• 1. Wprowadzenie: symulacje CFD (Computational Fluid Dynamics)
• 2. Opis studium przypadku
  • 2.1 Geometria pojazdu DAF
  • 2.2 Warunki brzegowe
  • 2.3 Definicja cząstek i kłaczków
• 3. Wyniki symulacji
  • 3.1 Symulacja faz wody, powietrza i cząstek w systemie DAF dla systemów projektowanych przez nas oraz dostarczanych przez klienta
  • 3.2 Analiza rozmieszczenia okien wejściowych
  • 3.3 Badanie kierunku przepływu wody wpływającej do DAF
• 4. Proponowane działania mające na celu rozwiązanie problemów związanych z zawirowaniami
• 5. Bibliografia i podziękowania

1. Wprowadzenie: symulacje dynamiki płynów (CFD, czyli Computational Fluid Dynamics)

Symulacje dynamiki płynów (CFD) znajdują zastosowanie w układach hydraulicznych i procesach transportu.Stanowią one standardowe narzędzia projektowe w przypadku konstrukcji i urządzeń zawierających elementy przepływowe. Obecnie symulacje CFD są niezbędne we wszystkich dziedzinach inżynierii, w tym w inżynierii uzdatniania wody.

W dziedzinie uzdatniania wody programy CFD symulują rzeczywiste zjawiska dynamiki płynów oraz zachowanie płynów i faz ( wody, powietrza, cząstek stałych…), które mogą być trudne do bezpośredniej obserwacji w urządzeniach do uzdatniania wody. Ponadto pozwalają one przewidzieć skutki, jakie wystąpiłyby w przypadku zmiany jakichkolwiek warunków pracy (ciśnienia, natężenia przepływu itp.).

Symulacje te oferują przede wszystkim:

• Walidacja modeli aproksymacyjnych na podstawie pomiarów.
• Analiza deterministyczna z wykorzystaniem wskaźników.
• Zwiększenie wydajności sprzętu poprzez plany optymalizacji, z uwzględnieniem opłacalności ekonomicznej.

Poniżej przedstawimy, w jaki sposób w SIGMADAF przeprowadzamy symulacje CFD, aby zrozumieć wyjątkowe właściwości urządzenia DAF FPHF 750 zainstalowanego u klienta produkującego środki chemiczne do przygotowywania żywności.

Symulacje te zostały przeprowadzone we współpracy zfirmą Hydrograv, specjalizującą się w dynamicznych symulacjach przepływów płynów, oraz Instytutem Technologicznym Aragonii.

Celem jest zrozumienie, dlaczego przepływ wody zachowuje się w tak nietypowy sposób, oraz wykorzystanie wniosków z badania do ulepszenia konstrukcji i działania urządzenia. Te cenne informacje są również wykorzystywane do udoskonalenia przyszłych projektów i konstrukcji tego modelu DAF.

2. Opis studium przypadku

Badane urządzenie to system DAF, model FPHF 750. Urządzenie to jest praktycznie identyczne z innymi wcześniej zainstalowanymi urządzeniami, jednak występują w nim problemy eksploatacyjne związane z turbulencjami, które powstają w strumieniu powietrza w strefie wlotowej urządzenia. Przez turbulencje rozumie się nierównomierny rozkład prędkości na wlocie urządzenia.

Przed przeprowadzeniem symulacji dynamiki płynów wyznacza się dwa konkretne cele:

• Należy zidentyfikować przyczyny powodujące wzrost turbulencji w strefie wlotu ścieków w oparciu o dwa kluczowe czynniki: natężenie przepływu oraz konfigurację rurociągu wlotowego.
• Zaproponować i przeanalizować rozwiązania projektowe, które pozwolą ograniczyć te turbulencje.

W symulacjach CFD porównuje się wartości projektowe z wartościami określonymi przez tego klienta w odniesieniu do natężenia przepływu na wlocie oraz konfiguracji rurociągu zasilającego urządzenie DAF.

Symulacje CFD zapewniają również jasny obraz działania urządzenia DAF i wskazują potencjalne obszary wymagające optymalizacji, zarówno pod względem mechanicznym, jak i wydajnościowym. W szczególności wskazują one na konieczność przeprojektowania elementów fizycznych, co pozwoliłoby na optymalizację hydrauliki, a tym samym zwiększenie wydajności separacji kłaczków.

Uwzględniono wszystkie istotne procesy:

• Przepływ wody.
• Prędkość przepływu wody.
• Zachowanie mikropęcherzyków.
• Zachowanie cząstek i kłaczków podczas unoszenia się na powierzchni i osiadania
• Wpływ lameli.

2.1 Geometria urządzenia

Oto uproszczony schemat konstrukcyjny urządzenia SIGMADAF FPHF 750. Schemat ten stanowi podstawę symulacji CFD.

