LEVEGŐZTETETT HOMOKFOGÓK KERESZTMETSZETI VIZSGÁLATA NUMERIKUS ÁRAMLÁSTANI SZIMULÁCIÓVAL

Átírás

1 LEVEGŐZTETETT HOMOKFOGÓK KERESZTMETSZETI VIZSGÁLATA NUMERIKUS ÁRAMLÁSTANI SZIMULÁCIÓVAL KÉSZÍTETTE: MADARÁSZ EMESE (DOKTORANDUSZ, BME VKKT) KONZULENS: DR. PATZIGER MIKLÓS (EGYETEMI DOCENS, BME VKKT)

2 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.

3 KERESZTMETSZET MENTÉN ZAJLÓDÓ FOLYAMATOK Egyoldali (aszimmetrikus) levegőztetés keresztmetszet menti hengeráramlás gerjesztésére Zsír Örvények Zsírcseppek Turbulens nyírófeszültség Homok Homokszemcse W.Gujer, 2002 Nagy szervesanyagtartalmú iszappehely

4 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.

5 KUTATÁSI MÓDSZERTAN

6 A MODELL FELÉPÍTÉSE: A VIZSGÁLT LEVEGŐZTETETT HF Hirschbeck, 2010.

7 A MODELL FELÉPÍTÉSE: LEKÉPEZÉS MENETE Geometria és modell felépítése Kalibráció Verifikáció Többfázisú Peremfeltételek Euler-Euler definiálása modell Rácsháló élhossz: 5 cm Többfázisú impulzusegyenletben EULER-EULER modell alkalmazása Légbuborék diszperziós erő; átmérő: felületi 6 feszültség) mm, Turbulenciamodell: rng k- ε 0,5 Nm 3 /m 3 h légbevitel intenzitás Víz-levegő fázis közötti interakció leképzése fáziscsatoló tagokkal az (Ellenállás; súrlódás; felhajtóerő; nedvesítő erő; turbulens Légbuborék átmérő: 6 mm Turbulenciamodell: rng k- ε Turbulenciamodellek: 1,0 Nm 3 /m 3 s k-ε, rng k-ε, k-ω h légbevitel intenzitás Cfl szám <1, időlépés 0,25 s, szimulált időtartam: 10 perc

8 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 Nm 3 /m 3 h), a geometria kis beruházási igényű változtatásának hatása, a keresztetszet menti áramlási struktúrákra és a homokfogó hatékonyságára

9 EREDMÉNYEK: kalibráció verifikáció érzékenységvizsgálatok.

10 EREDMÉNYEK- KALIBRÁCIÓ, ÁRAMLÁSI KÉP

11 EREDMÉNYEK- KALIBRÁCIÓ

12 EREDMÉNYEK-VERIFIKÁCIÓ

13 EREDMÉNYEK-FALÉRDESSÉG ÉRZ.VIZSG

14 EREDMÉNYEK-LÉGBEFÚVÁS INT. ÉRZ.VIZSG

15 EREDMÉNYEK-KEZDETI LÉGBUBORÉKÁTMÉRŐ ÉRZ.VIZSG

16 EREDMÉNYEK-TURBULENCIAMODELL ÉRZ.VIZSG

17 ÉRZÉKENYSÉGVIZSGÁLATOK EREDMÉNYEINEK ÖSSZEFOGLALÁSA A kalibrált verifikált modell robosztus: Érdességmagasság, Kezdeti légbuborékátmérő, Légbefúvás intenzitás kismértékű (+10%, -10%) változtatása tekintetében. A modell érzékeny: Turbulenciamodell tekintetében.

18 EREDMÉNYEK: légbefúvás intenzitás hatása geometria kis beruházási igényű változtatása.

19 0,6 Nm 3 /m 3 h 0,8 Nm 3 /m 3 h 1,0 Nm 3 /m 3 h 1,6 Nm 3 /m 3 h Ára m- kép TKE elos z-lás

20 V max [m/s] τ max [m/s] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 v max. a medencefenéken y = -0,0615x 2 + 0,2743x + 0,1182 R² = 0,999 Ajánlott tartomány 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Légbefúvás intenzitás [Nm 3 /m 3 h] τ max. a medencefenéken y = -0,103x 2 + 0,6035x + 0,0197 R² = 0,9986 Ajánlott tartomány maximális sebességek a fenéken fenék-csúsztatófeszültség maximumok 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Légbefúvás intenzitás [Nm 3 /m 3 h]

21

22 0,6 Nm 3 /m 3 h 0,8 Nm 3 /m 3 h 1,0 Nm 3 /m 3 h 1,6 Nm 3 /m 3 h Ára m- kép TKE elos z-lás

23 0,6 Nm 3 /m 3 h 0,8 Nm 3 /m 3 h 0,6 Nm 3 /m 3 h 1,6 Nm 3 /m 3 h

24 Eredeti fenékvonal

25

26 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

27 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 Nm 3 /m 3 h (legkisebb) légbefúvás intenzitás alkalmazásával kialakuló fenék-csúsztatófeszültségek a vizsgált frakciótartomány -0,1-3 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 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!

28 ÖSSZEFOGLALÁS III. Ajánlás a vizsgált homokfogóra: Javasolt légbefúvás intenzitás gyűjtővályú nélkül: max 0,4 Nm 3 /m 3 h Javasolt légbefúvás intenzitás gyűjtővályúval: 0,6-1,0, max 1,4-1,6 Nm 3 /m 3 h (zápor) Az értékek pontosítása érdekében minden homokfogó műtárgyat különkülön részleteiben kell vizsgálni!

29 KÖSZÖNÖM A MEGTISZTELŐ FIGYELMÜKET!

30 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