Studi PIV dan CFD tabung melingkar baja tahan karat 316Ti tentang hidrodinamika flokulasi dayung pada kecepatan putaran rendah

Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Tipe 316Ti (UNS 31635) adalah baja tahan karat kromium-nikel austenitik Titanium yang distabilkan yang mengandung molibdenum.Penambahan ini meningkatkan ketahanan terhadap korosi, meningkatkan ketahanan terhadap larutan ion klorida pitting dan memberikan peningkatan kekuatan pada suhu tinggi.Sifatnya mirip dengan tipe 316 kecuali 316Ti karena penambahan Titaniumnya dapat digunakan pada suhu sensitisasi tinggi.Ketahanan korosi ditingkatkan, terutama terhadap asam sulfat, klorida, asetat, format dan tartarat, asam sulfat dan alkali klorida.

Komposisi kimia:

Properti: Anil：
Kekuatan Tarik Tertinggi: 75 KSI mnt (515 MPa mnt)
Kekuatan Hasil: (Offset 0,2%) 30 KSI mnt (205 MPa mnt)
Perpanjangan: 40% min
Kekerasan : Rb 95 maks

Slider menampilkan tiga artikel per slide.Gunakan tombol kembali dan berikutnya untuk menelusuri slide, atau tombol pengontrol slide di akhir untuk menelusuri setiap slide.
Dalam studi ini, hidrodinamika flokulasi dievaluasi melalui penyelidikan eksperimental dan numerik bidang kecepatan aliran turbulen dalam flokulator dayung skala laboratorium.Aliran turbulen yang mendorong agregasi partikel atau pemisahan flok merupakan hal yang kompleks dan dipertimbangkan serta dibandingkan dalam makalah ini menggunakan dua model turbulensi, yaitu SST k-ω dan IDDES.Hasilnya menunjukkan bahwa IDDES memberikan peningkatan yang sangat kecil terhadap SST k-ω, yang cukup untuk mensimulasikan aliran secara akurat dalam flocculator dayung.Skor fit digunakan untuk mengetahui konvergensi hasil PIV dan CFD, serta membandingkan hasil model turbulensi CFD yang digunakan.Studi ini juga berfokus pada penghitungan faktor slip k, yaitu 0,18 pada kecepatan rendah 3 dan 4 rpm dibandingkan dengan nilai tipikal biasanya sebesar 0,25.Penurunan k dari 0,25 menjadi 0,18 meningkatkan daya yang disalurkan ke fluida sekitar 27-30% dan meningkatkan gradien kecepatan (G) sekitar 14%.Artinya, agitasi yang diberikan lebih banyak dari yang diharapkan, sehingga lebih sedikit energi yang dikonsumsi dan oleh karena itu konsumsi energi pada unit flokulasi instalasi pengolahan air minum dapat lebih rendah.
Dalam pemurnian air, penambahan koagulan mengganggu kestabilan partikel koloid kecil dan pengotor, yang kemudian bergabung membentuk flokulasi pada tahap flokulasi.Serpihan adalah agregat massa fraktal yang terikat secara longgar, yang kemudian dihilangkan dengan cara pengendapan.Sifat partikel dan kondisi pencampuran cairan menentukan efisiensi proses flokulasi dan pengolahan.Flokulasi memerlukan pengadukan yang lambat dalam waktu yang relatif singkat dan energi yang besar untuk mengaduk air dalam jumlah besar1.
Selama flokulasi, hidrodinamika seluruh sistem dan kimia interaksi koagulan-partikel menentukan laju pencapaian distribusi ukuran partikel stasioner2.Ketika partikel bertabrakan, mereka menempel satu sama lain3.Oyegbile, Ay4 melaporkan bahwa tumbukan bergantung pada mekanisme transpor flokulasi difusi Brown, geseran fluida, dan pengendapan diferensial.Ketika serpihan-serpihan tersebut bertabrakan, mereka tumbuh dan mencapai batas ukuran tertentu, yang dapat menyebabkan pecahnya, karena serpihan-serpihan tersebut tidak dapat menahan gaya gaya hidrodinamik5.Beberapa serpihan yang pecah ini bergabung kembali menjadi lebih kecil atau berukuran sama6.Namun, serpihan yang kuat dapat menahan gaya ini dan mempertahankan ukurannya dan bahkan tumbuh7.Yukselen dan Gregory8 melaporkan penelitian yang berkaitan dengan penghancuran serpihan dan kemampuannya untuk beregenerasi, menunjukkan bahwa sifat ireversibilitasnya terbatas.Bridgeman, Jefferson9 menggunakan CFD untuk memperkirakan pengaruh lokal aliran rata-rata dan turbulensi pada pembentukan flok dan fragmentasi melalui gradien kecepatan lokal.Dalam tangki yang dilengkapi dengan bilah rotor, perlu untuk memvariasikan kecepatan tumbukan agregat dengan partikel lain ketika agregat tersebut cukup tidak stabil dalam fase koagulasi.Dengan menggunakan CFD dan kecepatan putaran yang lebih rendah sekitar 15 rpm, Vadasarukkai dan Gagnon11 mampu mencapai nilai G untuk flokulasi dayung berbentuk kerucut, sehingga meminimalkan konsumsi daya untuk agitasi.Namun, pengoperasian pada nilai G yang lebih tinggi dapat