• 1. Inledning: CFD-simuleringar (Computational Fluid Dynamics)
• 2. Beskrivning av fallstudien
  • 2.1 DAF-fordonets geometri
  • 2.2 Randvillkor
  • 2.3 Definition av partiklar och flockar
• 3. Simuleringsresultat
  • 3.1 Simulering av vatten-, luft- och partikelfaserna i DAF-systemet för standard- och kundspecifika system
  • 3.2 Undersökning av utformningen av ingångsfönstren
  • 3.3 Undersökning av inloppsströmningens riktning till DAF
• 4. Förslag på åtgärder för att lösa turbulensen
• 5. Källor och tack

1. Inledning: simuleringar av strömningsdynamik (CFD, Computational Fluid Dynamics)

Simuleringar av strömningsmekanik (CFD) används inom hydrauliska flödessystem och transportprocesser.De är standardverktyg för utveckling av konstruktioner och utrustning med rörliga komponenter. I dag är CFD-simuleringar oumbärliga inom alla typer av ingenjörsvetenskaper, inklusive vattenrening.

Inom vattenreningsområdet simulerar CFD-program den strömningsdynamiska verkligheten samt beteendet hos vätskor och faser ( vatten, luft, fasta ämnen…), vilket kan vara svårt att observera direkt i vattenreningsanläggningar. Dessutom gör de det möjligt att förutsäga vilka effekter som skulle uppstå om någon driftsförhållande ändras (tryck, flöden etc.).

Dessa simuleringar erbjuder främst:

• Validering av approximationsmodeller med hjälp av mätningar.
• Deterministisk analys med hjälp av indikatorer.
• Ökad effektivitet hos utrustningen genom optimeringsplaner, med hänsyn till den ekonomiska genomförbarheten.

Här ska vi se hur vi på SIGMADAF genomför CFD-simuleringar för att förstå det exceptionella beteendet hos en DAF FPHF 750-enhet som installerats hos en kund som tillverkar kemikalier för livsmedelsberedning.

Dessa simuleringar har genomförts i samarbete medHydrograv, ett företag specialiserat på dynamiska vätskesimuleringar, och Instituto Tecnológico de Aragón.

Syftet är att förstå varför vattenflödet uppvisar ovanliga egenskaper och att använda slutsatserna från studien för att förbättra utrustningens mekanik och drift. Denna värdefulla information används också för att vidareutveckla kommande konstruktioner och tillverkningar av denna DAF-modell.

2. Beskrivning av fallstudien

Den undersökta anläggningen är ett DAF-system, modell FPHF 750. Anläggningen är i stort sett identisk med andra tidigare installerade anläggningar, men uppvisar driftsproblem som beror på turbulensen i flödet vid anläggningens inlopp. Med turbulens avses den ojämna hastighetsfördelningen vid anläggningens inlopp.

Innan simuleringarna av strömningsdynamiken genomförs fastställs två specifika mål:

• Identifiera orsakerna till den ökade turbulensen i inloppsområdet för avloppsvattnet utifrån två nyckelfaktorer: flöden och inloppsrörens utformning.
• Föreslå och analysera konstruktionsalternativ som minskar denna turbulens.

CFD-simuleringarna jämför konstruktionsvärdena med kundens specifika värden vad gäller inloppsflödet och utformningen av tillförselrören till DAF-anläggningen.

CFD-simuleringarna ger också en tydlig bild av hur DAF-systemet fungerar och visar på möjliga optimeringsområden, både vad gäller mekaniken och prestandan. Mer specifikt pekar de på en omkonstruktion av vissa fysiska delar som skulle möjliggöra en hydraulisk optimering, vilket i sin tur skulle leda till en ökad effektivitet i floksepareringen.

Alla relevanta processer beaktas:

• Vattenflöde.
• Vattnets hastighet.
• Mikrobubblornas beteende.
• Partiklarnas och flockarnas flyt- och sedimenteringsbeteende
• Lamellernas inverkan.

2.1 Utrustningens geometri

Detta är den förenklade geometrin för SIGMADAF FPHF 750-utrustningen. Denna geometri ligger till grund för CFD-simuleringarna.

Den inloppsledning som kunden har installerat har rörböjar med en vinkel på 60 grader, vilket skiljer sig från den standardkonfiguration på 90 grader som Sigma rekommenderar.

