بخشی از مقاله
خلاصه
تانکهای تهنشینی در تصفیه آب و فاضالب شهری و در بعضی از فرایندهای صنعتی برای جدا کردن مواد معلق موجود در آب کاربرد دارند. راههای مختلفی برای بررسی راندمان حوضچههای اولیه تهنشینی وجود دارد که یکی از آنها روش منحنی ردیاب جریان است. منحنی ردیاب به بررسی جریان در حوضچهها با استفاده از مواد ردیاب میپردازد. استفاده از رنگها و ردیابها برای تعیین منحنی توزیع زمان ماندگاری، یکی از سادهترین و موفقترین روشهایی است که بهمنظور ارزیابی عملکرد هیدرولیکی حوضچهها در مقیاس کامل استفاده میشود.
در این پژوهش برای درک بهتر از شبیهسازی جریان، هندسه و جریان بهصورت سهبعدی مدلسازی شده، معادالت پیوستگی و مومنتوم از روش حجم محدود تحلیل شده و از تغییر چگالی جریان و وجود ذرات در سیال چشمپوشی شده است. برای مقایسه راندمان هیدرولیکی حوضچه تهنشینی نسبت به عمق حوضچه از منحنیهای ردیاب که بیانگر زمان ماندگاری ماده رنگی در تانک تهنشینی در عمقهای مختلف میباشد، استفاده شده است. همچنین تأثیر افزایش و کاهش قطر حوضچه در عملکرد آن موردمطالعه قرار گرفته است. بررسی نتایج عمقهای مختلف نشان میدهد که عمق 15 فوت عمق مناسب برای این تانک میباشد که سبب بهبود عملکرد تانک و کاهش هزینههای ساخت میشود.
1. مقدمه
حوضچههای اولیه تهنشینی در تصفیهخانهها برای حذف مواد جامد معلق موجود در آب بهکار گرفته میشوند. در روشهای طراحی تحلیلی، از فرضهای ساده برای تحلیل رفتار سیال و ذرات در حوضچهها استفاده میشود. برای دقت بیشتر در بررسی خصوصیات جریان در حوضچه تهنشینی تالش میشود که از مدلهای ریاضی بهجای روشهای تحلیلی استفاده شود. برای توصیف بهتر رفتار جریان سیال در حوضچه تهنشینی سه روش ارائه شده است.
• مدل یکبعدی جریان در مخزن تهنشینی که کینچ آن را معرفی کرد. وی انتقال عمودی مواد جامد را در نظر گرفت و از انتشار افقی مواد جامد صرفنظر کرد
• مدلهای دوبعدی جهت توصیف بهتر رفتار جریان سیال در حوضچه تهنشینی ارائه شدند. امام و همکاران از مدل دوبعدی برای سادهسازی مدل سهبعدی استفاده کردند. آنها ویژگیهای سیال را در حوضچههای تهنشینی در نظر گرفتند
• مدل سهبعدی که اثربخشی باالتری بهدلیل روشن نمودن رفتار جریان در حوضچه تهنشینی داشت، کاربرد وسیعتری پیدا کرد. چامبر و لراک از مدل آشفتگی K- برای مدلسازی حوضچههای تهنشینی استفاده کردند. کاربرد این روش در محدوده جریانهای با آشفتگی زیاد و اعداد رینولدز باال خالصه میشود. ابعاد بزرگ سیستم و ویسکوزیته کم مواد معلق سبب افزایش عدد رینولدز میشود؛ لذا در حوضچههای تهنشینی از این مدل آشفتگی استفاده میشود
جونز و همکاران اصالحاتی بر مدل استاندارد K- انجام دادند. آنها برای دقت بیشتر این مدل آشفتگی در بعضی از سیستمهای جریان، از قبیل جریان در امتداد سطوح منحنی، جریان با چرخش در الیه مرزی از مدل K- RNG که مبتنی بر مدل K- استاندارد بود، استفاده کردند
بازده هیدرولیکی حوضچهکامالً وابسته به هیدرولیک سیال موجود در حوضچه است. صحت این موضوع توسط نتایج کار استمو و همکاران در حوضچههای تهنشینی اولیه نشان داده شده است که اگر غلظت مواد معلق در ورودی از 200 mg/l کمتر باشد از اثر شناوری و تأثیر ذرات جامد بر سیال آب، میتوان صرفنظر کرد .]5[ آنها ضمن استفاده از مدل K- استاندارد و منحنی ردیاب FTC، به بهینهسازی حوضچهها بهصورت دوبعدی پرداختند
از جدیدترین بررسیهای سهبعدی میتوان به کار لیو و گارسیا اشاره کرد که در مطالعهی آنها از مدل K- استاندارد استفاده شد و مناسبسازی حوضچه و بافل حوضچه بهوسیله منحنی ردیاب انجام شد .]7[ در این مطالعه مدل بهصورت سهبعدی موردبررسی قرار گرفت و از مدل آشفتگی K- RNG و همچنین از روش منحنی ردیاب FTC جهت تعیین راندمان حوضچه استفاده شد.
بطور کلی حوضچههای تهنشینی به دو دسته مکعب مستطیلی و استوانهای تقسیمبندی میشوند. از مزیتهای حوضچههای تهنشینی مستطیلی به دایروی این است که وقتی از چند حوضچه استفاده میشود، مساحت کمتری اشغال میشود. از مزیتهای حوضچه دایروی به مستطیلی نیز میتوان به کاهش فضای مرده در حوضچه اشاره کرد که سبب افزایش راندمان هیدرولیکی میشود.
