาม การทำงานที่มีค่า G สูงกว่าอาจนำไปสู่การจับตัวเป็นก้อนพวกเขาได้ตรวจสอบผลกระทบของความเร็วในการผสมต่อการหาความลาดชันของความเร็วเฉลี่ยของเครื่องตกตะกอนแบบพายนำร่องพวกมันหมุนด้วยความเร็วมากกว่า 5 รอบต่อนาที
Korpijärvi, Ahlstedt12 ใช้แบบจำลองความปั่นป่วนที่แตกต่างกันสี่แบบเพื่อศึกษาสนามการไหลบนแท่นทดสอบถังพวกเขาวัดสนามการไหลด้วยเครื่องวัดความเร็วลมแบบเลเซอร์ดอปเปลอร์และ PIV และเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่คำนวณได้กับผลลัพธ์ที่วัดได้de Oliveira และ Donadel13 ได้เสนอวิธีการทางเลือกในการประมาณค่าการไล่ระดับความเร็วจากคุณสมบัติทางอุทกพลศาสตร์โดยใช้ CFDวิธีการที่นำเสนอได้รับการทดสอบกับหน่วยการจับกลุ่มหกหน่วยโดยใช้เรขาคณิตแบบขดลวดประเมินผลกระทบของเวลาการเก็บรักษาต่อการจับตัวเป็นก้อนและเสนอแบบจำลองการจับตัวเป็นก้อนที่สามารถใช้เป็นเครื่องมือในการสนับสนุนการออกแบบเซลล์เหตุผลที่มีเวลาการเก็บรักษาต่ำZhan, You15 เสนอแบบจำลองความสมดุลของ CFD และประชากรเพื่อจำลองลักษณะการไหลและพฤติกรรมของตะกอนในการจับตัวเป็นก้อนเต็มรูปแบบLlano-Serna, Coral-Portillo16 ได้ตรวจสอบลักษณะการไหลของไฮโดรโฟลคคูเลเตอร์ชนิด Cox ในโรงบำบัดน้ำในเมือง Viterbo ประเทศโคลอมเบียแม้ว่า CFD จะมีข้อดี แต่ก็ยังมีข้อจำกัด เช่น ข้อผิดพลาดด้านตัวเลขในการคำนวณดังนั้น ผลลัพธ์เชิงตัวเลขใดๆ ที่ได้รับควรได้รับการตรวจสอบและวิเคราะห์อย่างรอบคอบเพื่อที่จะได้ข้อสรุปที่สำคัญ17มีการศึกษาเพียงไม่กี่งานในวรรณคดีเกี่ยวกับการออกแบบเครื่องตกตะกอนแบบแผ่นกั้นแนวนอน ในขณะที่คำแนะนำสำหรับการออกแบบเครื่องตกตะกอนแบบอุทกพลศาสตร์นั้นมีจำกัดChen, Liao19 ใช้การตั้งค่าการทดลองโดยอาศัยการกระเจิงของแสงโพลาไรซ์เพื่อวัดสถานะโพลาไรเซชันของแสงที่กระเจิงจากแต่ละอนุภาคFeng, Zhang20 ใช้ Ansys-Fluent เพื่อจำลองการกระจายตัวของกระแสน้ำวนและการหมุนวนในสนามการไหลของเครื่องตกตะกอนแผ่นจับตัวเป็นก้อนและตัวตกตะกอนระหว่างกระดาษลูกฟูกหลังจากจำลองการไหลของของเหลวที่ปั่นป่วนในตัวจับตะกอนโดยใช้ Ansys-Fluent แล้ว Gavi21 ก็ใช้ผลลัพธ์ในการออกแบบตัวจับตะกอนVaneli และ Teixeira รายงานว่าความสัมพันธ์ระหว่างพลศาสตร์ของไหลของเครื่องตกตะกอนท่อเกลียวและกระบวนการตกตะกอนยังคงเป็นที่เข้าใจได้ไม่ดีนักในการสนับสนุนการออกแบบที่มีเหตุผลde Oliveira และ Costa Teixeira23 ศึกษาประสิทธิภาพและสาธิตคุณสมบัติทางอุทกพลศาสตร์ของตัวจับตะกอนท่อเกลียวผ่านการทดลองทางฟิสิกส์และการจำลอง CFDนักวิจัยหลายคนได้ศึกษาเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อขดหรือเครื่องตกตะกอนแบบท่อขดอย่างไรก็ตาม ข้อมูลอุทกพลศาสตร์โดยละเอียดเกี่ยวกับการตอบสนองของเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ต่อการออกแบบและสภาวะการทำงานต่างๆ ยังขาดอยู่ (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25)Oliveira และ Teixeira26 นำเสนอผลลัพธ์ต้นฉบับจากการจำลองทางทฤษฎี การทดลอง และ CFD ของเครื่องตกตะกอนแบบเกลียวOliveira และ Teixeira27 เสนอให้ใช้ขดลวดเกลียวเป็นเครื่องปฏิกรณ์การแข็งตัว-การจับตัวเป็นก้อนร่วมกับระบบขวดเหล้าแบบธรรมดาพวกเขารายงานว่าผลลัพธ์ที่ได้รับสำหรับประสิทธิภาพการกำจัดความขุ่นแตกต่างอย่างมากจากผลลัพธ์ที่ได้รับจากแบบจำลองที่ใช้กันทั่วไปในการประเมินการจับตัวเป็นก้อน โดยแนะนำข้อควรระวังเมื่อใช้แบบจำลองดังกล่าวMoruzzi และ de Oliveira [28] จำลองพฤติกรรมของระบบห้องจับตัวเป็นก้อนต่อเนื่องภายใต้สภาวะการทำงานต่างๆ รวมถึงการแปรผันของจำนวนห้องที่ใช้และการใช้การไล่ระดับความเร็วของเซลล์คงที่หรือปรับขนาดได้ร่มโพธิ์, เลอ เมน29 การวัด PIV ของความเร็วชั่วขณะในเครื่องทำความสะอาดแบบเจ็ทเสมือนสองมิติพวกเขาพบการไหลเวียนที่เกิดจากเจ็ทที่แข็งแกร่งในเขตการจับตัวเป็นก้อนและประเมินอัตราการเฉือนเฉพาะจุดและทันที