menyebabkan flokulasi.Mereka menyelidiki pengaruh kecepatan pencampuran dalam menentukan gradien kecepatan rata-rata dari flokulator dayung pilot.Mereka berputar dengan kecepatan lebih dari 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 menggunakan empat model turbulensi yang berbeda untuk mempelajari medan aliran di bangku uji tangki.Mereka mengukur medan aliran dengan anemometer laser Doppler dan PIV dan membandingkan hasil perhitungan dengan hasil pengukuran.de Oliveira dan Donadel13 telah mengusulkan metode alternatif untuk memperkirakan gradien kecepatan dari sifat hidrodinamik menggunakan CFD.Metode yang diusulkan diuji pada enam unit flokulasi berdasarkan geometri heliks.menilai pengaruh waktu retensi pada flokulan dan mengusulkan model flokulasi yang dapat digunakan sebagai alat untuk mendukung desain sel rasional dengan waktu retensi rendah14.Zhan, You15 mengusulkan gabungan CFD dan model keseimbangan populasi untuk mensimulasikan karakteristik aliran dan perilaku flok dalam flokulasi skala penuh.Llano-Serna, Coral-Portillo16 menyelidiki karakteristik aliran hidroflokulator tipe Cox di instalasi pengolahan air di Viterbo, Kolombia.Meskipun CFD memiliki kelebihan, terdapat juga keterbatasan seperti kesalahan numerik dalam perhitungan.Oleh karena itu, setiap hasil numerik yang diperoleh harus diperiksa dan dianalisis secara cermat untuk menarik kesimpulan kritis17.Terdapat sedikit penelitian dalam literatur mengenai desain flokulator penyekat horizontal, sementara rekomendasi untuk desain flokulator hidrodinamik masih terbatas18.Chen, Liao19 menggunakan pengaturan eksperimental berdasarkan hamburan cahaya terpolarisasi untuk mengukur keadaan polarisasi cahaya tersebar dari partikel individu.Feng, Zhang20 menggunakan Ansys-Fluent untuk mensimulasikan distribusi arus eddy dan pusaran di bidang aliran flokulator pelat terkoagulasi dan flokulator antar bergelombang.Setelah melakukan simulasi aliran fluida turbulen dalam flokulator menggunakan Ansys-Fluent, Gavi21 menggunakan hasilnya untuk merancang flokulator.Vaneli dan Teixeira22 melaporkan bahwa hubungan antara dinamika fluida flokulator tabung spiral dan proses flokulasi masih kurang dipahami untuk mendukung desain yang rasional.de Oliveira dan Costa Teixeira23 mempelajari efisiensi dan mendemonstrasikan sifat hidrodinamik flokulator tabung spiral melalui eksperimen fisika dan simulasi CFD.Banyak peneliti telah mempelajari reaktor tabung melingkar atau flokulator tabung melingkar.Namun, informasi hidrodinamika rinci mengenai respons reaktor terhadap berbagai desain dan kondisi operasi masih kurang (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira dan Teixeira26 menyajikan hasil asli dari simulasi teoritis, eksperimental dan CFD dari flocculator spiral.Oliveira dan Teixeira27 mengusulkan penggunaan kumparan spiral sebagai reaktor koagulasi-flokulasi yang dikombinasikan dengan sistem decanter konvensional.Mereka melaporkan bahwa hasil yang diperoleh untuk efisiensi penghilangan kekeruhan berbeda secara signifikan dari hasil yang diperoleh dengan model yang umum digunakan untuk mengevaluasi flokulasi, sehingga menyarankan kehati-hatian saat menggunakan model tersebut.Moruzzi dan de Oliveira [28] memodelkan perilaku sistem ruang flokulasi kontinyu dalam berbagai kondisi operasi, termasuk variasi dalam jumlah ruang yang digunakan dan penggunaan gradien kecepatan sel tetap atau berskala.Romphophak, Le Men29 Pengukuran PIV kecepatan sesaat pada pembersih jet kuasi dua dimensi.Mereka menemukan sirkulasi kuat yang disebabkan oleh jet di zona flokulasi dan memperkirakan laju geser lokal dan sesaat.
Shah, Joshi30 melaporkan bahwa CFD menawarkan alternatif menarik untuk meningkatkan desain dan memperoleh karakteristik aliran virtual.Hal ini membantu menghindari pengaturan eksperimental yang ekstensif.CFD semakin banyak digunakan untuk menganalisis instalasi pengolahan air dan air limbah (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Beberapa peneliti telah melakukan percobaan pada peralatan pengujian kaleng (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) dan flocculator cakram berlubang31.Pihak lain telah menggunakan CFD untuk mengevaluasi hidroflokulator (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 melaporkan bahwa flokulator mekanis memerlukan perawatan rutin karena sering rusak dan memerlukan banyak listrik.
