LEVEGŐZTETETT HOMOKFOGÓK KERESZTMETSZETI VIZSGÁLATA NUMERIKUS ÁRAMLÁSTANI SZIMULÁCIÓVAL KÉSZÍTETTE: MADARÁSZ EMESE (DOKTORANDUSZ, BME VKKT)
KONZULENS: DR. PATZIGER MIKLÓS (EGYETEMI DOCENS, BME VKKT) 2016.02.19.
LEVEGŐZTETETT HOMOKFOGÓ (HF) A SZENNYVÍZTISZTÍTÓ TELEPEN • A homokfogók meghatározó műtárgyai a tisztításnak és energiatermelésnek:
• homok hatékony leválasztása, így a további technológiai egységek védelme (koptatás mérséklése, műtárgyak feltöltődésének megakadályozása)
• szerves szubsztrátok, iszap leülepedésének megakadályozása (kell a biomassza felépítéshez; magasabb biogázkihozatal a rothasztás során, és abból nyert elektromos energia). • Ennek elérése egyoldali levegőztetés optimalizálásával és a geometria célszerű kialakításával lehetséges.
KERESZTMETSZET MENTÉN ZAJLÓDÓ FOLYAMATOK Egyoldali (aszimmetrikus) levegőztetés keresztmetszet menti hengeráramlás gerjesztésére
Zsír
Örvények
Homokszemcse
Homok W.Gujer, 2002
Zsírcseppek Turbulens nyírófeszültség
Nagy szervesanyagtartalmú iszappehely
KUTATÁSOM CÉLKITŰZÉSE A KÖVETKEZŐ KÉRDÉSEK MEGVÁLASZOLÁSA:
• Az előbb említett elméleti keresztmetszet menti áramlási struktúrákhoz képest valójában milyen keresztmetszet menti áramlási struktúrák alakulnak ki? • Hogyan lehet ezeket áramlástani szimulációs modellben leképezni? (különös tekintettel: víz-levegő többfázisú áramlásra)
• Hogyan befolyásolja a légbefúvás intenzitás a keresztmetszet menti áramlási folyamatokat és milyen intenzitásnál alakul ki a leghatékonyabb működést segítő keresztmetszet menti áramláskép? • Milyen hatással van a keresztmetszet kis beruházási igényű változtatása a légbefúvás szükséges mértékére és a működési hatékonyságára?
A fenti kérdések megválaszolására nincs releváns publikáció, mely a nemzetközi tervezési irányelvek kidolgozásának, átdolgozásának alapját képezhetné.
KUTATÁSI MÓDSZERTAN
A MODELL FELÉPÍTÉSE: A VIZSGÁLT LEVEGŐZTETETT HF
Hirschbeck, 2010.
A MODELL FELÉPÍTÉSE: LEKÉPEZÉS MENETE Geometria és modell felépítése
Kalibráció
Verifikáció
Peremfeltételek definiálása • •Többfázisú Euler-Euler modell • Rácsháló élhossz: 5 cminterakció leképzése fáziscsatoló tagokkal az • Víz-levegő fázis közötti • Többfázisú EULER-EULER modell impulzusegyenletben alkalmazása • (Ellenállás; súrlódás; felhajtóerő; nedvesítő erő; turbulens
• Légbuborék átmérő: mm, diszperziós erő; felületi6feszültség) • Turbulenciamodell: rng k- ε • 0,5 Nm3/m3h légbevitel intenzitás
• Légbuborék átmérő: 6 mm • Turbulenciamodell: rng k- ε • Turbulenciamodellek: s k-ε, rng k-ε, k-ω 3 3 • 1,0 Nm /m h légbevitel intenzitás
• Cfl szám <1 , időlépés 0,25 s, szimulált időtartam: 10 perc
VIZSGÁLATOK
Érzékenységvizsgálatok Modellvizsgálatok (kalibrált-verifikált modellel)
• Falérdesség (0; 0,4; 0,8 mm) • Légbefúvás intenzitás (+10%; -10%) • Kezdeti légbuborékátmérő (4, 6, 8 mm) • Turbulenciamodell (s k-ε, k-ω)
• Légbefúvás intenzitás hatása (0,6; 0,8; 1,0; 1,6 Nm3/m3h), • a geometria kis beruházási igényű változtatásának hatása,
a keresztetszet menti áramlási struktúrákra és a homokfogó hatékonyságára
EREDMÉNYEK:
• kalibráció
• verifikáció
• érzékenységvizsgálatok.
EREDMÉNYEK- KALIBRÁCIÓ, ÁRAMLÁSI KÉP
EREDMÉNYEK- KALIBRÁCIÓ
EREDMÉNYEK-VERIFIKÁCIÓ
EREDMÉNYEK-FALÉRDESSÉG ÉRZ.VIZSG
EREDMÉNYEK-LÉGBEFÚVÁS INT. ÉRZ.VIZSG
EREDMÉNYEK-KEZDETI LÉGBUBORÉKÁTMÉRŐ ÉRZ.VIZSG
EREDMÉNYEK-TURBULENCIAMODELL ÉRZ.VIZSG
ÉRZÉKENYSÉGVIZSGÁLATOK EREDMÉNYEINEK ÖSSZEFOGLALÁSA
• A kalibrált verifikált modell robosztus: • Érdességmagasság,
• Kezdeti légbuborékátmérő,
• Légbefúvás intenzitás kismértékű (+10%, -10%) változtatása tekintetében.
