낮은 회전 속도에서 패들 응집 유체 역학에 대한 PIV 및 CFD 조사

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19742(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구에서는 실험실 규모의 패들 응집기에서 난류의 속도 장을 실험적, 수치적으로 조사하여 응집 유체역학을 평가했습니다. 입자 응집이나 플록의 파손을 촉진하는 난류는 복잡하며 이 연구에서는 두 가지 난류 모델을 사용하여 고려하고 비교했습니다. 즉, SST k–Ω 및 IDDES입니다. 결과는 IDDES가 SST k-Ω에 비해 매우 약간의 개선을 제공하여 후자가 패들 응집기 내부의 흐름을 정확하게 시뮬레이션하는 데 충분하다는 것을 보여주었습니다. PIV와 CFD 결과 간의 수렴을 연구하고 사용된 CFD 난류 모델의 결과를 비교하기 위해 적합도 평가가 채택되었습니다. 이 연구에서는 또한 3rpm과 4rpm의 낮은 회전 속도에서 미끄러짐 계수 k를 0.18로 정량화하고 기존의 일반적인 값인 0.25와 비교하는 데 중점을 두었습니다. k가 0.25에서 0.18로 감소하면 유체에 전달되는 동력이 약 27~30% 증가하고 속도 구배(G)가 약 14% 증가합니다. 이는 예상보다 더 많은 혼합이 제공되므로 에너지가 덜 투입되어 식수 처리장 응집 장치의 전력 소비가 잠재적으로 감소될 수 있음을 의미합니다.

수처리에서 응고제를 첨가하면 미세한 콜로이드 입자와 불순물이 불안정해지고 응집 단계에서 응집체가 형성됩니다. 플록은 느슨하게 연결된 질량 프랙탈 집합체이며 침전에 의해 제거됩니다. 입자의 특성과 유체 혼합 조건에 따라 응집 작용과 처리 공정의 효율성이 결정됩니다. 응집을 위해서는 상대적으로 짧은 기간에 걸쳐 느린 혼합이 필요하며, 많은 양의 물을 혼합하려면 많은 양의 에너지가 필요합니다1.

응집 공정에서 응집제-미립자 상호 작용의 화학적 특성 외에도 전체 시스템의 유체 역학이 정상 상태 크기 분포가 달성되는 속도를 결정합니다2. 입자가 충돌하면 서로 달라붙게 됩니다3. Oyegbile, Ay4는 충돌이 브라운 확산, 유체 전단 및 차등 침강의 응집 수송 메커니즘에 의존한다고 보고했습니다. 플록이 충돌하면 플록이 성장하여 특정 제한 크기를 넘어서 도달하므로 플록이 유체역학적 힘의 강도를 견디지 ​​못하기 때문에 파손이 발생할 수 있습니다5. 이러한 깨진 플록 중 일부는 다시 결합하여 더 작거나 동일한 크기로 됩니다6. 그러나 강한 플록은 힘을 견디고 크기를 유지하거나 심지어 성장할 수도 있습니다7. Yukselen과 Gregory8은 플록 파손 및 재성장 능력과 관련된 연구에 대해 보고했는데, 이는 비가역성이 제한되어 있음을 나타냅니다. Bridgeman, Jefferson9은 국지적 속도 구배를 사용하여 플록 형성 및 분해에 대한 평균 흐름 및 난류의 국지적 영향을 평가하기 위해 CFD를 사용했습니다. 로터 패들이 제공된 수조에서는 응집 단계10에서 다른 입자가 충분히 불안정해졌을 때 다른 입자와 충돌할 때 응집체의 속도를 변경해야 했습니다. CFD를 사용하고 약 15rpm의 낮은 회전 속도에서 Vadasarukkai와 Gagnon11은 테이퍼형 패들 응집에 사용되는 G 값을 달성할 수 있었으며, 이는 혼합에 필요한 전력 입력을 최소화했습니다. 그러나 더 높은 G-값에서 작동하면 플록이 분해될 수 있습니다. 그들은 파일럿 규모 패들 응집기의 평균 속도 구배 결정에 대한 혼합 속도의 영향을 연구했습니다. 회전 속도는 5rpm보다 컸습니다.