Kinerja dari paddle flocculator sangat bergantung pada hidrodinamika reservoir.Kurangnya pemahaman kuantitatif bidang kecepatan aliran pada flokulator tersebut dengan jelas dicatat dalam literatur (Howe, Hand38; Hendricks39).Seluruh massa air dipengaruhi oleh pergerakan impeler flokulator, sehingga diperkirakan terjadi selip.Biasanya, kecepatan fluida lebih kecil dari kecepatan sudu dengan faktor slip k, yang didefinisikan sebagai rasio kecepatan badan air dengan kecepatan roda dayung.Bhole40 melaporkan bahwa ada tiga faktor yang belum diketahui yang perlu dipertimbangkan ketika merancang flokulator, yaitu gradien kecepatan, koefisien hambatan, dan kecepatan relatif air terhadap sudu.
Camp41 melaporkan bahwa ketika mempertimbangkan mesin berkecepatan tinggi, kecepatannya sekitar 24% dari kecepatan rotor dan sebesar 32% untuk mesin berkecepatan rendah.Dengan tidak adanya septa, Droste dan Ger42 menggunakan nilai ak sebesar 0,25, sedangkan dalam kasus septa, k berkisar antara 0 hingga 0,15.Namun, Hand38 menyarankan bahwa k berada dalam kisaran 0,2 hingga 0,3.Hendrix39 menghubungkan faktor slip dengan kecepatan rotasi menggunakan rumus empiris dan menyimpulkan bahwa faktor slip juga berada dalam kisaran yang ditetapkan oleh Camp41.Bratby43 melaporkan bahwa k adalah sekitar 0,2 untuk kecepatan impeler dari 1,8 hingga 5,4 rpm dan meningkat menjadi 0,35 untuk kecepatan impeler dari 0,9 hingga 3 rpm.Peneliti lain melaporkan rentang nilai koefisien drag (Cd) yang luas dari 1,0 hingga 1,8 dan nilai koefisien slip k dari 0,25 hingga 0,40 (Feir dan Geyer44; Hyde dan Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; dan Bratby dan Marais48 ).Literatur tidak menunjukkan kemajuan signifikan dalam mendefinisikan dan mengukur k sejak pekerjaan Camp41.
Proses flokulasi didasarkan pada turbulensi untuk memudahkan tumbukan, dimana gradien kecepatan (G) digunakan untuk mengukur turbulensi/flokulasi.Pencampuran adalah proses dispersi bahan kimia dalam air secara cepat dan merata.Derajat pencampuran diukur dengan gradien kecepatan:
dimana G = gradien kecepatan (detik-1), P = masukan daya (W), V = volume air (m3), μ = viskositas dinamis (Pa s).
Semakin tinggi nilai G maka semakin tercampur.Pencampuran menyeluruh sangat penting untuk memastikan koagulasi seragam.Literatur menunjukkan bahwa parameter desain yang paling penting adalah waktu pencampuran (t) dan gradien kecepatan (G).Proses flokulasi didasarkan pada turbulensi untuk memudahkan tumbukan, dimana gradien kecepatan (G) digunakan untuk mengukur turbulensi/flokulasi.Nilai desain tipikal untuk G adalah 20 hingga 70 s–1, t adalah 15 hingga 30 menit, dan Gt (tanpa dimensi) adalah 104 hingga 105. Tangki campuran cepat bekerja paling baik dengan nilai G 700 hingga 1000, dengan waktu tinggal sekitar 2 menit.
dimana P adalah daya yang diberikan pada cairan oleh masing-masing sudu flokulator, N adalah kecepatan putaran, b adalah panjang sudu, ρ adalah massa jenis air, r adalah jari-jari, dan k adalah koefisien slip.Persamaan ini diterapkan pada masing-masing sudu secara individual dan hasilnya dijumlahkan untuk menghasilkan total masukan daya flokulator.Sebuah studi yang cermat terhadap persamaan ini menunjukkan pentingnya faktor slip k dalam proses desain flokulator dayung.Literatur tidak menyatakan nilai pasti dari k, namun merekomendasikan kisaran seperti yang dinyatakan sebelumnya.Namun hubungan antara daya P dan koefisien slip k adalah kubik.Jadi, asalkan semua parameternya sama, misalnya, mengubah k dari 0,25 menjadi 0,3 akan menyebabkan penurunan daya yang ditransmisikan ke fluida per sudu sekitar 20%, dan mengurangi k dari 0,25 menjadi 0,18 akan meningkatkannya.sekitar 27-30% per baling-baling Kekuatan yang diberikan pada fluida.Pada akhirnya, pengaruh k terhadap desain flokulator dayung berkelanjutan perlu diselidiki melalui kuantifikasi teknis.
Kuantifikasi empiris slippage yang akurat memerlukan visualisasi dan simulasi aliran.Oleh karena itu, penting untuk menggambarkan kecepatan tangensial sudu di dalam air pada kecepatan putaran tertentu pada jarak radial yang berbeda dari poros dan pada kedalaman yang berbeda dari permukaan air untuk mengevaluasi pengaruh posisi sudu yang berbeda.