در این پژوهش به بررسی حوضچههای دایروی پرداخته میشود. برای درک بهتر از شبیهسازی جریان، هندسه و جریان بهصورت سهبعدی مدلسازی میشود، معادالت پیوستگی و مومنتوم از روش حجم محدود تحلیل میگردد و از تغییر چگالی جریان و وجود ذرات در سیال چشمپوشی میشود. برای مقایسه راندمان هیدرولیکی حوضچه تهنشینی نسبت به عمق حوضچه از منحنیهای ردیاب که بیانگر زمان ماندگاری ماده رنگی در تانک تهنشینی در عمقهای مختلف میباشد، استفاده میشود. همچنین تأثیر افزایش و کاهش قطر حوضچه در عملکرد آن مورد مطالعه قرار میگیرد.
2. معادالت حاکم بر جریان
به منظور تحلیل سیال، باید بتوان معادالت حاکم بر جریان را در تمام نقاط شبکه تحلیل نمود. معادالت حاکم بر جریان سیال، معادالت پیوستگی و مومنتوم میباشند که درمجموع به معادالت ناویر- استوکس معروفند. مدلهای صفر معادلهای، یک معادلهای و دو معادلهای از معادالت ناویر- استوکس حاصل میشوند. مدلهای صفر معادلهای یا مدلهای طول اختالطی تنها از روابط و معادالت جبری جهت اندازهگیری استفاده میکند. مدلهای صفر معادلهای نمیتوانند تأثیر جریان آشفته در باالدست جریان را بر روی جریان پاییندست پیشبینی کنند. مدلهای یک معادلهای به خاطر عدم توانایی در وفق دادن خود با تغییرات سریع در مقیاسهای طولی، مورد انتقاد هستند.
مدلهای دو معادلهای شامل دو معادلهی دیفرانسیل جزئی اضافه شده است. این مدلها به عنوان زیربنای بسیاری از تحقیقات مربوط به مدلسازی جریانهای آشفته در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفتهاند. از مدلهای دو معادلهای برای پیشبینی خواص جریان آشفته بدون آگاهی قبلی از ساختار جریان استفاده میشود. درحالیکه در مدل صفر معادلهای و یک معادلهای برای تعیین اندازهی طول اختالط، نیاز به از پیش دانستن رژیم جریان و شکل آن میباشد که این امر مدلسازی جریانهای آشفته را پیچیده میکند.
ویژگیهایی مانند قدرت، اقتصادیبودن و دقت قابلقبول برای طیف وسیعی از جریانهای آشفته، مدل دو معادلهای را به یک مدل رایج برای جریانهای صنعتی و مدلسازی انتقال حرارت، تبدیل نموده است. در این پژوهش از معادالت پیوستگی و مومنتوم و مدل آشفتگی K- RNG استفاده میشود. مدل K- نرمالیزهشده RNG میباشد که دارای ریاضیات بسیار پیچیده است. معادالت پیوستگی و مومنتوم به شرح زیر است.
در این روابط u سرعت، t زمان، چگالی، P فشار، g شتاب گرانش و تانسور تنش کلی ناشی از نیروهای داخلی میباشد.
3. مدلسازی هندسی و خطوط جریان
برای طراحی و مشاهده عملکرد تانک از میدان جریان تولیدشده بهوسیلهی مدل عددی استفاده میشود. فاضالب از طریق لولهی ورودی وارد میشود. به دلیل وجود دیوارهی حفاظ، انسداد رخ میدهد، آنگاه سیال به سمت پایین دیواره میرود تا راهی را برای خروج پیدا کند. در طول مسیر جریان، کسری از ذرات تهنشین شده و سپس وارد ناحیه تانک شده؛ ولی با توجه به عمق کم سرریز، برای خروج به دیواره برخورد کرده و دوباره به سمت تانک حرکت میکند. این عمل ممکن است چند بار تکرار شده و باعث شود که طول خطوط جریان بیشتر شده و آب زاللتری از تانک خارج شود.
چرخش زیاد جریان در اطراف دیوارهی حفاظ، طول مسیر جریان را زیاد نموده و سبب تشدید تهنشینی ذرات میشود. برای این کار از روش منحنی ردیاب استفاده میگردد که به بررسی راندمان هیدرولیکی تانک تهنشینی میپردازد. در این پژوهش ابتدا طبق ابعاد موجود در مرجع ]7[ هندسه تانک و جریان مدلسازی شده است که چرخش زیادی را در اطراف دیوارهی بافل نشان میدهند. این افزایش چرخش طول مسیر جریان را زیاد میکند که خود سببی بر تهنشینی ذرات است. در شکلهای 1 و 2 نمای طولی حوضچه مدلسازی خطوط جریان در حوضچه نمایش داده شده است.
شکل -1 نمای طولی حوضچه و معرفی اجزا.
شکل -2 هندسه و جهت خطوط جریان.
برای بیان مدل، از ابعاد حوضچههای تهنشینی موجود در مرجع ]7[ بهره گرفته شده است. مدلسازی هندسه فوق با استفاده از نرمافزار ICEM-CFD انجام گرفت. مش مورداستفاده در شبکهبندی هندسه حوضچه، شبکه غیر ساختار یافته چهار وجهی - Tetra Unstructured Mesh - است که تعداد آنها 12,000,000 عدد است. بزرگترین اضالع شبکه موجود 10 سانتیمتر و کوچکترین آن 2 سانتیمتر است که با بررسی کیفیت شبکه، اندازه شبکههای ایجادشده مناسب است.
شکل -3 هندسه تانک تهنشینی اولیه دایروی با دیوارهی ورودی و خروجی.