Shah, Joshi30 รายงานว่า CFD นำเสนอทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับการปรับปรุงการออกแบบและรับลักษณะการไหลเสมือนจริงซึ่งจะช่วยหลีกเลี่ยงการตั้งค่าการทดลองที่กว้างขวางCFD ถูกนำมาใช้มากขึ้นในการวิเคราะห์น้ำและโรงบำบัดน้ำเสีย (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35)ผู้วิจัยหลายคนได้ทำการทดลองกับอุปกรณ์ทดสอบกระป๋อง (บริดจ์แมน, เจฟเฟอร์สัน36; บริดจ์แมน, เจฟเฟอร์สัน5; จาร์วิส, เจฟเฟอร์สัน6; วัง, Wu34) และเครื่องตกตะกอนแบบแผ่นพรุน31คนอื่นๆ ใช้ CFD เพื่อประเมินไฮโดรโฟลคคูเลเตอร์ (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37)Ghawi21 รายงานว่าเครื่องตกตะกอนเชิงกลจำเป็นต้องได้รับการบำรุงรักษาเป็นประจำ เนื่องจากมักจะพังและต้องใช้ไฟฟ้าจำนวนมาก
ประสิทธิภาพของเครื่องตกตะกอนแบบพายนั้นขึ้นอยู่กับอุทกพลศาสตร์ของอ่างเก็บน้ำเป็นอย่างมากการขาดความเข้าใจเชิงปริมาณของสนามความเร็วการไหลในตัวจับตะกอนดังกล่าวนั้นถูกบันทึกไว้อย่างชัดเจนในวรรณกรรม (Howe, Hand38; Hendricks39)มวลน้ำทั้งหมดขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของใบพัดจับตะกอน ดังนั้นจึงคาดว่าจะเกิดการลื่นไถลโดยปกติแล้ว ความเร็วของของไหลจะน้อยกว่าความเร็วของใบพัดด้วยค่าสลิปแฟกเตอร์ k ซึ่งกำหนดเป็นอัตราส่วนของความเร็วของตัวน้ำต่อความเร็วของล้อพายBhole40 รายงานว่ามีปัจจัยที่ไม่ทราบสามประการที่ต้องพิจารณาเมื่อออกแบบเครื่องตกตะกอน ได้แก่ การไล่ระดับความเร็ว ค่าสัมประสิทธิ์การลาก และความเร็วสัมพัทธ์ของน้ำที่สัมพันธ์กับใบพัด
Camp41 รายงานว่าเมื่อพิจารณาเครื่องจักรความเร็วสูง ความเร็วจะอยู่ที่ประมาณ 24% ของความเร็วโรเตอร์ และสูงถึง 32% สำหรับเครื่องจักรความเร็วต่ำในกรณีที่ไม่มีเซปต้า Droste และ Ger42 จะใช้ค่า ak เท่ากับ 0.25 ในขณะที่ในกรณีของเซปต้า ค่า k อยู่ระหว่าง 0 ถึง 0.15Howe, Hand38 แนะนำว่า k อยู่ในช่วง 0.2 ถึง 0.3Hendrix39 เชื่อมโยงปัจจัยสลิปกับความเร็วในการหมุนโดยใช้สูตรเชิงประจักษ์ และสรุปว่าปัจจัยสลิปยังอยู่ในช่วงที่กำหนดโดย Camp41 เช่นกันBratby43 รายงานว่า k มีค่าประมาณ 0.2 สำหรับความเร็วใบพัดตั้งแต่ 1.8 ถึง 5.4 รอบต่อนาที และเพิ่มเป็น 0.35 สำหรับความเร็วใบพัดตั้งแต่ 0.9 ถึง 3 รอบต่อนาทีนักวิจัยคนอื่นรายงานค่าสัมประสิทธิ์การลาก (Cd) ที่หลากหลายตั้งแต่ 1.0 ถึง 1.8 และค่าสัมประสิทธิ์การลื่น k จาก 0.25 ถึง 0.40 (Feir และ Geyer44; Hyde และ Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; และ Bratby และ Marais48 ).วรรณกรรมไม่ได้แสดงความก้าวหน้าที่สำคัญในการกำหนดและหาปริมาณ k ตั้งแต่งานของ Camp41
กระบวนการจับตัวเป็นก้อนจะขึ้นอยู่กับความปั่นป่วนเพื่อให้เกิดการชนกันมากขึ้น โดยจะใช้การไล่ระดับความเร็ว (G) เพื่อวัดความปั่นป่วน/การจับตัวเป็นก้อนการผสมคือกระบวนการกระจายสารเคมีในน้ำอย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอระดับของการผสมวัดจากการไล่ระดับความเร็ว:
โดยที่ G = การไล่ระดับความเร็ว (sec-1), P = กำลังไฟฟ้าเข้า (W), V = ปริมาตรของน้ำ (m3), μ = ความหนืดไดนามิก (Pa · s)
ยิ่งค่า G สูงก็ยิ่งผสมมากขึ้นการผสมอย่างละเอียดเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่ามีการแข็งตัวสม่ำเสมอเอกสารระบุว่าพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญที่สุดคือเวลาผสม (t) และการไล่ระดับความเร็ว (G)กระบวนการจับตัวเป็นก้อนจะขึ้นอยู่กับความปั่นป่วนเพื่อให้เกิดการชนกันมากขึ้น โดยจะใช้การไล่ระดับความเร็ว (G) เพื่อวัดความปั่นป่วน/การจับตัวเป็นก้อนค่าการออกแบบโดยทั่วไปสำหรับ G คือ 20 ถึง 70 s–1, t คือ 15 ถึง 30 นาที และ Gt (ไร้มิติ) คือ 104 ถึง 105 ถังผสมแบบเร็วทำงานได้ดีที่สุดโดยมีค่า G 700 ถึง 1,000 โดยมีเวลาคงอยู่ ประมาณ 2 นาที