Inflödet till DAF-anläggningen träffar en plåt, varvid det delas upp i två strömmar. Därefter passerar varje ström genom ett fönster på 380 x 380 mm, som är symmetriskt placerade, såsom visas i figur 6. När strömmen har passerat fönstret möter den en deflektor som riktar den i vertikal riktning. Turbulensen uppstår i det övre utloppsområdet.

Den symmetriska konfigurationen syftar till att flödet ska fördelas jämnt över varje fönster. Det kan dock finnas faktorer som bryter flödessymmetrin och skapar en preferentiell riktning mot ett av fönstren, vilket bidrar till turbulens och till att slamflockar läcker ut mot klaringsutloppet.

För att bekräfta denna hypotes genomförs CFD-simuleringar som analyserar hur den hastighetsfördelning som observeras i inloppsområdet påverkar resultatet.

2.2.Randvillkor

Flerfasesimuleringar med luft och vatten genomförs, där luftbubblorna modelleras som den dispergerade fasen.

Vattnet strömmar in i DAF-anläggningen genom en rörledning med diameter DN600 från flokuleringsbehållaren som ligger före DAF-anläggningen. Rörledningens början (det övre rörböjet) är inte helt fylld, vilket framgår av följande bild:

Tabell 1 visar de randvillkor som tillämpas vid CFD-simuleringarna. I tabellen framgår skillnaderna mellan de konstruktionsvillkor som gällde när utrustningen tillverkades och de villkor som kunden vanligtvis tillämpar.

Tabell 1. Randvillkor för CFD-simuleringarna.

Parameter	enheter	designvärden	kundens värderingar
Inflöde	m³/h	725	400
Återcirkulerat flöde	m³/h	100	100
Totalt antal antal antal antal antal antal antal antal antal antal antal antal antal antal	m³/h	825	500
Minsta dimensionerade flöde	m³/h	550	550
Luftförbrukning	l/min	150	150
Mikrobubblans diameter	µm	30–50	30–50

2.3 Definition av partiklar och flockar

Partiklarna kan betraktas som en del av den vattenhaltiga fasen med hjälp av en algebraisk glidningsmodell. Partiklarnas relativa hastighet baseras på data från litteraturen och analyser av verkliga flockar. Beroende på partiklarnas densitet och hur väl de fäster vid mikrobubblorna kan dessa sedimentera, förbli svävande på samma nivå eller stiga upp mot ytan.

Partiklarnas relativa hastighet antas genom en approximativ beräkning. När mikrobubblorna fäster vid en slamflock minskar flockens densitet till under vattnets densitet, och uppåtgående hastigheten hos denna agglomerat (slam–luft) ökar.

Det exakta värdet för uppåtgående hastighet är okänt och varierar för varje flokkel. Av denna anledning fastställs ett intervall för uppåtgående hastigheter, som är fysiskt möjliga, i CFD-simuleringarna. Dessa relativa hastigheter redovisas i tabell 2.

Tabell 2. Beräknade partikelhastigheter. Negativa värden innebär att partiklarna rör sig uppåt (negativ ”sedimentationshastighet”).

Partikeltyp	Sedimentationshastighet (mm/sek)*
Hög	(-100) – (-1,0)
Svävar mitt i DAF	0,0
Sedimenterad	0,5 – 2,0

3. Resultat från simuleringarna av strömningsmekaniken

3.1 Simulering av vatten-, luft- och partikelfaserna i DAF för både standard- och kundspecifika system.

Inflödet avleds två gånger i inloppsröret (en gång vid varje krök) och avleds därefter ytterligare en gång vid inloppsöppningen innan det leds in i DAF-systemet. Inflödeshastigheterna är högre än 90 cm/sekund i det system som konstruerats av SIGMADAF, men ligger mellan 50–60 cm/sekund i det DAF-system som drivs av kunden (figur 8 (5.1) och 9 (5.3)).

Med tanke på de höga inloppshastigheterna och det i stort sett horisontella flödet i det konstruerade systemet träffar flödet den lutande inloppsplattan nästan horisontellt och avleds huvudsakligen uppåt mot tankens övre del (figur 10, vänster).