Dalam studi ini, hidrodinamika flokulasi dievaluasi melalui penyelidikan eksperimental dan numerik bidang kecepatan aliran turbulen dalam flokulator dayung skala laboratorium.Pengukuran PIV dicatat pada flocculator, menciptakan kontur kecepatan rata-rata waktu yang menunjukkan kecepatan partikel air di sekitar daun.Selain itu, ANSYS-Fluent CFD digunakan untuk mensimulasikan aliran berputar di dalam flokulator dan membuat kontur kecepatan rata-rata waktu.Model CFD yang dihasilkan dikonfirmasi dengan mengevaluasi korespondensi antara hasil PIV dan CFD.Fokus dari pekerjaan ini adalah pada penghitungan koefisien slip k, yang merupakan parameter desain tak berdimensi dari flocculator dayung.Pekerjaan yang disajikan di sini memberikan dasar baru untuk mengukur koefisien slip k pada kecepatan rendah 3 rpm dan 4 rpm.Implikasi dari hasil secara langsung berkontribusi pada pemahaman yang lebih baik tentang hidrodinamika tangki flokulasi.
Flocculator laboratorium terdiri dari kotak persegi panjang dengan atap terbuka dengan tinggi keseluruhan 147 cm, tinggi 39 cm, lebar keseluruhan 118 cm, dan panjang keseluruhan 138 cm (Gbr. 1).Kriteria desain utama yang dikembangkan oleh Camp49 digunakan untuk merancang flokulator dayung skala laboratorium dan menerapkan prinsip analisis dimensi.Fasilitas eksperimental dibangun di Laboratorium Teknik Lingkungan Universitas Amerika Lebanon (Byblos, Lebanon).
Sumbu horizontal terletak pada ketinggian 60 cm dari bawah dan menampung dua roda dayung.Setiap roda dayung terdiri dari 4 buah dayung dengan 3 buah dayung pada masing-masing dayung sehingga total berjumlah 12 buah dayung.Flokulasi memerlukan pengadukan lembut pada kecepatan rendah 2 hingga 6 rpm.Kecepatan pencampuran yang paling umum dalam flokulator adalah 3 rpm dan 4 rpm.Aliran flokulator skala laboratorium dirancang untuk mewakili aliran di kompartemen tangki flokulasi pada instalasi pengolahan air minum.Daya dihitung menggunakan persamaan tradisional 42 .Untuk kedua kecepatan rotasi, gradien kecepatan \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) lebih besar dari 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , bilangan Reynolds menunjukkan aliran turbulen (Tabel 1).
PIV digunakan untuk mencapai pengukuran vektor kecepatan fluida yang akurat dan kuantitatif secara bersamaan pada sejumlah titik yang sangat besar50.Pengaturan eksperimental mencakup flokulator dayung skala laboratorium, sistem LaVision PIV (2017), dan pemicu sensor laser eksternal Arduino.Untuk membuat profil kecepatan rata-rata waktu, gambar PIV direkam secara berurutan di lokasi yang sama.Sistem PIV dikalibrasi sedemikian rupa sehingga area target berada pada titik tengah panjang masing-masing tiga bilah lengan dayung tertentu.Pemicu eksternal terdiri dari laser yang terletak di satu sisi lebar flokulator dan penerima sensor di sisi lain.Setiap kali lengan flocculator menghalangi jalur laser, sinyal dikirim ke sistem PIV untuk menangkap gambar dengan laser PIV dan kamera yang disinkronkan dengan unit waktu yang dapat diprogram.Pada gambar.2 menunjukkan instalasi sistem PIV dan proses akuisisi gambar.
Pencatatan PIV dimulai setelah flokulator dioperasikan selama 5-10 menit untuk menormalkan aliran dan memperhitungkan bidang indeks bias yang sama.Kalibrasi dilakukan dengan menggunakan pelat kalibrasi yang direndam dalam flokulator dan ditempatkan pada titik tengah panjang bilah yang diinginkan.Sesuaikan posisi laser PIV hingga membentuk lembaran cahaya datar tepat di atas pelat kalibrasi.Catat nilai terukur untuk setiap kecepatan putaran setiap sudu, dan kecepatan putaran yang dipilih untuk percobaan adalah 3 rpm dan 4 rpm.
Untuk semua rekaman PIV, interval waktu antara dua pulsa laser diatur dalam kisaran 6900 hingga 7700 µs, yang memungkinkan perpindahan partikel minimal 5 piksel.Uji coba dilakukan terhadap jumlah gambar yang diperlukan untuk mendapatkan pengukuran rata-rata waktu yang akurat.Statistik vektor dibandingkan untuk sampel yang berisi 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240, dan 280 gambar.Ukuran sampel sebanyak 240 gambar ditemukan memberikan hasil rata-rata waktu yang stabil mengingat setiap gambar terdiri dari dua bingkai.
Karena aliran dalam flokulator bersifat turbulen, diperlukan jendela interogasi kecil dan sejumlah besar partikel untuk menyelesaikan struktur turbulen kecil.Beberapa iterasi pengurangan ukuran diterapkan bersama dengan algoritma korelasi silang untuk memastikan akurasi.Jendela polling awal berukuran 48x48 piksel dengan tumpang tindih 50% dan satu proses adaptasi, diikuti dengan jendela polling akhir berukuran 32x32 piksel dengan tumpang tindih 100% dan dua proses adaptasi.Selain itu, bola kaca berongga digunakan sebagai partikel benih dalam aliran, yang memungkinkan setidaknya 10 partikel per jendela pemungutan suara.Perekaman PIV dimulai oleh sumber pemicu dalam Programmable Timing Unit (PTU), yang bertanggung jawab untuk mengoperasikan dan menyinkronkan sumber laser dan kamera.