โดยที่ P คือกำลังที่จ่ายให้กับของเหลวโดยใบมีดตกตะกอนแต่ละอัน N คือความเร็วในการหมุน b คือความยาวของใบมีด ρ คือความหนาแน่นของน้ำ r คือรัศมี และ k คือสัมประสิทธิ์สลิปสมการนี้ใช้กับใบมีดแต่ละใบแยกกัน และผลลัพธ์จะถูกสรุปเพื่อให้กำลังไฟฟ้ารวมของตัวจับตะกอนการศึกษาสมการนี้อย่างละเอียดแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของสลิปแฟกเตอร์ k ในกระบวนการออกแบบเครื่องตกตะกอนแบบพายวรรณกรรมไม่ได้ระบุค่าที่แน่นอนของ k แต่แนะนำช่วงตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้แทนอย่างไรก็ตาม ความสัมพันธ์ระหว่างกำลัง P และค่าสัมประสิทธิ์สลิป k คือลูกบาศก์ดังนั้น โดยมีเงื่อนไขว่าพารามิเตอร์ทั้งหมดเหมือนกัน เช่น การเปลี่ยน k จาก 0.25 เป็น 0.3 จะทำให้กำลังที่ส่งไปยังของไหลต่อเบลดลดลงประมาณ 20% และการลด k จาก 0.25 เป็น 0.18 จะเพิ่มค่าของเธอประมาณ 27-30% ต่อใบพัด กำลังที่จ่ายให้กับของไหลท้ายที่สุดแล้ว ผลกระทบของ k ต่อการออกแบบเครื่องตกตะกอนแบบพายอย่างยั่งยืนนั้นจำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบผ่านการหาปริมาณทางเทคนิค
การหาปริมาณการเลื่อนไหลเชิงประจักษ์ที่แม่นยำจำเป็นต้องมีการแสดงภาพและการจำลองการไหลดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องอธิบายความเร็วในแนวสัมผัสของใบมีดในน้ำที่ความเร็วการหมุนที่แน่นอนที่ระยะรัศมีที่แตกต่างกันจากเพลาและที่ความลึกต่างกันจากผิวน้ำ เพื่อประเมินผลกระทบของตำแหน่งใบมีดที่แตกต่างกัน
ในการศึกษานี้ อุทกพลศาสตร์ของการตกตะกอนได้รับการประเมินโดยการตรวจสอบเชิงทดลองและเชิงตัวเลขของสนามความเร็วการไหลแบบปั่นป่วนในเครื่องตกตะกอนแบบพายในระดับห้องปฏิบัติการการวัดค่า PIV จะถูกบันทึกไว้บนเครื่องจับตะกอน ซึ่งจะสร้างรูปทรงความเร็วเฉลี่ยตามเวลาที่แสดงความเร็วของอนุภาคน้ำรอบๆ ใบไม้นอกจากนี้ ANSYS-Fluent CFD ยังถูกใช้เพื่อจำลองการไหลแบบหมุนวนภายในตัวจับตะกอน และสร้างโครงร่างความเร็วเฉลี่ยตามเวลาแบบจำลอง CFD ผลลัพธ์ได้รับการยืนยันโดยการประเมินความสอดคล้องระหว่างผลลัพธ์ PIV และ CFDจุดเน้นของงานนี้อยู่ที่การหาปริมาณค่าสัมประสิทธิ์สลิป k ซึ่งเป็นพารามิเตอร์การออกแบบไร้มิติของเครื่องตกตะกอนแบบพายงานที่นำเสนอนี้เป็นพื้นฐานใหม่สำหรับการหาปริมาณค่าสัมประสิทธิ์สลิป k ที่ความเร็วต่ำ 3 รอบต่อนาทีและ 4 รอบต่อนาทีความหมายของผลลัพธ์มีส่วนโดยตรงต่อความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับอุทกพลศาสตร์ของถังจับตะกอน
เครื่องตกตะกอนในห้องปฏิบัติการประกอบด้วยกล่องสี่เหลี่ยมเปิดด้านบนที่มีความสูงโดยรวม 147 ซม. สูง 39 ซม. ความกว้างโดยรวม 118 ซม. และความยาวโดยรวม 138 ซม. (รูปที่ 1)เกณฑ์การออกแบบหลักที่พัฒนาโดย Camp49 ถูกนำมาใช้เพื่อออกแบบเครื่องตกตะกอนแบบพายขนาดห้องปฏิบัติการ และใช้หลักการวิเคราะห์มิติสถานที่ทดลองแห่งนี้สร้างขึ้นที่ห้องปฏิบัติการวิศวกรรมสิ่งแวดล้อมของมหาวิทยาลัยเลบานอนอเมริกัน (ไบบลอส ประเทศเลบานอน)
แกนนอนอยู่ที่ความสูง 60 ซม. จากด้านล่าง และรองรับล้อพายได้ 2 ล้อล้อพายแต่ละอันประกอบด้วยไม้พาย 4 อัน โดยแต่ละอันจะมีไม้พาย 3 อัน รวมเป็น 12 อันการตกตะกอนต้องใช้การกวนเบาๆ ที่ความเร็วต่ำ 2 ถึง 6 รอบต่อนาทีความเร็วในการผสมที่พบบ่อยที่สุดในเครื่องตกตะกอนคือ 3 รอบต่อนาทีและ 4 รอบต่อนาทีการไหลของเครื่องตกตะกอนในระดับห้องปฏิบัติการได้รับการออกแบบเพื่อแสดงการไหลในช่องถังจับตะกอนของโรงบำบัดน้ำดื่มกำลังคำนวณโดยใช้สมการดั้งเดิม 42 .สำหรับความเร็วการหมุนทั้งสอง ความเร็วเกรเดียนต์ \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) มากกว่า 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) ตัวเลขเรย์โนลด์สบ่งชี้การไหลเชี่ยว (ตารางที่ 1)
