Исследование осаждения примесей в горизонтальном отстойнике. Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСАЖДЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ

ОТСТОЙНИКЕ

Ризаев Абдумалик Набиевич Ташкентский государственный транспортный университет, доктор т.н., профессор, [email protected].

Тел. 971303020.

Адилов Камол Ахрорович

Ташкентский государственный транспортный университет, доцент, [email protected]. Тел.973335830.

Хушвактов Дилшод ^ахрамонович Ташкентский государственный транспортный университет, ассистент, [email protected]. 901155102.

Эргашев ^ахрамон Хушвак;тович Ташкентский государственный транспортный университет, ст.преп, [email protected]. 90-98266-80.

Аннотация. Осаждение под действием силы тяжести является наиболее распространенным и широко применяемым процессом очистки для удаления твердых частиц из воды и сточных вод, и он используется уже более ста лет. Отстойники являются одной из основных частей очистных сооружений, особенно при очистке мутных потоков. Горизонтальные отстойники в основном используются для очистки большого количества воды. В этих резервуарах мутная вода с низкой скоростью будет течь по всей длине резервуара, и взвешенные частицы будут иметь достаточно времени для оседания. Поиск новых и полезных методов расчета и повышения гидравлической эффективности горизонтальных отстойников является целью многих теоретических, экспериментальных и численных исследований. Но используемые в настоящее время модели и методы в Узбекистане не позволяют учитывать геометрическую форму и различные конструктивные особенности. В данной работе была разработана численная модель для оценки эффективности горизонтального отстойника с модифицированной структурой. Численная модель основана на: 1) уравнении динамики вязкой жидкости; 2) уравнении массопереноса. Для численного моделирования используются конечно-разностные схемы. Численный расчет выполняется на прямоугольной сетке. Для формирования вычислительной области используются маркеры. Модель позволяет получить процесс очистки в отстойнике с различной формой и различной конфигурацией перегородок. Был предложен новый подход к исследованию процесса массообмена в горизонтальном отстойнике. Этот подход основан на разработанной модели CFD. Модель гидродинамики была использована для численного исследования потоков и очистки сточных вод. Для исследования влияния перегородок на эффективность отстойника был проведен физический эксперимент. Разработанная модель обладает большей производительностью, чем существующие модели в Узбекистане. Разработанная модель позволяет быстро рассчитать эффективность очистки воды в отстойниках. Модель не требует больших вычислительных затрат. Время вычисления одного варианта задачи занимает несколько минут.

Annotation. Gravity deposition is the most common and widely used purification process to remove solid particles from water and wastewater. and it has been used for more than a hundred years. Settling tanks are one of the main parts of sewage treatment plants. especially when cleaning muddy streams. Horizontal settling tanks are mainly used to purify large amounts

of water. In these tanks, turbid water at a low speed will flow along the entire length of the tank, and the suspended particles will have enough time to settle. The search for new and useful methods for calculating and improving the hydraulic efficiency of horizontal settling tanks is the goal of many theoretical, experimental and numerical studies. But the models and methods currently used in Uzbekistan do not allow taking into account the geometric shape and various design features. In this paper, a numerical model was developed to evaluate the efficiency of a horizontal sump with a modified structure. The numerical model is based on: 1) the equation of viscous fluid dynamics; 2) the equation of mass transfer. Finite-difference schemes are used for numerical modeling. Numerical calculation is performed on a rectangular grid. Markers are used to form the computational domain. The model allows you to get a cleaning process in a sump with different shapes and different configurations of partitions. A new approach to the study of the mass transfer process in a horizontal sump was proposed. This approach is based on the developed CFD model. The hydrodynamics model was used for numerical investigation of wastewater flows and treatment. A physical experiment was conducted to study the effect of partitions on the efficiency of the sump. The developed model has a higher performance than the existing models in Uzbekistan. The developed model allows you to quickly calculate the efficiency of water purification in settling tanks. The model does not require large computational costs. The calculation time of one variant of the problem takes several minutes.