Paket CFD komersial ANSYS Fluent v 19.1 digunakan untuk mengembangkan model 3D dan menyelesaikan persamaan aliran dasar.
Dengan menggunakan ANSYS-Fluent, model 3D dari flocculator dayung skala laboratorium telah dibuat.Model dibuat dalam bentuk kotak persegi panjang, terdiri dari dua buah roda dayung yang dipasang pada sumbu horizontal, seperti model laboratorium.Model tanpa freeboard ukuran tinggi 108 cm, lebar 118 cm, dan panjang 138 cm.Bidang silinder horizontal telah ditambahkan di sekitar mixer.Pembuatan bidang silinder harus menerapkan rotasi seluruh mixer selama tahap pemasangan dan mensimulasikan medan aliran berputar di dalam flocculator, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a.
Diagram geometri model dan ANSYS-lancar 3D, jaring badan flokulator lancar ANSYS pada bidang yang diinginkan, diagram lancar ANSYS pada bidang yang diinginkan.
Geometri model terdiri dari dua daerah yang masing-masing merupakan fluida.Hal ini dicapai dengan menggunakan fungsi pengurangan logis.Pertama kurangi silinder (termasuk mixer) dari kotak untuk mewakili cairan.Kemudian kurangi mixer dari silinder, sehingga menghasilkan dua benda: mixer dan cairan.Akhirnya, antarmuka geser diterapkan antara dua area: antarmuka silinder-silinder dan antarmuka silinder-pencampur (Gbr. 3a).
Penyambungan model yang dibangun telah selesai untuk memenuhi persyaratan model turbulensi yang akan digunakan untuk menjalankan simulasi numerik.Jaring tidak terstruktur dengan lapisan yang diperluas di dekat permukaan padat digunakan.Buat lapisan ekspansi untuk semua dinding dengan tingkat pertumbuhan 1,2 untuk memastikan bahwa pola aliran kompleks tertangkap, dengan ketebalan lapisan pertama \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m untuk memastikan bahwa \ ( {\teks {y))^{+}\le 1.0\).Penyesuaian ukuran tubuh dilakukan dengan metode pemasangan tetrahedron.Ukuran sisi depan dari dua antarmuka dengan ukuran elemen 2,5 × \({10}^{-3}\) m dibuat, dan ukuran depan mixer 9 × \({10}^{-3}\ ) m diterapkan.Mesh awal yang dihasilkan terdiri dari 2144409 elemen (Gbr. 3b).
Model turbulensi k–ε dua parameter dipilih sebagai model dasar awal.Untuk secara akurat mensimulasikan aliran berputar-putar di dalam flokulator, model komputasi yang lebih mahal dipilih.Aliran pusaran turbulen di dalam flokulator diselidiki secara numerik menggunakan dua model CFD: SST k–ω51 dan IDDES52.Hasil kedua model dibandingkan dengan hasil eksperimen PIV untuk memvalidasi model.Pertama, model turbulensi SST k-ω adalah model viskositas turbulen dua persamaan untuk aplikasi dinamika fluida.Ini adalah model hybrid yang menggabungkan model Wilcox k-ω dan k-ε.Fungsi pencampuran mengaktifkan model Wilcox di dekat dinding dan model k-ε pada aliran yang datang.Hal ini memastikan bahwa model yang benar digunakan di seluruh bidang aliran.Ini secara akurat memprediksi pemisahan aliran karena gradien tekanan yang merugikan.Kedua, dipilih metode Advanced Deferred Eddy Simulasi (IDDES) yang banyak digunakan pada model Individual Eddy Simulasi (DES) dengan model SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES adalah model hybrid RANS-LES (simulasi eddy besar) yang menyediakan model simulasi penskalaan resolusi (SRS) yang lebih fleksibel dan ramah pengguna.Hal ini didasarkan pada model LES untuk menyelesaikan pusaran besar dan kembali ke SST k-ω untuk mensimulasikan pusaran skala kecil.Analisis statistik hasil simulasi SST k – ω dan IDDES dibandingkan dengan hasil PIV untuk memvalidasi model.