PIV ใช้เพื่อให้ได้การวัดเวกเตอร์ความเร็วของเหลวที่แม่นยำและเชิงปริมาณพร้อมกันที่จุดจำนวนมาก50การตั้งค่าการทดลองประกอบด้วยเครื่องตกตะกอนแบบพายระดับห้องปฏิบัติการ ระบบ LaVision PIV (2017) และทริกเกอร์เซ็นเซอร์เลเซอร์ภายนอก Arduinoในการสร้างโปรไฟล์ความเร็วเฉลี่ยตามเวลา ภาพ PIV จะถูกบันทึกตามลำดับที่ตำแหน่งเดียวกันระบบ PIV ได้รับการปรับเทียบเพื่อให้พื้นที่เป้าหมายอยู่ที่จุดกึ่งกลางของความยาวของใบพัดทั้งสามใบของแขนพายเฉพาะทริกเกอร์ภายนอกประกอบด้วยเลเซอร์ที่อยู่ด้านหนึ่งของความกว้างของตัวจับตะกอนและตัวรับเซ็นเซอร์ที่อีกด้านหนึ่งแต่ละครั้งที่แขนจับตะกอนปิดกั้นเส้นทางเลเซอร์ สัญญาณจะถูกส่งไปยังระบบ PIV เพื่อจับภาพด้วยเลเซอร์ PIV และกล้องที่ซิงโครไนซ์กับหน่วยจับเวลาที่ตั้งโปรแกรมได้บนรูปรูปที่ 2 แสดงการติดตั้งระบบ PIV และกระบวนการรับภาพ
การบันทึก PIV เริ่มต้นขึ้นหลังจากใช้งาน flocculator เป็นเวลา 5-10 นาทีเพื่อทำให้การไหลเป็นปกติและคำนึงถึงฟิลด์ดัชนีการหักเหของแสงเดียวกันการสอบเทียบทำได้โดยใช้แผ่นสอบเทียบที่แช่อยู่ในเครื่องจับตะกอนและวางไว้ที่จุดกึ่งกลางของความยาวของใบมีดที่สนใจปรับตำแหน่งของเลเซอร์ PIV เพื่อสร้างแผ่นแสงเรียบเหนือแผ่นปรับเทียบบันทึกค่าที่วัดได้สำหรับความเร็วการหมุนแต่ละใบของใบมีดแต่ละใบและความเร็วการหมุนที่เลือกสำหรับการทดลองคือ 3 รอบต่อนาที และ 4 รอบต่อนาที
สำหรับการบันทึก PIV ทั้งหมด ช่วงเวลาระหว่างเลเซอร์พัลส์สองตัวถูกตั้งค่าในช่วงตั้งแต่ 6900 ถึง 7700 µs ซึ่งอนุญาตให้มีการกระจัดของอนุภาคขั้นต่ำ 5 พิกเซลมีการทดสอบนำร่องกับจำนวนภาพที่ต้องใช้เพื่อให้ได้การวัดตามเวลาเฉลี่ยที่แม่นยำสถิติเวกเตอร์ถูกเปรียบเทียบสำหรับตัวอย่างที่มีรูปภาพ 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240 และ 280 ภาพพบว่าขนาดตัวอย่าง 240 ภาพให้ผลลัพธ์ตามเวลาเฉลี่ยที่เสถียร เนื่องจากแต่ละภาพประกอบด้วยสองเฟรม
เนื่องจากการไหลในเครื่องตกตะกอนเป็นแบบปั่นป่วน จึงจำเป็นต้องใช้หน้าต่างการสอบปากคำขนาดเล็กและอนุภาคจำนวนมากเพื่อแก้ไขโครงสร้างขนาดเล็กที่ปั่นป่วนการลดขนาดซ้ำหลายครั้งจะถูกนำมาใช้พร้อมกับอัลกอริธึมความสัมพันธ์ข้ามเพื่อให้แน่ใจว่ามีความแม่นยำขนาดหน้าต่างการโพลเริ่มต้นที่ 48 × 48 พิกเซลที่มีการทับซ้อนกัน 50% และกระบวนการปรับตัวหนึ่งกระบวนการ ตามด้วยขนาดหน้าต่างการโพลสุดท้ายที่ 32 × 32 พิกเซลที่มีการทับซ้อนกัน 100% และกระบวนการปรับตัวสองกระบวนการนอกจากนี้ ทรงกลมกลวงแก้วยังถูกใช้เป็นอนุภาคเมล็ดพืชในการไหล ซึ่งอนุญาตให้มีอนุภาคอย่างน้อย 10 ตัวต่อหน้าต่างการเลือกตั้งการบันทึก PIV จะถูกกระตุ้นโดยแหล่งทริกเกอร์ใน Programmable Timing Unit (PTU) ซึ่งมีหน้าที่รับผิดชอบในการใช้งานและการซิงโครไนซ์แหล่งกำเนิดเลเซอร์และกล้อง
แพ็คเกจ CFD เชิงพาณิชย์ ANSYS Fluent v 19.1 ถูกนำมาใช้เพื่อพัฒนาโมเดล 3 มิติและแก้สมการโฟลว์พื้นฐาน
ด้วยการใช้ ANSYS-Fluent จึงมีการสร้างแบบจำลอง 3 มิติของเครื่องตกตะกอนแบบพายในระดับห้องปฏิบัติการแบบจำลองนี้จัดทำขึ้นในรูปแบบกล่องสี่เหลี่ยมประกอบด้วยล้อพาย 2 ล้อที่ติดตั้งอยู่บนแกนนอนเหมือนกับแบบจำลองในห้องปฏิบัติการรุ่นที่ไม่มีฟรีบอร์ดสูง 108 ซม. กว้าง 118 ซม. และยาว 138 ซม.มีการเพิ่มระนาบทรงกระบอกแนวนอนรอบๆ เครื่องผสมการสร้างระนาบทรงกระบอกควรใช้การหมุนของเครื่องผสมทั้งหมดในระหว่างขั้นตอนการติดตั้ง และจำลองสนามการไหลแบบหมุนภายในตัวจับตะกอน ดังแสดงในรูปที่ 3a
แผนภาพเรขาคณิต ANSYS คล่องแคล่วและแบบจำลอง 3 มิติ, ตัวจับตะกอนแบบ ANSYS คล่องแคล่วบนระนาบที่สนใจ, แผนภาพ ANSYS คล่องแคล่วบนระนาบที่สนใจ
เรขาคณิตของแบบจำลองประกอบด้วยสองส่วน โดยแต่ละส่วนเป็นของไหลสามารถทำได้โดยใช้ฟังก์ชันการลบแบบลอจิคัลขั้นแรกให้ลบทรงกระบอก (รวมถึงเครื่องผสม) ออกจากกล่องเพื่อแสดงของเหลวจากนั้นลบเครื่องผสมออกจากกระบอกสูบ ทำให้เกิดวัตถุสองชิ้น: เครื่องผสมและของเหลวในที่สุด มีการใช้ส่วนต่อประสานแบบเลื่อนระหว่างสองส่วน: ส่วนต่อประสานระหว่างกระบอกสูบและกระบอกสูบ และส่วนต่อประสานระหว่างเครื่องผสมและกระบอกสูบ (รูปที่ 3a)