Rura doprowadzająca zamontowana przez klienta posiada kolanka o kącie 60°, co odbiega od standardowej konfiguracji zalecanej przez firmę Sigma, w której kąt ten wynosi 90°.

Strumień wchodzący do DAF uderza w blachę, po czym dzieli się na dwa strumienie. Następnie każdy strumień przepływa przez okno o wymiarach 380 x 380 mm, które są rozmieszczone symetrycznie, jak pokazano na rysunku 6. Po przejściu przez okno strumień napotyka deflektor, który kieruje go w pionie. Turbulencja powstaje w górnej strefie wylotu.

W układzie symetrycznym dąży się do równomiernego rozłożenia przepływu na każde okno. Mogą jednak wystąpić czynniki, które zakłócają symetrię przepływu i powodują preferencyjny kierunek przepływu w stronę jednego z okien, przyczyniając się do powstawania turbulencji i przedostawania się kłaczków szlamu w stronę wylotu osadnika.

Aby potwierdzić tę hipotezę, przeprowadza się symulacje CFD, które analizują wpływ rozkładu prędkości obserwowanego w strefie wlotu.

2.2. Warunki brzegowe

Przeprowadza się symulacje wielofazowe z udziałem powietrza i wody, w których pęcherzyki powietrza są modelowane jako faza rozproszona.

Woda wpływa do separatora DAF rurą o średnicy DN600, pochodzącą ze zbiornika flokulacyjnego znajdującego się przed separatorem DAF. Początkowy odcinek rury (górny kolanko) nie jest całkowicie wypełniony, jak widać na poniższym zdjęciu:

W tabeli 1 przedstawiono warunki brzegowe stosowane w symulacjach CFD. W tabeli tej można dostrzec różnice między warunkami projektowymi, na podstawie których skonstruowano urządzenie, a warunkami zazwyczaj stosowanymi przez klienta.

Tabela 1. Warunki brzegowe dla symulacji CFD.

Parametr	jednostki	wartości projektowe	wartości klienta
Przepływ na wlocie	m³/h	725	400
Przepływ recyrkulacyjny	m³/h	100	100
Łączna kwota wpływów	m³/h	825	500
Minimalny przepływ projektowy	m³/h	550	550
Przepływ powietrza	l/min	150	150
Średnica mikropęcherzyka	µm	30–50	30–50

2.3 Definicja cząstek i kłaczków

Cząstki można traktować jako część fazy wodnej, stosując algebraiczny model poślizgu. Prędkość względna cząstek opiera się na danych z literatury oraz analizach rzeczywistych kłaczków. W zależności od gęstości cząstek i ich przylegania do mikropęcherzyków mogą one osiadać na dnie, utrzymywać się na tym samym poziomie lub unosić się ku powierzchni.

W przybliżeniu przyjmuje się prędkość względną cząstek. Gdy mikropęcherzyki przylegają do kłębka osadu, gęstość kłębka spada poniżej gęstości wody, a prędkość wznoszenia tego agregatu (osad – powietrze) wzrasta.

Dokładna wartość prędkości wznoszenia nie jest znana i różni się dla każdego kłębka. Z tego powodu w symulacjach CFD ustala się zakres prędkości wznoszenia, które są fizycznie możliwe. Te prędkości względne przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 2. Szacunkowe prędkości cząstek. Wartości ujemne oznaczają, że cząstki poruszają się w górę (ujemna prędkość „sedimentacji”).

Rodzaj cząstki	Zakres szybkości sedymentacji (mm/s)*
Wysoka	(-100) – (-1,0)
Unosząc się pośrodku DAF	0,0
Osadzona	0,5 – 2,0

3. Wyniki symulacji dynamiki płynów

3.1 Symulacja faz wody, powietrza i cząstek w separatorze DAF dla systemów projektowych i dostarczonych przez klienta.

Strumień dopływający zmienia kierunek dwukrotnie w rurze dopływowej (po raz w każdym kolanku), a następnie ponownie w oknie wlotowym, zanim trafi do urządzenia DAF. Prędkości na wlocie są większe niż 90 cm/sekundę w systemie zaprojektowanym przez SIGMADAF, ale wynoszą od 50 do 60 cm/sekundę w systemie DAF obsługiwanym przez klienta (rysunki 8 (5.1) i 9 (5.3)).

Ze względu na duże prędkości na wlocie i praktycznie poziomy przepływ w układzie projektowym strumień uderza w nachyloną płytę wlotową niemal poziomo i jest głównie kierowany w górę, do górnej części zbiornika (rysunek 10, po lewej).