Model turbulensi k–ε dua parameter dipilih sebagai model dasar awal.Untuk secara akurat mensimulasikan aliran berputar-putar di dalam flokulator, model komputasi yang lebih mahal dipilih.Aliran pusaran turbulen di dalam flokulator diselidiki secara numerik menggunakan dua model CFD: SST k–ω51 dan IDDES52.Hasil kedua model dibandingkan dengan hasil eksperimen PIV untuk memvalidasi model.Pertama, model turbulensi SST k-ω adalah model viskositas turbulen dua persamaan untuk aplikasi dinamika fluida.Ini adalah model hybrid yang menggabungkan model Wilcox k-ω dan k-ε.Fungsi pencampuran mengaktifkan model Wilcox di dekat dinding dan model k-ε pada aliran yang datang.Hal ini memastikan bahwa model yang benar digunakan di seluruh bidang aliran.Ini secara akurat memprediksi pemisahan aliran karena gradien tekanan yang merugikan.Kedua, dipilih metode Advanced Deferred Eddy Simulasi (IDDES) yang banyak digunakan pada model Individual Eddy Simulasi (DES) dengan model SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes).IDDES adalah model hybrid RANS-LES (simulasi eddy besar) yang menyediakan model simulasi penskalaan resolusi (SRS) yang lebih fleksibel dan ramah pengguna.Hal ini didasarkan pada model LES untuk menyelesaikan pusaran besar dan kembali ke SST k-ω untuk mensimulasikan pusaran skala kecil.Analisis statistik hasil simulasi SST k – ω dan IDDES dibandingkan dengan hasil PIV untuk memvalidasi model.
Gunakan pemecah sementara berbasis tekanan dan gunakan gravitasi dalam arah Y.Rotasi dicapai dengan menetapkan gerakan mesh pada mixer, dimana asal sumbu rotasi berada di tengah sumbu horizontal dan arah sumbu rotasi berada pada arah Z.Antarmuka mesh dibuat untuk kedua antarmuka geometri model, menghasilkan dua tepi kotak pembatas.Seperti pada teknik eksperimental, kecepatan putaran setara dengan 3 dan 4 putaran.
Kondisi batas untuk dinding mixer dan flokulator ditentukan oleh dinding, dan bukaan atas flokulator ditentukan oleh saluran keluar dengan tekanan pengukur nol (Gbr. 3c).Skema komunikasi kecepatan-tekanan SEDERHANA, diskritisasi ruang gradien fungsi orde kedua dengan semua parameter berdasarkan elemen kuadrat terkecil.Kriteria konvergensi untuk semua variabel aliran adalah sisa berskala 1 x \({10}^{-3}\).Jumlah maksimum iterasi per langkah waktu adalah 20, dan ukuran langkah waktu sesuai dengan rotasi 0,5°.Solusinya konvergen pada iterasi ke-8 untuk model SST k–ω dan pada iterasi ke-12 menggunakan IDDES.Selain itu, jumlah langkah waktu dihitung sehingga mixer menghasilkan minimal 12 putaran.Terapkan pengambilan sampel data untuk statistik waktu setelah 3 rotasi, yang memungkinkan normalisasi aliran, mirip dengan prosedur eksperimental.Membandingkan keluaran putaran kecepatan untuk setiap putaran memberikan hasil yang persis sama untuk empat putaran terakhir, yang menunjukkan bahwa kondisi tunak telah tercapai.Putaran ekstra tidak memperbaiki kontur kecepatan sedang.
Langkah waktu ditentukan dalam kaitannya dengan kecepatan putaran, 3 rpm atau 4 rpm.Langkah waktu disempurnakan menjadi waktu yang diperlukan untuk memutar mixer sebesar 0,5°.Hal ini ternyata cukup, karena solusinya mudah menyatu, seperti dijelaskan pada bagian sebelumnya.Dengan demikian, semua perhitungan numerik untuk kedua model turbulensi dilakukan menggunakan langkah waktu yang dimodifikasi sebesar 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) untuk 3 rpm, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.Untuk langkah waktu penyempurnaan tertentu, jumlah Courant suatu sel selalu kurang dari 1,0.
Untuk mengeksplorasi ketergantungan model-mesh, hasil pertama diperoleh dengan menggunakan mesh 2,14M asli dan kemudian mesh 2,88M yang disempurnakan.Penyempurnaan kisi dicapai dengan mengurangi ukuran sel badan mixer dari 9 × \({10}^{-3}\) m menjadi 7 × \({10}^{-3}\) m.Untuk jerat asli dan halus dari kedua model turbulensi, nilai rata-rata modul kecepatan di tempat berbeda di sekitar sudu dibandingkan.Persentase perbedaan hasil adalah 1,73% untuk model SST k–ω dan 3,51% untuk model IDDES.IDDES menunjukkan perbedaan persentase yang lebih tinggi karena merupakan model RANS-LES hybrid.Perbedaan tersebut dianggap tidak signifikan, sehingga simulasi dilakukan menggunakan mesh asli dengan 2,14 juta elemen dan langkah waktu rotasi 0,5°.
Reproduksibilitas hasil percobaan diperiksa dengan melakukan masing-masing dari enam percobaan untuk kedua kalinya dan membandingkan hasilnya.Bandingkan nilai kecepatan pada titik tengah sudu dalam dua rangkaian percobaan.Perbedaan persentase rata-rata antara kedua kelompok eksperimen adalah 3,1%.Sistem PIV juga dikalibrasi ulang secara independen untuk setiap percobaan.Bandingkan kecepatan yang dihitung secara analitis di tengah setiap sudu dengan kecepatan PIV di lokasi yang sama.Perbandingan ini menunjukkan perbedaan dengan persentase kesalahan maksimum sebesar 6,5% untuk blade 1.