การประสานแบบจำลองที่สร้างขึ้นเสร็จสมบูรณ์แล้วเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของแบบจำลองความปั่นป่วนที่จะใช้ในการจำลองเชิงตัวเลขใช้ตาข่ายที่ไม่มีโครงสร้างซึ่งมีชั้นขยายใกล้กับพื้นผิวแข็งสร้างเลเยอร์ส่วนขยายสำหรับผนังทั้งหมดด้วยอัตราการเติบโต 1.2 เพื่อให้แน่ใจว่ารูปแบบการไหลที่ซับซ้อนจะถูกบันทึก โดยมีความหนาของชั้นแรก \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m เพื่อให้แน่ใจว่า \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).ขนาดของร่างกายจะถูกปรับขนาดโดยใช้วิธีฟิตติ้งจัตุรมุขขนาดด้านหน้าของสองอินเทอร์เฟซที่มีขนาดองค์ประกอบ 2.5 × \({10}^{-3}\) m ถูกสร้างขึ้น และขนาดด้านหน้าตัวผสม 9 × \({10}^{-3}\ ) ม. ถูกนำไปใช้ตาข่ายที่สร้างขึ้นครั้งแรกประกอบด้วยองค์ประกอบ 2144409 (รูปที่ 3b)
เลือกแบบจำลองความปั่นป่วน k – ε สองพารามิเตอร์เป็นแบบจำลองพื้นฐานเริ่มต้นเพื่อจำลองการไหลแบบหมุนวนภายในตัวจับตะกอนอย่างแม่นยำ จึงได้เลือกแบบจำลองที่มีราคาแพงกว่าในการคำนวณตรวจสอบการไหลแบบหมุนวนอย่างปั่นป่วนภายในตัวจับตะกอนได้รับการตรวจสอบเชิงตัวเลขโดยใช้แบบจำลอง CFD สองรุ่น: SST k – ω51 และ IDDES52ผลลัพธ์ของทั้งสองแบบจำลองถูกนำมาเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ PIV เชิงทดลองเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองประการแรก แบบจำลองความปั่นป่วน SST k-ω เป็นแบบจำลองความหนืดปั่นป่วนสมการสองสมการสำหรับการใช้งานด้านพลศาสตร์ของไหลนี่คือรุ่นไฮบริดที่รวมรุ่น Wilcox k-ω และ k-εฟังก์ชันการผสมจะเปิดใช้งานแบบจำลอง Wilcox ใกล้ผนังและแบบจำลอง k-ε ในการไหลที่กำลังจะมาถึงเพื่อให้แน่ใจว่ามีการใช้แบบจำลองที่ถูกต้องตลอดทั้งฟิลด์โฟลว์สามารถคาดการณ์การแยกกระแสได้อย่างแม่นยำเนื่องจากการไล่ระดับแรงดันที่ไม่พึงประสงค์ประการที่สอง เลือกวิธีการจำลอง Eddy Eddy ขั้นสูง (IDDES) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในแบบจำลอง Individual Eddy Simulation (DES) พร้อมด้วยแบบจำลอง SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)IDDES เป็นโมเดล RANS-LES แบบไฮบริด (การจำลองวนขนาดใหญ่) ที่ให้แบบจำลองการจำลองการปรับขนาดความละเอียด (SRS) ที่ยืดหยุ่นและใช้งานง่ายยิ่งขึ้นมันใช้โมเดล LES เพื่อแก้ไขกระแสวนขนาดใหญ่และเปลี่ยนกลับเป็น SST k-ω เพื่อจำลองกระแสวนขนาดเล็กการวิเคราะห์ทางสถิติของผลลัพธ์จากการจำลอง SST k – ω และ IDDES ถูกเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ PIV เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลอง
เลือกแบบจำลองความปั่นป่วน k – ε สองพารามิเตอร์เป็นแบบจำลองพื้นฐานเริ่มต้นเพื่อจำลองการไหลแบบหมุนวนภายในตัวจับตะกอนอย่างแม่นยำ จึงได้เลือกแบบจำลองที่มีราคาแพงกว่าในการคำนวณตรวจสอบการไหลแบบหมุนวนอย่างปั่นป่วนภายในตัวจับตะกอนได้รับการตรวจสอบเชิงตัวเลขโดยใช้แบบจำลอง CFD สองรุ่น: SST k – ω51 และ IDDES52ผลลัพธ์ของทั้งสองแบบจำลองถูกนำมาเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ PIV เชิงทดลองเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองประการแรก แบบจำลองความปั่นป่วน SST k-ω เป็นแบบจำลองความหนืดปั่นป่วนสมการสองสมการสำหรับการใช้งานด้านพลศาสตร์ของไหลนี่คือรุ่นไฮบริดที่รวมรุ่น Wilcox k-ω และ k-εฟังก์ชันการผสมจะเปิดใช้งานแบบจำลอง Wilcox ใกล้ผนังและแบบจำลอง k-ε ในการไหลที่กำลังจะมาถึงเพื่อให้แน่ใจว่ามีการใช้แบบจำลองที่ถูกต้องตลอดทั้งฟิลด์โฟลว์สามารถคาดการณ์การแยกกระแสได้อย่างแม่นยำเนื่องจากการไล่ระดับแรงดันที่ไม่พึงประสงค์ประการที่สอง เลือกวิธีการจำลอง Eddy Eddy ขั้นสูง (IDDES) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในแบบจำลอง Individual Eddy Simulation (DES) พร้อมด้วยแบบจำลอง SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)IDDES เป็นโมเดล RANS-LES แบบไฮบริด (การจำลองวนขนาดใหญ่) ที่ให้แบบจำลองการจำลองการปรับขนาดความละเอียด (SRS) ที่ยืดหยุ่นและใช้งานง่ายยิ่งขึ้นมันใช้โมเดล LES เพื่อแก้ไขกระแสวนขนาดใหญ่และเปลี่ยนกลับเป็น SST k-ω เพื่อจำลองกระแสวนขนาดเล็กการวิเคราะห์ทางสถิติของผลลัพธ์จากการจำลอง SST k – ω และ IDDES ถูกเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ PIV เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลอง
ใช้ตัวแก้ปัญหาชั่วคราวแบบอิงความดัน และใช้แรงโน้มถ่วงในทิศทาง Yการหมุนทำได้โดยการกำหนดการเคลื่อนที่แบบตาข่ายให้กับเครื่องผสม โดยที่จุดกำเนิดของแกนการหมุนอยู่ที่ศูนย์กลางของแกนนอน และทิศทางของแกนการหมุนอยู่ในทิศทาง Zอินเทอร์เฟซแบบตาข่ายถูกสร้างขึ้นสำหรับอินเทอร์เฟซเรขาคณิตทั้งสองแบบ ส่งผลให้มีขอบกล่องขอบสองอันเช่นเดียวกับในเทคนิคการทดลอง ความเร็วในการหมุนจะสัมพันธ์กับการปฏิวัติ 3 และ 4 รอบ
เงื่อนไขขอบเขตสำหรับผนังของเครื่องผสมและตัวจับตะกอนถูกกำหนดไว้ที่ผนัง และช่องเปิดด้านบนของตัวจับตะกอนถูกตั้งค่าโดยทางออกที่มีแรงดันเป็นศูนย์ (รูปที่ 3c)รูปแบบการสื่อสารความเร็วความดันอย่างง่าย การแยกสเปซเกรเดียนต์ของฟังก์ชันลำดับที่สองด้วยพารามิเตอร์ทั้งหมดตามองค์ประกอบกำลังสองน้อยที่สุดเกณฑ์การลู่เข้าสำหรับตัวแปรโฟลว์ทั้งหมดคือค่าคงเหลือที่ปรับขนาดแล้ว 1 x \({10}^{-3}\)จำนวนการวนซ้ำสูงสุดต่อขั้นตอนเวลาคือ 20 และขนาดขั้นตอนเวลาสอดคล้องกับการหมุน 0.5°วิธีแก้ปัญหาจะมาบรรจบกันที่การวนซ้ำครั้งที่ 8 สำหรับโมเดล SST k–ω และในการวนซ้ำครั้งที่ 12 โดยใช้ IDDESนอกจากนี้ ยังคำนวณจำนวนขั้นตอนของเวลาเพื่อให้เครื่องผสมทำอย่างน้อย 12 รอบใช้การสุ่มตัวอย่างข้อมูลสำหรับสถิติเวลาหลังการหมุน 3 รอบ ซึ่งช่วยให้การไหลเป็นมาตรฐาน คล้ายกับขั้นตอนการทดลองการเปรียบเทียบเอาท์พุตของลูปความเร็วสำหรับการปฏิวัติแต่ละครั้งจะให้ผลลัพธ์ที่เหมือนกันทุกประการสำหรับการปฏิวัติสี่ครั้งล่าสุด ซึ่งบ่งชี้ว่าถึงสถานะคงที่แล้วรอบพิเศษไม่ได้ปรับปรุงรูปทรงความเร็วปานกลาง
ขั้นตอนเวลาถูกกำหนดโดยสัมพันธ์กับความเร็วในการหมุน 3 รอบต่อนาทีหรือ 4 รอบต่อนาทีขั้นตอนเวลาได้รับการปรับแต่งเป็นเวลาที่ต้องใช้ในการหมุนเครื่องผสม 0.5°ปรากฎว่าเพียงพอแล้ว เนื่องจากโซลูชันมาบรรจบกันอย่างง่ายดาย ดังที่อธิบายไว้ในส่วนก่อนหน้าดังนั้น การคำนวณเชิงตัวเลขทั้งหมดสำหรับแบบจำลองความปั่นป่วนทั้งสองจึงดำเนินการโดยใช้ขั้นตอนเวลาที่แก้ไขที่ 0.02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) เป็นเวลา 3 รอบต่อนาที 0.0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 รอบต่อนาทีสำหรับขั้นตอนเวลาการปรับปรุงที่กำหนด หมายเลข Courant ของเซลล์จะน้อยกว่า 1.0 เสมอ
ในการสำรวจการพึ่งพาโมเดล-เมช ผลลัพธ์จะได้รับครั้งแรกโดยใช้เมช 2.14M ดั้งเดิม จากนั้นจึงใช้เมช 2.88M ที่ได้รับการปรับปรุงการปรับแต่งกริดทำได้โดยการลดขนาดเซลล์ของตัวเครื่องผสมจาก 9 × \({10}^{-3}\) m เป็น 7 × \({10}^{-3}\) mสำหรับตาข่ายดั้งเดิมและตาข่ายที่ผ่านการขัดเกลาของความปั่นป่วนทั้งสองรุ่น จะมีการเปรียบเทียบค่าเฉลี่ยของโมดูลความเร็วในสถานที่ต่าง ๆ รอบใบมีดเปอร์เซ็นต์ความแตกต่างระหว่างผลลัพธ์คือ 1.73% สำหรับโมเดล SST k – ω และ 3.51% สำหรับโมเดล IDDESIDDES แสดงเปอร์เซ็นต์ความแตกต่างที่สูงกว่าเนื่องจากเป็นโมเดล RANS-LES แบบไฮบริดความแตกต่างเหล่านี้ถือว่าไม่มีนัยสำคัญ ดังนั้นการจำลองจึงดำเนินการโดยใช้ตาข่ายดั้งเดิมที่มีองค์ประกอบ 2.14 ล้านองค์ประกอบและขั้นตอนเวลาในการหมุนที่ 0.5°
มีการตรวจสอบความสามารถในการทำซ้ำของผลการทดลองโดยทำการทดลองทั้งหกครั้งเป็นครั้งที่สองและเปรียบเทียบผลลัพธ์เปรียบเทียบค่าความเร็วที่กึ่งกลางของใบมีดในการทดลองสองชุดเปอร์เซ็นต์ความแตกต่างโดยเฉลี่ยระหว่างสองกลุ่มทดสอบคือ 3.1%ระบบ PIV ยังได้รับการปรับเทียบใหม่อย่างอิสระสำหรับการทดลองแต่ละครั้งเปรียบเทียบความเร็วที่คำนวณเชิงวิเคราะห์ที่ศูนย์กลางของแต่ละเบลดกับความเร็ว PIV ที่ตำแหน่งเดียวกันการเปรียบเทียบนี้แสดงความแตกต่างโดยมีเปอร์เซ็นต์ความคลาดเคลื่อนสูงสุด 6.5% สำหรับเบลด 1