• A modell érzékeny:
• Turbulenciamodell tekintetében.
EREDMÉNYEK:
• légbefúvás intenzitás hatása
• geometria kis beruházási igényű változtatása.
0,6 Nm3/m3h
Ára mkép
TKE elos z-lás
0,8 Nm3/m3h
1,0 Nm3/m3h
1,6 Nm3/m3h
vmax. a medencefenéken
0,5
y = -0,0615x2 + 0,2743x + 0,1182 R² = 0,999
0,4
Vmax [m/s]
0,3 0,2 0,1
0
0
0,2
0,4
maximális sebességek a fenéken
Ajánlott tartomány 0,6
0,8
1
Légbefúvás intenzitás
1,4
1,6
1,8
τmax. a medencefenéken
0,8 0,7 0,6
y = -0,103x2 + 0,6035x + 0,0197 R² = 0,9986
τmax [m/s]
0,5 0,4 0,3 0,2
fenék-csúsztatófeszültség maximumok
Ajánlott tartomány
0,1
0
1,2
[Nm3/m3h]
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Légbefúvás intenzitás
1,2
[Nm3/m3h]
1,4
1,6
1,8
0,6 Nm3/m3h
Ára mkép
TKE elos z-lás
0,8 Nm3/m3h
1,0 Nm3/m3h
1,6 Nm3/m3h
0,6 Nm3/m3h
0,8 Nm3/m3h
0,6 Nm3/m3h
1,6 Nm3/m3h
Eredeti fenékvonal
ÖSSZEFOGLALÁS I.
• Kifejlesztettem a vizsgált HF keresztmetszet kétfázisú Euler-Euler típusú numerikus áramlástani modelljét • Kalibráció és verifikáció: München I homokfogóján több üzemállapotra kiterjedő ADV áramlásméréseinek eredményeivel
• Változtatható paraméterek felvétele (jellemző kezdeti buborékméret, levegő és vízfázis fizikai tulajdonságai) helyszíni, félüzemi, ill. laboratóriumi mérések alapján • A modell ellenőrzése érzékenységvizsgálat sorozattal történt (falérdesség,kezdeti átlagos buborékméret, légbefúvás intenzitás mértéke, turbulenciamodell) • A vizsgált levegőztetett HF keresztmetszet menti áramlási struktúráit a 2D modell kellő pontossággal leképezi
ÖSSZEFOGLALÁS II.
• A légbefúvás intenzitás változtatása döntő hatással van a sebesség és turbulencia eloszlásra, növelésével nő a hengeráramlás térfogatárama és sebessége
• A sík fenekű keresztmetszet kialakítás, 0,6 Nm3/m3h (legkisebb) légbefúvás intenzitás alkalmazásával kialakuló fenék-csúsztatófeszültségek a vizsgált frakciótartomány -0,13 mm- kritikus csúsztatófeszültség eredményeihez képest magasak felkeveredést eredményez • Homokgyűjtő vályú kialakítással a keresztmetszetben csökken a hengeráramlás térfogatárama és sebessége (eredeti fenéksíkot vizsgálva: 30 cm/s 15-20 cm/s, vályú fenekén: 5-7 cm/s)
• Jóval alacsonyabb fenék-csúsztatófeszültségek a vályúban a vizsgált frakciótartomány kritikus csúsztatófeszültség értékeinél felkeveredés így nem jön létre!
ÖSSZEFOGLALÁS III. Ajánlás a vizsgált homokfogóra:
• Javasolt légbefúvás intenzitás gyűjtővályú nélkül: max 0,4 Nm3/m3h • Javasolt légbefúvás intenzitás gyűjtővályúval: 0,6-1,0, max 1,4-1,6 Nm3/m3h (zápor)
Az értékek pontosítása érdekében minden homokfogó műtárgyat különkülön részleteiben kell vizsgálni!
KÖSZÖNÖM A MEGTISZTELŐ FIGYELMÜKET!
TÁVLATI KUTATÁSI CÉLKITŰZÉS • A modell alkalmas a hatékonyság szempontjából a geometria és légbefúvás intenzitás összhangjának vizsgálatára, ezáltal jó kiindulási alapot szolgáltat a 3D megközelítéshez • Keresztmetszet menti folyamatok és hosszirányú áramlási struktúrák közötti összefüggések feltárása három dimenziós megközelítéssel
• Homokfrakció transzportjának beépítése a numerikus áramlástani modellbe, mérési módszertan kidolgozása a csatornahálózati homok fizikai és ülepedési tulajdonságainak számszerűsítésére