I kundens system är hastigheterna lägre och därför leds endast en del av flödet uppåt (figur 10, höger). I kundens system kan man se ett nedåtgående flöde genom inloppsöppningen, vilket innebär att det förekommer en kortslutning i flödet mellan rörledningens inlopp och utlopp, vilket mycket troligt leder till en ökning av mängden flockar i detta område.

Luftfördelningen i tanken visas i figur 11 och 12. Mikrobubblorna har endast en mycket liten egenrörelse på grund av sin låga stigshastighet och transporteras främst av strömningseffekten. På grund av det lägre flödet i kundens system transporteras mikrobubblorna långsamt och har en längre uppehållstid och högre koncentration än de skulle ha haft i det konstruerade systemet.

Figur 13 och 14 visar den turbulenta kinetiska energin i tanken. De högsta värdena uppmäts vid utloppet från inloppssektionen till DAF-anläggningen.

På grund av det lägre inloppsflödet, hastigheterna och den turbulenta kinetiska energin är fasuppdelningen större i kundens system. I det konstruerade systemet transporteras de uppåtgående partiklarna till den övre delen och därefter en del av dem mot botten genom lamellernas verkan, vilket framgår av figur 15. I kundens system transporteras en del av partiklarna direkt mot botten med flödet, utan att passera genom lamellerna.

3.2 Undersökning av utformningen av ingångsfönstren

Utöver CFD-simuleringen av hela DAF-systemet, inklusive inloppsrören, genomförs särskilda simuleringar som särskilt fokuserar på de inloppsöppningar som beskrivs i punkt 2.1. Kundens system används för dessa simuleringar. Resultaten visas i figur 16 och 17.

Den hastighetsprofil som uppstår i de parallella fönstren ger upphov till olika flöden i varje fönster, men skärningen i plåten mellan fönstren minskar endast marginellt skillnaden i flöde och hastighet som uppstår i inloppsområdet.

3.3 Undersökning av inloppsströmningens riktning till DAF

Slutligen simuleras det fall där vattnet inte tillförs från en tank genom att rinna ned genom ett rör, utan istället tillförs DAF-anläggningen linjärt och riktat direkt mot denna, vilket skulle vara fallet om ett PFL-flockuleringssystem ( plug-flow ) hade använts. Resultatet visas i figur 18.

Formen på flödeshastighetsprofilen vid inloppet till krökarna spelar en avgörande roll för flödesfördelningen mellan fönstren. I det fall där flödet är perfekt utvecklat och riktat direkt mot DAF-inloppet ser man en jämn fördelning mellan de båda fönstren. Däremot, när man beaktar utflödet från en tidigare tank, är flödet som kommer in i DAF mycket deformerat, vilket förhindrar en jämn fördelning mellan de båda fönstren.

4. Förslag på åtgärder för att hantera turbulensen

Nedan listas par av hypoteser och åtgärder för de olika scenarier som undersökts.

A) På grund av det lägre flödet i kundens system uppstår en kortslutning i flödesfördelningen, vilket leder till att partiklar dras med till den nedre delen av DAF-enheten vid dess inlopp. För att undvika detta kan man till exempel stänga av den nedre öppningen, såsom visas i figur 19.

B) Att skära ut en plåt för att förbinda de parallella fönstren skulle inte bidra till att förbättra flödesfördelningen och inloppshastigheterna, varför denna åtgärd bör uteslutas.

C) Om inloppsröret placeras så att det är perfekt riktat mot DAF-anläggningen skulle detta möjliggöra en jämn fördelning av flödet, vilket skulle kunna minska turbulensen.

Alla dessa hypoteser och åtgärder beaktas i framtida projekt. SigmaDAF:s mål är att kontinuerligt förbättra sina system för att anpassa dem till varje situation.

5. Källor och tack

ANSYS (2021): ANSYS FLUENT Theory Guide; Version 2021 R1.; ANSYS Inc.: Canonsburg, PA, USA.

Versteeg HK, Malalasekera W. (2007): En introduktion till beräkningsströmningsläran: den finita volymmetoden. Pearson Education.

Wilcox, DC (1998): Turbulensmodellering för CFD. DCW Industries, Inc. La Canada, Kalifornien.

Tack till:

Aragons tekniska institut: ITAINNOVA

Hydrograv GmbH