ก่อนที่จะหาปริมาณค่าสลิปแฟคเตอร์ จำเป็นต้องเข้าใจแนวคิดเรื่องการลื่นในเครื่องตกตะกอนตามหลักวิทยาศาสตร์ ซึ่งต้องศึกษาโครงสร้างการไหลรอบๆ ไม้พายของเครื่องจับตะกอนตามแนวคิดแล้ว ค่าสัมประสิทธิ์การลื่นถูกสร้างไว้ในการออกแบบตัวจับตะกอนแบบพายเพื่อคำนึงถึงความเร็วของใบพัดที่สัมพันธ์กับน้ำเอกสารแนะนำว่าความเร็วนี้คือ 75% ของความเร็วเบลด ดังนั้นการออกแบบส่วนใหญ่มักจะใช้ ak 0.25 เพื่อพิจารณาการปรับนี้ซึ่งจำเป็นต้องใช้ความคล่องตัวของความเร็วที่ได้มาจากการทดลอง PIV เพื่อทำความเข้าใจสนามความเร็วการไหลอย่างถ่องแท้ และศึกษาสลิปนี้ใบมีด 1 คือใบมีดด้านในสุดที่อยู่ใกล้กับเพลามากที่สุด ใบมีด 3 คือใบมีดด้านนอกสุด และใบมีด 2 คือใบมีดกลาง
ความเร็วที่เพรียวบางบนใบมีด 1 แสดงการไหลหมุนรอบใบมีดโดยตรงรูปแบบการไหลเหล่านี้เล็ดลอดออกมาจากจุดทางด้านขวาของใบพัด ระหว่างโรเตอร์กับใบพัดเมื่อดูที่พื้นที่ที่ระบุโดยกล่องประสีแดงในรูปที่ 4a เป็นเรื่องน่าสนใจที่จะระบุอีกแง่มุมหนึ่งของการไหลหมุนเวียนด้านบนและรอบๆ ใบมีดการแสดงภาพการไหลแสดงการไหลเพียงเล็กน้อยเข้าสู่โซนหมุนเวียนการไหลนี้ไหลเข้ามาจากด้านขวาของใบมีดที่ความสูงประมาณ 6 ซม. จากปลายใบมีด อาจเนื่องมาจากอิทธิพลของใบมีดใบแรกของมือที่อยู่ข้างหน้าใบมีด ซึ่งมองเห็นได้ในภาพการแสดงภาพการไหลที่ 4 รอบต่อนาทีแสดงพฤติกรรมและโครงสร้างเดียวกัน ซึ่งเห็นได้ชัดด้วยความเร็วสูงกว่า
สนามความเร็วและกราฟปัจจุบันของใบพัด 3 ใบที่ความเร็วการหมุน 2 รอบคือ 3 รอบต่อนาทีและ 4 รอบต่อนาทีความเร็วเฉลี่ยสูงสุดของใบพัดทั้งสามที่ 3 รอบต่อนาทีคือ 0.15 ม./วินาที, 0.20 ม./วินาที และ 0.16 ม./วินาที ตามลำดับ และความเร็วเฉลี่ยสูงสุดที่ 4 รอบต่อนาทีคือ 0.15 ม./วินาที, 0.22 ม./วินาที และ 0.22 ม./ ตามลำดับบนสามแผ่น
พบการไหลของขดลวดอีกรูปแบบหนึ่งระหว่างใบพัด 1 และ 2 สนามเวกเตอร์แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการไหลของน้ำกำลังเคลื่อนขึ้นด้านบนจากด้านล่างของใบพัด 2 ตามที่ระบุโดยทิศทางของเวกเตอร์ดังที่แสดงโดยกล่องประในรูปที่ 4b เวกเตอร์เหล่านี้ไม่ได้เคลื่อนขึ้นในแนวตั้งจากพื้นผิวใบมีด แต่หมุนไปทางขวาแล้วค่อยๆ ลดลงมาบนพื้นผิวของใบมีด 1 เวกเตอร์ด้านล่างจะแตกต่างกัน ซึ่งเข้าใกล้ใบมีดทั้งสองและล้อมรอบพวกมันจากกระแสหมุนเวียนที่เกิดขึ้นระหว่างพวกมันโครงสร้างการไหลเดียวกันถูกกำหนดที่ความเร็วการหมุนทั้งสองด้วยแอมพลิจูดความเร็วที่สูงกว่าที่ 4 รอบต่อนาที
สนามความเร็วของเบลด 3 ไม่ได้มีส่วนสนับสนุนอย่างมีนัยสำคัญจากเวกเตอร์ความเร็วของเบลดก่อนหน้าที่เชื่อมต่อกับการไหลด้านล่างเบลด 3 การไหลหลักใต้เบลด 3 เกิดจากการเวกเตอร์ความเร็วแนวตั้งที่เพิ่มขึ้นพร้อมกับน้ำ
เวกเตอร์ความเร็วบนพื้นผิวของใบมีด 3 สามารถแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม ดังแสดงในรูปที่ 4cชุดแรกคือชุดที่ขอบด้านขวาของใบมีดโครงสร้างการไหลในตำแหน่งนี้จะตรงไปทางขวาและขึ้น (เช่น ไปทางเบลด 2)กลุ่มที่สองคือตรงกลางของใบมีดเวกเตอร์ความเร็วสำหรับตำแหน่งนี้จะพุ่งตรงขึ้นโดยไม่มีการเบี่ยงเบนและไม่มีการหมุนค่าความเร็วที่ลดลงถูกกำหนดโดยการเพิ่มความสูงเหนือปลายใบมีดสำหรับกลุ่มที่สาม ซึ่งอยู่ที่ขอบด้านซ้ายของใบพัด การไหลจะถูกส่งไปทางซ้ายทันที นั่นคือไปที่ผนังของตัวจับตะกอนการไหลส่วนใหญ่ที่แสดงโดยเวกเตอร์ความเร็วจะเพิ่มขึ้น และส่วนหนึ่งของการไหลลดลงในแนวนอน
แบบจำลองความปั่นป่วนสองแบบคือ SST k – ω และ IDDES ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างโปรไฟล์ความเร็วเฉลี่ยเวลาสำหรับ 3 รอบต่อนาทีและ 4 รอบต่อนาทีในระนาบความยาวเฉลี่ยของใบมีดดังแสดงในรูปที่ 5 สภาวะคงตัวเกิดขึ้นได้โดยการบรรลุความคล้ายคลึงกันโดยสิ้นเชิงระหว่างโครงร่างความเร็วที่สร้างขึ้นโดยการหมุนสี่รอบติดต่อกันนอกจากนี้ รูปทรงความเร็วเฉลี่ยเวลาที่สร้างโดย IDDES จะแสดงในรูปที่ 6a ในขณะที่โปรไฟล์ความเร็วเฉลี่ยเวลาที่สร้างโดย SST k – ω จะแสดงในรูปที่ 6a6ข.
