Προσομοίωση ροών σε δεξαμενές καθίζησης

Abstract

Οι δεξαμενές καθίζησης είναι ένα από τα πιο βασικά στάδια των μονάδωνεπεξεργασίας του πόσιμου νερού. Με την καθίζηση επιτυγχάνεται ηαπομάκρυνση της πλειονότητας των αιωρούμενων στερεών, με τη βοήθεια τωνδυνάμεων της βαρύτητας. Υπάρχουν πολλοί σημαντικοί παράγοντες, οι οποίοιεπηρεάζουν το σχεδιασμό μιας δεξαμενής καθίζησης, όπως είναι οι κλιματικέςσυνθήκες, η διαθέσιμη παροχή, η μέθοδος που θα χρησιμοποιηθεί για τηναπομάκρυνση της λάσπης, το κόστος και η γεωμετρική διαμόρφωση τηςδεξαμενής, οι θερμοκρασιακές διακυμάνσεις εντός της δεξαμενής και η ταχύτητακαθίζησης των αιωρούμενων στερεών. Τα αριθμητικά μοντέλα των δεξαμενών καθίζησης, τα οποία βασίζονται σεμεθόδους υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics -CDF), μπορούν να αποτελέσουν χρήσιμα εργαλεία για τη μελέτη τέτοιωνσύνθετων ροών. Οι εν λόγω αριθμητικές μέθοδοι μπορούν να δώσουν λεπτομερήαποτελέσματα σε όλα τα σημεία της ροής, τα οποία σε πολλές περιπτώσειςυπερτερούν των μετρήσεων πεδίου και των εργαστηριακών πειραμάτων. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η προσομοίωση και ημελέτη της λειτουργίας δεξαμενών καθίζησης πόσιμου νερού (ορθογωνική,κυκλική και ορθογωνική με κεκλιμένες πλάκες). Ο βασικός άξονας είναι η μελέτητων υδροδυναμικών χαρακτηριστικών της ροής, τα οποία προκύπτουν από τημικτή συναγωγή που προκαλείται από τις διακυμάνσεις της πυκνότητας (ειδικάστις χαμηλές θερμοκρασίες, όπου η διακύμανση της πυκνότητας είναι μηγραμμική) σε συνδυασμό με την οριζόντια ροή, λαμβάνοντας υπόψη τηναλληλεπίδραση μεταξύ των δύο φάσεων (νερό και σωματίδια). Η μελέτη τηςυδροδυναμικής συμπεριφοράς αυτών των πολύπλοκων σχηματισμώνεπιτυγχάνεται με τη χρήση μεθόδων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής, με τοεμπορικό λογισμικό ANSYS FLUENT. Για να μελετηθεί το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης μεταξύ του νερού καιτων σωματιδίων προτείνεται ένα πολυφασικό αριθμητικό μοντέλο, το οποίολαμβάνει υπόψη την αλληλεπίδραση μεταξύ της κύριας φάσης (νερού) και της δευτερεύουσας φάσης (σωματίδια) και το οποίο εφαρμόζεται σε μιαορθογωνική δεξαμενή καθίζησης για ένα εύρος διαμέτρων αιωρούμενων στερώνκαι ογκομετρικών κλασμάτων. Επιπροσθέτως, επιλύονται δύο σενάρια για δύοδιαφορετικά βάθη ροής, για να μελετηθεί πώς διαμορφώνεται η αλληλεπίδρασητων δύο φάσεων σε συνάρτηση με την αύξηση του βάθους ροής της δεξαμενήςκαθίζησης. Όλες οι προηγούμενες διερευνήσεις αντιμετώπιζαν τη δευτερεύουσαφάση ως μια συνεχή φάση (Euler-Euler προσέγγιση) ή ως μια διακριτή φάση(Euler-Lagrange προσέγγιση) χωρίς όμως να λαμβάνουν υπόψη τους τηναλληλεπίδραση των δύο φάσεων. Αντίθετα, η προτεινόμενη αριθμητική πολυφασική μέθοδος θεωρεί την κύριαφάση ως συνεχή και τα σωματίδια ως δευτερεύουσα-διακριτή φάση καιλαμβάνει υπόψη της την αλληλεπίδραση-σύζευξη των σωματιδίων με τηδυναμική του ρευστού, καθώς υπολογίζει το ποσοστό της ορμής