Sebelum melakukan pengukuran faktor slip, perlu dipahami secara ilmiah konsep slip pada paddle flocculator, sehingga perlu mempelajari struktur aliran di sekitar paddle flocculator.Secara konseptual, koefisien slip dimasukkan ke dalam desain flokulator dayung untuk memperhitungkan kecepatan sudu relatif terhadap air.Literatur merekomendasikan bahwa kecepatan ini adalah 75% dari kecepatan sudu, sehingga sebagian besar desain biasanya menggunakan ak sebesar 0,25 untuk memperhitungkan penyesuaian ini.Hal ini memerlukan penggunaan garis arus kecepatan yang berasal dari eksperimen PIV untuk memahami sepenuhnya bidang kecepatan aliran dan mempelajari slip ini.Bilah 1 adalah bilah paling dalam yang paling dekat dengan poros, bilah 3 adalah bilah terluar, dan bilah 2 adalah bilah tengah.
Garis arus kecepatan pada sudu 1 menunjukkan aliran berputar searah di sekitar sudu.Pola aliran ini berasal dari suatu titik di sisi kanan sudu, antara rotor dan sudu.Melihat area yang ditunjukkan oleh kotak titik-titik merah pada Gambar 4a, menarik untuk mengidentifikasi aspek lain dari aliran resirkulasi di atas dan di sekitar sudu.Visualisasi aliran menunjukkan sedikit aliran yang masuk ke zona resirkulasi.Aliran ini mendekat dari sisi kanan bilah pada ketinggian sekitar 6 cm dari ujung bilah, kemungkinan karena pengaruh bilah tangan pertama sebelum bilah, yang terlihat pada gambar.Visualisasi aliran pada 4 rpm menunjukkan perilaku dan struktur yang sama, ternyata dengan kecepatan yang lebih tinggi.
Grafik kecepatan medan dan arus tiga sudu pada dua kecepatan putaran 3 rpm dan 4 rpm.Kecepatan rata-rata maksimum ketiga sudu pada 3 rpm adalah 0,15 m/s, 0,20 m/s dan 0,16 m/s, dan kecepatan rata-rata maksimum pada 4 rpm adalah 0,15 m/s, 0,22 m/s dan 0,22 m/ s, masing-masing.pada tiga lembar.
Bentuk aliran heliks lainnya terdapat di antara baling-baling 1 dan 2. Bidang vektor dengan jelas menunjukkan bahwa aliran air bergerak ke atas dari dasar baling-baling 2, yang ditunjukkan oleh arah vektor.Seperti yang ditunjukkan oleh kotak putus-putus pada Gambar 4b, vektor-vektor ini tidak bergerak vertikal ke atas dari permukaan bilah, tetapi berbelok ke kanan dan turun secara bertahap.Pada permukaan sudu 1, vektor-vektor ke bawah dibedakan, yang mendekati kedua sudu dan mengelilinginya dari aliran resirkulasi yang terbentuk di antara keduanya.Struktur aliran yang sama ditentukan pada kedua kecepatan putaran dengan amplitudo kecepatan lebih tinggi yaitu 4 rpm.
Medan kecepatan sudu 3 tidak memberikan kontribusi yang berarti dari vektor kecepatan sudu sebelumnya yang bergabung dengan aliran di bawah sudu 3. Aliran utama di bawah sudu 3 disebabkan oleh vektor kecepatan vertikal yang naik bersama air.
Vektor kecepatan pada permukaan sudu 3 dapat dibagi menjadi tiga kelompok, seperti ditunjukkan pada Gambar 4c.Set pertama adalah set di tepi kanan mata pisau.Struktur aliran pada posisi ini adalah lurus ke kanan dan ke atas (yaitu menuju sudu 2).Kelompok kedua adalah bagian tengah bilah.Vektor kecepatan untuk posisi ini diarahkan lurus ke atas, tanpa penyimpangan dan tanpa rotasi.Penurunan nilai kecepatan ditentukan dengan bertambahnya ketinggian di atas ujung sudu.Untuk kelompok ketiga, terletak di pinggiran kiri sudu, alirannya langsung diarahkan ke kiri, yaitu ke dinding flocculator.Sebagian besar aliran yang diwakili oleh vektor kecepatan naik, dan sebagian aliran turun secara horizontal.
Dua model turbulensi, SST k–ω dan IDDES, digunakan untuk membuat profil kecepatan rata-rata waktu untuk 3 rpm dan 4 rpm pada bidang panjang rata-rata sudu.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, kondisi tunak dicapai dengan mencapai kesamaan absolut antara kontur kecepatan yang diciptakan oleh empat rotasi berturut-turut.Selain itu, kontur kecepatan rata-rata waktu yang dihasilkan oleh IDDES ditunjukkan pada Gambar 6a, sedangkan profil kecepatan rata-rata waktu yang dihasilkan oleh SST k – ω ditunjukkan pada Gambar 6a.6b.
Menggunakan IDDES dan loop kecepatan rata-rata waktu yang dihasilkan oleh SST k–ω, IDDES memiliki proporsi loop kecepatan yang lebih tinggi.
Periksa dengan cermat profil kecepatan yang dibuat dengan IDDES pada 3 rpm seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Mixer berputar searah jarum jam dan aliran dibahas sesuai dengan catatan yang ditunjukkan.