Korpijärvi, Ahlstedt12는 네 가지 난류 모델을 사용하여 병 테스트 장치의 유동장을 연구했습니다. 그들은 레이저-도플러 풍속계와 PIV를 사용하여 유동장을 측정하고 계산된 결과와 측정된 결과를 비교했습니다. de Oliveira와 Donadel13은 CFD를 사용하여 유체역학적 특성을 통해 속도 구배를 추정하기 위한 대안적인 접근 방식을 제안했습니다. 제안된 접근법은 나선형 기하학을 기반으로 하는 6개의 응집 장치에서 테스트되었습니다. 응집기에 대한 체류 시간의 영향을 평가하고 낮은 체류 시간 장치의 합리적인 설계를 지원하는 도구로 사용할 수 있는 응집 모델을 제안했습니다14. Zhan, You15는 전체 규모의 응집에서 흐름 특성과 플록 거동을 시뮬레이션하기 위해 결합된 CFD 모델과 인구 균형 모델을 제안했습니다. Llano-Serna, Coral-Portillo16는 콜롬비아 Viterbo의 정수장에서 Cox형 수압 응집기의 흐름 특성을 조사했습니다. CFD를 적용하는 것은 장점이 있었지만, 계산에 존재하는 수치적 오류 등의 한계가 있었습니다. 결과적으로, 얻은 모든 수치 결과는 비판적인 판단을 내리기 위해 주의 깊게 조사되고 분석되어야 합니다17. 수평 배플형 응집기의 설계에 초점을 맞춘 여러 연구가 문헌에 존재하는 반면, 수압 응집기의 설계 지침은 제한적이었습니다18. Chen, Liao19는 개별 입자의 산란된 빛의 편광 상태를 측정하기 위해 편광 산란을 기반으로 한 실험 설정을 사용했습니다. Feng, Zhang20은 Ansys-Fluent를 사용하여 동일한 파도 접힌 평판 응집기와 반대쪽 파도 접힌 평판 응집기의 유동장에서 와류 분포와 와도를 시뮬레이션했습니다. Ansys-Fluent를 사용하여 수압 응집기의 난류 유체 흐름을 모델링한 후 Ghawi21은 그 결과를 수력 응집기 설계에 사용했습니다. Vaneli과 Teixeira22는 나선형 관형 응집기의 유체 역학과 응집 과정 사이의 관계에 대한 이해가 여전히 부족하여 합리적인 설계를 뒷받침할 수 있다고 보고했습니다. de Oliveira와 Costa Teixeira23는 물리적 실험과 CFD 모델링을 통해 효율성을 조사하고 나선형 코일 튜브 응집기의 유체역학적 특성을 제시했습니다. 나선형 튜브 반응기 또는 나선형 코일 튜브 응집기는 많은 연구자에 의해 연구되었습니다. 그러나 다양한 설계 및 작동 조건에 대한 이들 원자로의 반응에 대한 자세한 유체 역학 정보는 여전히 부족합니다(Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25). Oliveira와 Teixeira26는 나선형 코일 튜브 응집기에 대한 이론적, 실험적 및 CFD 모델링 연구의 독창적인 결과를 제시했습니다. Oliveira와 Teixeira27는 기존 디캔터 시스템과 결합된 응고-응집 반응기로 나선형 코일 튜브를 사용할 것을 제안했습니다. 그들은 얻은 탁도 제거 효율 결과가 응집 평가를 위해 일반적으로 사용되는 모델에서 얻은 결과와 크게 다르다고 보고했는데, 이는 그러한 모델 사용에 주의가 필요함을 나타냅니다. Moruzzi와 de Oliveira28는 사용된 챔버 수의 변화와 장치에서 고정되거나 조정된 속도 구배의 활용을 포함하여 다양한 작동 조건에서 연속적인 응집 챔버의 시스템 거동에 대한 시뮬레이션을 수행했습니다. Romphak, Le Men29는 준2차원 제트 정화기에서 순간 속도의 PIV 측정을 수행했습니다. 그들은 응집 구역에서 제트에 의해 유도된 강한 순환을 감지하고 국부적 및 순간적 전단 속도를 추정했습니다.