การใช้ IDDES และลูปความเร็วเฉลี่ยเวลาที่สร้างโดย SST k–ω ทำให้ IDDES มีสัดส่วนของลูปความเร็วที่สูงกว่า
ตรวจสอบโปรไฟล์ความเร็วที่สร้างด้วย IDDES ที่ 3 รอบต่อนาทีอย่างระมัดระวัง ดังแสดงในรูปที่ 7 เครื่องผสมจะหมุนตามเข็มนาฬิกาและจะกล่าวถึงการไหลตามหมายเหตุที่แสดง
บนรูป7 จะเห็นได้ว่าบนพื้นผิวของใบมีด 3 ในจตุภาค I มีการแยกการไหล เนื่องจากการไหลไม่ถูกจำกัดเนื่องจากมีรูด้านบนในควอแดรนท์ที่ 2 ไม่มีการสังเกตการแยกของการไหล เนื่องจากการไหลถูกจำกัดโดยผนังของตัวจับตะกอนโดยสิ้นเชิงในจตุภาคที่ 3 น้ำจะหมุนด้วยความเร็วที่ต่ำกว่าหรือต่ำกว่าจตุภาคก่อนหน้ามากน้ำในจตุภาค I และ II ถูกย้าย (เช่น หมุนหรือผลักออก) ลงด้านล่างโดยการทำงานของเครื่องผสมและในจตุภาคที่ 3 น้ำจะถูกผลักออกโดยใบพัดของเครื่องกวนเห็นได้ชัดว่ามวลน้ำในบริเวณนี้ต้านทานการตกตะกอนที่เข้ามาใกล้การไหลแบบหมุนในจตุภาคนี้ถูกแยกออกจากกันโดยสิ้นเชิงสำหรับควอแดรนท์ที่ 4 กระแสลมส่วนใหญ่เหนือใบพัด 3 มุ่งตรงไปยังผนังตัวจับตะกอนและค่อยๆ ลดขนาดลงเมื่อความสูงเพิ่มขึ้นจนถึงช่องเปิดด้านบน
นอกจากนี้ ตำแหน่งศูนย์กลางยังมีรูปแบบการไหลที่ซับซ้อนซึ่งครอบงำควอแดรนท์ III และ IV ดังที่แสดงโดยวงรีประสีน้ำเงินพื้นที่ที่ทำเครื่องหมายไว้นี้ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับการไหลแบบหมุนวนในเครื่องตกตะกอนแบบพาย เนื่องจากสามารถระบุการเคลื่อนที่แบบหมุนได้สิ่งนี้ตรงกันข้ามกับควอแดรนท์ I และ II ซึ่งมีการแยกที่ชัดเจนระหว่างการไหลภายในและการไหลแบบหมุนเต็ม
ดังแสดงในรูปในรูปที่ 6 เมื่อเปรียบเทียบผลลัพธ์ของ IDDES และ SST k-ω ความแตกต่างหลักระหว่างรูปทรงความเร็วคือขนาดของความเร็วที่อยู่ต่ำกว่าเบลด 3 แบบจำลอง SST k-ω แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการไหลความเร็วสูงที่ขยายออกไปนั้นถูกพาโดยเบลด 3 เมื่อเทียบกับ IDDES
ความแตกต่างอีกประการหนึ่งสามารถพบได้ในจตุภาคที่ 3จาก IDDES ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ การแยกการไหลแบบหมุนระหว่างแขนจับตะกอนถูกบันทึกไว้อย่างไรก็ตาม ตำแหน่งนี้ได้รับผลกระทบอย่างมากจากการไหลความเร็วต่ำจากมุมและด้านในของใบมีดใบแรกจาก SST k–ω สำหรับตำแหน่งเดียวกัน เส้นชั้นความสูงจะแสดงความเร็วที่ค่อนข้างสูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ IDDES เนื่องจากไม่มีการไหลมาบรรจบกันจากภูมิภาคอื่น
ความเข้าใจเชิงคุณภาพเกี่ยวกับสนามเวกเตอร์ความเร็วและความคล่องตัวเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับความเข้าใจที่ถูกต้องเกี่ยวกับพฤติกรรมและโครงสร้างการไหลเนื่องจากใบมีดแต่ละใบมีความกว้าง 5 ซม. จึงเลือกจุดความเร็วเจ็ดจุดตามความกว้างเพื่อแสดงโปรไฟล์ความเร็วที่เป็นตัวแทนนอกจากนี้ จำเป็นต้องมีความเข้าใจเชิงปริมาณเกี่ยวกับขนาดของความเร็วในฐานะฟังก์ชันของความสูงเหนือพื้นผิวใบมีด โดยการวางแผนโปรไฟล์ความเร็วบนพื้นผิวใบมีดแต่ละอันโดยตรง และในระยะทางต่อเนื่อง 2.5 ซม. ในแนวตั้งจนถึงความสูง 10 ซม.ดู S1, S2 และ S3 ในรูปสำหรับข้อมูลเพิ่มเติมภาคผนวก A รูปที่ 8 แสดงความคล้ายคลึงกันของการกระจายความเร็วพื้นผิวของใบมีดแต่ละใบ (Y = 0.0) ที่ได้จากการทดลอง PIV และการวิเคราะห์ ANSYS-Fluent โดยใช้ IDDES และ SST k-ωแบบจำลองเชิงตัวเลขทั้งสองรุ่นทำให้สามารถจำลองโครงสร้างการไหลบนพื้นผิวของใบมีดจับตะกอนได้อย่างแม่นยำ
การกระจายความเร็ว PIV, IDDES และ SST k–ω บนพื้นผิวใบมีดแกน x แสดงถึงความกว้างของแต่ละแผ่นงานในหน่วยมิลลิเมตร โดยจุดเริ่มต้น (0 มม.) แสดงถึงขอบด้านซ้ายของแผ่นงาน และส่วนปลาย (50 มม.) แสดงถึงขอบด้านขวาของแผ่นงาน
จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าการกระจายความเร็วของใบพัด 2 และ 3 แสดงในรูปที่ 8 และรูปที่ 8S2 และ S3 ในภาคผนวก A แสดงแนวโน้มความสูงที่คล้ายคลึงกัน ในขณะที่เบลด 1 เปลี่ยนแปลงอย่างอิสระโปรไฟล์ความเร็วของใบมีด 2 และ 3 จะตรงอย่างสมบูรณ์และมีแอมพลิจูดเท่ากันที่ความสูง 10 ซม. จากปลายใบมีดซึ่งหมายความว่ากระแสจะสม่ำเสมอ ณ จุดนี้เห็นได้ชัดเจนจากผลลัพธ์ PIV ซึ่งได้รับการทำซ้ำอย่างดีโดย IDDESในขณะเดียวกัน ผลลัพธ์ SST k–ω แสดงความแตกต่างบางประการ โดยเฉพาะที่ 4 รอบต่อนาที
สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าใบมีด 1 จะคงรูปร่างของโปรไฟล์ความเร็วไว้เหมือนเดิมในทุกตำแหน่ง และไม่ได้ปรับความสูงให้เป็นมาตรฐาน เนื่องจากการหมุนวนที่เกิดขึ้นที่ศูนย์กลางของเครื่องผสมจะมีใบมีดแรกของแขนทั้งหมดนอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับ IDDES แล้ว โปรไฟล์ความเร็วใบมีด PIV 2 และ 3 แสดงค่าความเร็วที่สูงกว่าเล็กน้อยที่ตำแหน่งส่วนใหญ่ จนกระทั่งมีค่าเกือบเท่ากันที่ 10 ซม. เหนือพื้นผิวใบมีด
เวลาโพสต์: Dec-27-2022