Pada gambar.Gambar 7 terlihat pada permukaan sudu 3 pada kuadran I terdapat pemisahan aliran, karena aliran tidak terhambat karena adanya lubang atas.Pada kuadran II tidak terjadi pemisahan aliran, karena aliran dibatasi sepenuhnya oleh dinding flokulator.Pada kuadran III, air berputar dengan kecepatan yang jauh lebih rendah atau lebih rendah dibandingkan kuadran sebelumnya.Air di kuadran I dan II dipindahkan (yaitu diputar atau didorong keluar) ke bawah oleh aksi pengaduk.Dan pada kuadran III, air didorong keluar oleh bilah-bilah pengaduk.Jelas terlihat bahwa massa air di tempat ini menahan selongsong flokulator yang mendekat.Aliran berputar-putar di kuadran ini terpisah sepenuhnya.Untuk kuadran IV, sebagian besar aliran udara di atas baling-baling 3 diarahkan ke dinding flokulator dan secara bertahap kehilangan ukurannya seiring bertambahnya ketinggian hingga bukaan atas.
Selain itu, pada lokasi sentral terdapat pola aliran kompleks yang mendominasi kuadran III dan IV, seperti ditunjukkan oleh elips putus-putus berwarna biru.Area yang ditandai ini tidak ada hubungannya dengan aliran pusaran dalam flokulator dayung, karena gerakan pusaran tersebut dapat diidentifikasi.Hal ini berbeda dengan kuadran I dan II dimana terdapat pemisahan yang jelas antara aliran internal dan aliran rotasi penuh.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar.6, membandingkan hasil IDDES dan SST k-ω, perbedaan utama antara kontur kecepatan adalah besarnya kecepatan tepat di bawah sudu 3. Model SST k-ω dengan jelas menunjukkan bahwa perpanjangan aliran berkecepatan tinggi dibawa oleh sudu 3 dibandingkan IDDES.
Perbedaan lainnya terdapat pada kuadran III.Dari IDDES, seperti disebutkan sebelumnya, pemisahan aliran rotasi antara lengan flokulator dicatat.Namun, posisi ini sangat dipengaruhi oleh rendahnya kecepatan aliran dari sudut dan bagian dalam sudu pertama.Dari SST k–ω untuk lokasi yang sama, garis kontur menunjukkan kecepatan yang relatif lebih tinggi dibandingkan IDDES karena tidak terdapat aliran konfluen dari daerah lain.
Pemahaman kualitatif tentang bidang vektor kecepatan dan garis arus diperlukan untuk pemahaman yang benar tentang perilaku dan struktur aliran.Mengingat setiap bilah memiliki lebar 5 cm, tujuh titik kecepatan dipilih sepanjang lebar untuk memberikan profil kecepatan yang representatif.Selain itu, diperlukan pemahaman kuantitatif mengenai besaran kecepatan sebagai fungsi ketinggian di atas permukaan sudu dengan memplot profil kecepatan secara langsung pada setiap permukaan sudu dan pada jarak kontinu 2,5 cm secara vertikal hingga ketinggian 10 cm.Lihat S1, S2 dan S3 pada gambar untuk informasi lebih lanjut.Lampiran A. Gambar 8 menunjukkan kesamaan distribusi kecepatan permukaan masing-masing sudu (Y = 0,0) yang diperoleh dengan menggunakan eksperimen PIV dan analisis ANSYS-Fluent menggunakan IDDES dan SST k-ω.Kedua model numerik ini memungkinkan simulasi struktur aliran pada permukaan bilah flokulator secara akurat.
Distribusi kecepatan PIV, IDDES dan SST k–ω pada permukaan sudu.Sumbu x mewakili lebar setiap lembar dalam milimeter, dengan titik asal (0 mm) mewakili pinggiran kiri lembaran dan ujung (50 mm) mewakili pinggiran kanan lembaran.
Terlihat jelas bahwa distribusi kecepatan sudu 2 dan 3 ditunjukkan pada Gambar 8 dan Gambar 8.S2 dan S3 pada Lampiran A menunjukkan tren serupa terhadap ketinggian, sedangkan bilah 1 berubah secara independen.Profil kecepatan sudu 2 dan 3 menjadi lurus sempurna dan mempunyai amplitudo yang sama pada ketinggian 10 cm dari ujung sudu.Artinya aliran menjadi seragam pada titik ini.Hal ini terlihat jelas dari hasil PIV yang direproduksi dengan baik oleh IDDES.Sedangkan pada hasil SST k–ω menunjukkan adanya perbedaan terutama pada putaran 4 rpm.
Penting untuk dicatat bahwa sudu 1 mempertahankan bentuk profil kecepatan yang sama di semua posisi dan ketinggiannya tidak dinormalisasi, karena pusaran yang terbentuk di tengah mixer berisi sudu pertama dari semua lengan.Selain itu, dibandingkan dengan IDDES, profil kecepatan sudu PIV 2 dan 3 menunjukkan nilai kecepatan yang sedikit lebih tinggi di sebagian besar lokasi hingga hampir sama pada 10 cm di atas permukaan sudu.