Annotatsiya. Gravitatsiya cho'kmasi suv va chiqindi suvdan qattiq moddalarni olib tashlash uchun eng keng tarqalgan va keng qo'llaniladigan tozalash jarayoni bo'lib, u yuz yildan ortiq vaqtdan beri qo'llanilmoqda. Cho'kma quduqlari tozalash inshootlarining asosiy qismlaridan biri hisoblanadi, ayniqsa, loyqa oqimlarni tozalashda. Gorizontal tindirgichlar asosan ko'p miqdordagi suvni tozalash uchun ishlatiladi. Ushbu tindirgichlarda loyqa, past tezlikli suv tankning butun uzunligi bo'ylab oqadi va to'xtatilgan zarralar cho'ktirish uchun yetarli vaqtga ega bo'ladi. Gorizontal tindirgichlarni hisoblash va gidravlik samaradorligini oshirishning yangi va foydali usullarini izlash ko'plab nazariy, eksperimental va raqamli tadqiqotlarning maqsadi hisoblanadi. Ammo hozirgi vaqtda O'zbekistonda qo'llanilayotgan model va usullar geometrik shakl va turli dizayn xususiyatlarini hisobga olishga imkon bermaydi. Ushbu ishda o'zgartirilgan tuzilishga ega gorizontal tindirgichlarning samaradorligini baholash uchun raqamli model ishlab chiqilgan. Raqamli model quyidagilarga asoslanadi: 1) yopishqoq suyuqlik dinamikasi tenglamasi; 2) massa uzatish tenglamasi. Raqamli modellashtirish uchun cheklangan farq sxemalari qo'llaniladi. Raqamli hisoblash to'rtburchak panjara ustida amalga oshiriladi. Hisoblash maydonini shakllantirish uchun markerlardan foydalaniladi. Model sizga turli xil shakllar va turli xil qismlarning konfiguratsiyasiga ega bo'lgan tindirgichda tozalash jarayonini hisoblash imkonini beradi. Gorizontal tindirgichda massa uzatish jarayonini o'rganishga yangi yondashuv taklif qilindi. Ushbu yondashuv ishlab chiqilgan CFD modeliga asoslangan. Suyuqlik dinamikasi modeli oqimlarni raqamli tekshirish va oqava suvlarni tozalash uchun ishlatilgan. Tindirgichlarning samaradorligiga ta'sirini o'rganish uchun tajriba o'tkazildi. Ishlab chiqilgan model O'zbekistondagi mavjud modellarga qaraganda yuqori ko'rsatkichlarga ega. Ishlab chiqilgan model gorizontal tindirgichlarda suvni tozalash samaradorligini tezda hisoblash imkonini beradi. Model katta hisoblash xarajatlarini talab qilmaydi. Muammoning bitta variantini hisoblash vaqti bir necha daqiqa davom etadi.

Ключевые слова: CFD-модель; отстойники; массоперенос; очистка воды; физический эксперимент.

Keywords: CFD model; settling tanks; mass transfer; water purification; physical experiment.

Kalit so'zlar: CFD modeli; nasos nasoslari; ommaviy uzatish; suvni tozalash; jismoniy

1а]пЬа.

Вступление. Горизонтальные отстойники являются важнейшими гидравлическими сооружениями, которые необходимо проектировать и сооружать на всех водоочистных сооружениях для удаления большей части взвешенных веществ, поступающих в водозабор с загрязненной водой. Чем больше отстойник, тем лучше оседают загрязняющие вещества, но затраты выше. Следовательно, необходимо улучшение производительности и повышение эффективности удаления горизонтальных отстойников альтернативным методом. Поиск новых и полезных методов расчета и повышения гидравлической эффективности горизонтальных отстойников является целью многих теоретических, экспериментальных и численных исследований [1, 6, 8, 10, 11, 12]. Предлагаемый в настоящей работе подход к повышению производительности горизонтального отстойника заключается в использовании системы перегородок и пластин.

Для получения эффективности горизонтального отстойника в Узбекистане используются эмпирические модели [2, 3]. Но эти модели не позволяют рассчитать горизонтальные отстойники с полной геометрической формой и различными системами перегородок и пластин. Вот почему важно разработать CFD-модели, обладающие большими возможностями для моделирования процесса очистки сточных вод в отстойниках, которые не требуют большого вычислительного времени для запуска и позволяют учитывать геометрическую форму отстойников [1, 8, 9].

Цель. Цель этой статьи состоит из двух частей. Первая часть представляет собой экспериментальное исследование течения в горизонтальных отстойниках. Вторая часть -это разработка эффективной компьютерной модели (CFD модель), которая является более эффективной, чем используемые в Узбекистане модели, и которая может быть использована для прогнозирования эффективности горизонтального отстойника.