πουανταλλάχτηκε και μεταφέρθηκε από το νερό στα σωματίδια (και τοαντίστροφο). To βασικό προτέρημα της προτεινόμενης μεθόδου είναι ότιυπολογίζεται ξεχωριστά η τροχιά του κάθε σωματιδίου και ότι το αριθμητικόμοντέλο μπορεί να υπολογίσει την ορμή που "κερδήθηκε" ή "χάθηκε" από τη ροήτων σωματιδίων και αυτές οι ποσότητες ενσωματώνονται στους επόμενουςυπολογισμούς της συνεχούς φάσης. Έτσι, ενώ η κύρια φάση πάντα αλληλεπιδράμε τη διακριτή φάση, στο μοντέλο αυτό ενσωματώνεται και η επίδραση τηςδιακριτής φάσης στη συνεχή. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων δείχνουν πως η αλληλεπίδραση αυτήτων δύο φάσεων επηρεάζει το πεδίο ροής και σαν αποτέλεσμα και την ταχύτητατου ρευστού. Η επιρροή αυτή είναι εντονότερη στα σωματίδια μεγάληςδιαμέτρου, τα οποία έχουν μεγαλύτερο χρόνο υποχαλάρωσης από τοχαρακτηριστικό χρόνο της ροής. Η ένταση της τύρβης εξασθενεί με τηνεισαγωγή των σωματιδίων στο πεδίο ροής, η όποια συμμετρία χάνεται καιδημιουργούνται νέοι στρόβιλοι. Ο έλεγχος της αξιοπιστίας του προτεινόμενου πολυφασικού μοντέλουπραγματοποιήθηκε μέσω της αναπαραγωγής δημοσιευμένων εργαστηριακώνπειραμάτων. Επιπροσθέτως, διεξήχθησαν πειραματικές μετρήσεις για τηδιακύμανση της θερμοκρασίας σε διάφορα σημεία εντός της κυκλικής δεξαμενήςτης Εγκατάστασης Επεξεργασίας Πόσιμου Νερού Θεσσαλονίκης (ΕΕΝΘ), οι οποίες και αναπαρήχθησαν αριθμητικά, για τον περεταίρω έλεγχο τηςαξιοπιστίας του μοντέλου. Στην ίδια πραγματική κυκλική δεξαμενή της Εγκατάστασης ΕπεξεργασίαςΠόσιμου Νερού Θεσσαλονίκης (ΕΕΝΘ) όπου διεξήχθησαν οι πειραματικέςμετρήσεις, μελετήθηκαν και τα υδροδυναμικά χαρακτηριστικά της μικτήςσυναγωγής, που προκαλείται από τον συνδυασμό της διακύμανσης τηςπυκνότητας (λόγω των θερμοκρασιακών διακυμάνσεων) και της οριζόντιαςροής. Σε αντίθεση με όλες τις προηγούμενες διερευνήσεις, μελετήθηκε και η μηγραμμική περιοχή της πυκνότητας στις χαμηλές θερμοκρασίες του νερού (0-100C), όπου η σχέση της πυκνότητας με τη θερμοκρασία είναι έντοναπαραβολική. Για να καλυφθεί και να ερευνηθεί όλο το εύρος της κατανομής τηςπυκνότητας, μελετώνται τρεις περιπτώσεις. Μια στην αύξουσα παραβολικήπεριοχή της πυκνότητας, μια στη φθίνουσα παραβολική περιοχή τηςπυκνότητας, και μια στη γραμμική περιοχή της πυκνότητας. Για να προσομοιωθεί με ακρίβεια η ροή και να περιγραφεί το πραγματικόφυσικό πρόβλημα δεν χρησιμοποιήθηκαν, σε αντίθεση με τις προηγούμενεςδιερευνήσεις, οι συμβατικές σχέσεις για την πυκνότητα, που έχειενσωματωμένες το υπολογιστικό μοντέλο. Εν αντιθέσει ενσωματώθηκαν στομοντέλο, οι εξισώσεις που έχει υιοθετήσει η Unesco, με τη χρήση της γλώσσαςπρογραμματισμού C, οι οποίες περιγράφουν ακριβέστερα τις θερμοφυσικέςιδιότητες του νερού (πυκνότητα, θερμική αγωγιμότητα, δυναμικό ιξώδες, ειδικήθερμότητα). Το βασικό πλεονέκτημα αυτής της προτεινόμενης προσέγγισηςείναι το γεγονός ότι η θερμοκρασία σε κάθε υπολογιστικό κελί ενημερώνεται σεκάθε επανάληψη της υπολογιστικής διαδικασίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ναενημερώνονται παράλληλα και όλες οι θερμοφυσικές ιδιότητες του ρευστού σεκάθε υπολογιστικό κελί. Έτσι, προβλέπεται αριθμητικά η πραγματική φυσικήσυμπεριφορά του ρευστού, σε συνδυασμό με πραγματικές (εκ τωνπειραματικών μετρήσεων) εισαχθείσες μεταβλητές. Και σε αυτό το αριθμητικόμοντέλο έχει ληφθεί υπόψη η αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο φάσεων της ροής. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων δείχνουν πως ειδικά στις χαμηλέςθερμοκρασίες (αύξουσα περιοχή της πυκνότητας σε συνάρτηση με τηθερμοκρασία), δημιουργούνται έντονα ρεύματα πυκνότητας, η θολότητα στην ελεύθερη επιφάνεια αυξάνεται, η απόδοση μειώνεται και η δεξαμενή παύει ναλειτουργεί ικανοποιητικά. Τέλος, οι παραπάνω προτεινόμενες αριθμητικές μέθοδοι χρησιμοποιήθηκανκαι για τη μελέτη των υδροδυναμικών χαρακτηριστικών της ροής μιαςορθογωνικής δεξαμενής καθίζησης με κεκλιμένες πλάκες (λαμέλες), η οποίαπρόκειται να κατασκευαστεί κατά την επέκταση της ΕγκατάστασηςΕπεξεργασίας Πόσιμου Νερού Θεσσαλονίκης (ΕΕΝΘ). Πραγματοποιήθηκανπροσομοιώσεις με τη χρήση και πάλι μεθόδων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής,όπου σε αντίθεση με τις προηγούμενες διερευνήσεις οι οποίες μελετούσαν τιςλαμέλες απομονωμένες, η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά καιπροσομοιώνει ολόκληρη τη δεξαμενή καθίζησης με ένα πλήρες ενσωματωμένοσύστημα κεκλιμένων πλακών. Μελετήθηκαν δύο διατάξεις: μια μεενσωματωμένο το σύστημα των κεκλιμένων πλακών εντός της δεξαμενής(λαμέλες) και μία άλλη συμβατική ορθογωνική δεξαμενή (χωρίς λαμέλες), για ναδιερευνηθεί η επιρροή των λαμελών στην απόδοση της δεξαμενής. Από τααποτελέσματα των προσομοιώσεων προκύπτει ότι οι κεκλιμένες πλάκεςδιευκολύνουν την ομαλή λειτουργία της δεξαμενής καθίζησης, πλέον η δεξαμενήλειτουργεί ικανοποιητικά ακόμα και στις χαμηλές θερμοκρασίες, όπου η σχέσητης πυκνότητας με τη θερμοκρασία είναι έντονα παραβολική. Συνοψίζοντας, στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται καιαποτιμάται μια πολυφασική αριθμητική προσέγγιση ως ένα χρήσιμο εργαλείογια την προσομοίωση της υδροδυναμικής συμπεριφοράς των δεξαμενώνκαθίζησης, καθώς τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων καταδεικνύουν ότι ηπροτεινόμενη μεθοδολογία παρέχει εκτός από ρεαλιστικές προβλέψεις και μιακαλύτερη αντιμετώπιση στη σύζευξη μεταξύ των δύο φάσεων του ρευστού.Επιπροσθέτως, προτείνεται και αποτιμάται η χρήση ακριβέστερων εξισώσεωνπου περιγράφουν τις θερμοφυσικές ιδιότητες του ρευστού, οι οποίες μπορούννα χρησιμοποιηθούν ακόμα και στις χαμηλές θερμοκρασίες όπου η κατανομήτης πυκνότητας είναι έντονα παραβολική. Η χρήση του προτεινόμενουπολυφασικού μοντέλου σε συνδυασμό με την ενσωμάτωση των προτεινόμενωνεξισώσεων μπορεί να συμβάλει σημαντικά στην πληρέστερη κατανόηση καιστην αριθμητική πρόβλεψη της πραγματικής φυσικής συμπεριφοράς τουρευστού σε μια δεξαμενή καθίζησης.