W układzie klienta prędkości są mniejsze, dlatego tylko część przepływu jest kierowana w górę (rys. 10, po prawej). W układzie klienta można zaobserwować przepływ w dół przez otwór wlotowy, co oznacza, że między wlotem a wylotem rury występuje zwarcie przepływowe, co najprawdopodobniej powoduje wzrost ilości kłaczków w tym obszarze.

Rozkład powietrza w zbiorniku przedstawiono na rysunkach 11 i 12. Mikropęcherzyki charakteryzują się zaledwie niewielkim ruchem własnym ze względu na niską prędkość unoszenia się i są przenoszone głównie pod wpływem przepływu. Ze względu na mniejsze natężenie przepływu w systemie klienta mikropęcherzyki przemieszczają się wolniej, co powoduje wydłużenie czasu przebywania w systemie oraz wzrost ich stężenia w porównaniu z systemem projektowym.

Rysunki 13 i 14 przedstawiają energię kinetyczną turbulencji w zbiorniku. Najwyższe wartości odnotowano na wylocie sekcji wlotowej do DAF.

Ze względu na mniejszy przepływ wlotowy, prędkości i energię kinetyczną turbulencji, stopień separacji faz jest większy w systemie Klienta. W systemie projektowym cząstki unoszące się w górę są transportowane do górnej części, a następnie część z nich opada na dno pod wpływem działania lameli, jak widać na rysunku 15. W systemie klienta część cząstek jest transportowana bezpośrednio na dno wraz z przepływem, bez przechodzenia przez lamele.

3.2 Analiza rozmieszczenia okien wejściowych

Oprócz symulacji CFD całego systemu DAF, obejmującej rurociąg wlotowy, przeprowadzono dodatkowe symulacje skupiające się w szczególności na oknach wlotowych opisanych w punkcie 2.1. Do tych symulacji wykorzystano system klienta. Wyniki przedstawiono na rysunkach 16 i 17.

Profil prędkości powstający w równoległych oknach powoduje różne natężenia przepływu w każdym oknie, jednak cięcie blachy między oknami nieznacznie zmniejsza różnicę natężenia przepływu i prędkości występującą w strefie wlotowej.

3.3 Badanie kierunku przepływu wody wpływającej do DAF

Na koniec symulowano przypadek, w którym woda nie wpływa ze zbiornika, spływając rurą, lecz wpływa do DAF w sposób liniowy, skierowana bezpośrednio w jego stronę, tak jak miałoby to miejsce w przypadku zastosowania systemu flokulacji typu plug-flow (PFL). Wynik przedstawiono na rysunku 18.

Kształt profilu prędkości przepływu na wlocie kolanek odgrywa kluczową rolę w rozkładzie przepływu między oknami. W przypadku, gdy przepływ jest idealnie ukształtowany i skierowany bezpośrednio w stronę wlotu DAF, obserwuje się równomierny rozkład między obydwoma oknami. Natomiast w przypadku przepływu wychodzącego z poprzedniego zbiornika, strumień wpływający do DAF jest bardzo zniekształcony, co uniemożliwia równomierny rozkład między obydwoma oknami.

4. Proponowane działania mające na celu rozwiązanie problemów związanych z zawirowaniami

Poniżej przedstawiono pary hipotez i działań dla poszczególnych badanych scenariuszy.

A) Z powodu mniejszego natężenia przepływu w instalacji klienta dochodzi do zakłócenia w rozkładzie przepływu, co powoduje przemieszczanie się cząstek w kierunku dolnej części separatora DAF, w obszarze jego wlotu. Aby temu zapobiec, jednym z rozwiązań jest zamknięcie dolnego otworu, jak pokazano na rysunku 19.

B) Wycięcie w blasze w celu połączenia równoległych okien nie przyczyniłoby się do poprawy rozkładu przepływu i prędkości na wlocie, dlatego też należy odrzucić to rozwiązanie.

C) Takie ustawienie rury wlotowej, aby była idealnie skierowana w stronę DAF, umożliwiłoby równomierny rozkład przepływu, co mogłoby zmniejszyć turbulencje.

Wszystkie te założenia i działania są brane pod uwagę przy realizacji przyszłych projektów. Celem SigmaDAF jest ciągłe ulepszanie swoich urządzeń, aby dostosować je do każdej sytuacji.

5. Bibliografia i podziękowania

ANSYS (2021): Podręcznik teoretyczny ANSYS FLUENT; wersja 2021 R1.; ANSYS Inc.: Canonsburg, PA, USA.

Versteeg HK, Malalasekera W. (2007): Wprowadzenie do obliczeniowej dynamiki płynów: metoda objętości skończonych. Pearson Education.

Wilcox, DC (1998): Modelowanie turbulencji w CFD. DCW Industries, Inc. La Canada, Kalifornia.

Podziękowania:

Instytut Technologiczny Aragonii: ITAINNOVA

Hydrograv GmbH