Методология. Экспериментальное исследование. Эксперимент проводился в гидравлическом водном канале, где пластины были установлены для формирования геометрии горизонтального отстойника (рис. 1). Основной целью эксперимента было подтверждение влияния Платона на повышение эффективности горизонтального отстойника.

Физические эксперименты проводились в горизонтальном отстойнике (рис. 1, фиг. 2) с размерами 1:100 к реальному отстойнику (высота - 2 см; длина - 24 см; ширина - 8

Рис. 1. Экспериментальная модель горизонтального отстойника без пластин: 1 - распределение осадка внутри горизонтального отстойника; 2 -распределение осадка снаружи горизонтального отстойника.

Рис. 2. Экспериментальная модель горизонтального отстойника с пластинами (Г-образными, вертикальными и горизонтальными):

1 - распределение осадка внутри горизонтального отстойника в первой зоне (перед

Г-образной пластиной); 2 - распределение осадка внутри горизонтального отстойника во второй зоне (перед

вертикальной плитой); 3 - распределение осадка внутри горизонтального отстойника в третьей зоне.

Рис. 3. Осадок (1) на дне классического горизонтального отстойника (вид

сверху)

В качестве критерия было выбрано число Фруда

Рис. 4. Осадок на дне модифицированного горизонтального отстойника (вид сверху):1 -передняя зона Г - образной пластиной; 2 - зона перед вертикальной пластиной; 3 - зона после вертикальной пластины.

На рис. 3, рис. 4 показаны результата физических экспериментов. В таблице 1 представлена масса осадка, который осел на дно каждого горизонтального отстойника. Как мы видим, масса осадка на дне модифицированного отстойника выше, чем в классическом.

Таблица 1.

Результаты экспериментального исследования

Модель отстойника скорость осаждения, см/сек

0,75 0,90 1,05

Классический горизонтальный отстойник, г 1,1 1,9 4,2

Модифицированный горизонтальный отстойник, г 1,8 2,5 5,1

Модель СГО. Для численного моделирования процесса массообмена в горизонтальном отстойнике была разработана CFD-модель. Он состоит из двух моделей: модели массопереноса и модели течения вязкой жидкости.

Модель массопереноса. Для моделирования процесса очистки воды в горизонтальном отстойнике используется уравнение переноса (1) [1, 5, 7, 9]:

дС диС д(у - w) С

- + д дх

■ +

д ( дС Л д( дС Л

ду

+ оС =—I цх— 1 + — дх ^ дх ) ду

ду

(1)

где С -концентрация; и, и-компоненты скорости в направлении х, у —соответственно; 14/ — скорость осаждения; ег —параметр, учитывающий процесс флокуляции и распада; ~ коэффициенты турбулентной диффузии в направлении

х,У — соответственно; —декартовы координаты;

Уравнение переноса используется со следующими граничными условиями [1, 5, 8,

9]:

- граница входа: СЫе( =(\:, где СБ — известная концентрация (в примере данной статьи она безразмерна и равна С = 100);

- граница выхода: в численной модели используется условие С (г +1, ]) = С (¡, ]).

Здесь С (г +1, ]) является концентрацией на выходе граничной ячейки (это граничное

условие означает, что мы пренебрегаем процессом диффузии в этой плоскости). С (г, j) концентрация в предыдущей ячейке.

Начальное условие:

Модель гидродинамики. Для моделирования течения в горизонтальном отстойнике использовалась гидродинамическая модель вязкого течения.

Управляющими уравнениями модели гидродинамики являются уравнение (2) и уравнение (3).

Уравнение (2) является уравнением Пуассона для функции потока [4]:

д2_ д2_

= -а (2)

дх ду

Уравнение (3) описывает передачу завихренности в жидкости [4]:

да дна дуа 1

■ +-+ -

( "\2 п2 Л

д ш дш'

дх ду Яв

к дх2 ду2 у

(3)

V ь

где Яв = —--число Рейнольдса.

у

Граничные и начальные условия этой модели гидродинамики обсуждаются в [7]. Вычисление скорости оседания. Для вычисления скорости оседания используется следующая модель [11, 12]

w

= ( в"Чс-Сшт) - в"К2 {с-Сш1П)) (4)

где К^ К2 — экспериментальные константы [11, 12]. Численный решатель. Численное интегрирование управляющих уравнений осуществляется с использованием прямоугольной сетки. Геометрическая форма горизонтального отстойника в численной модели создается с использованием метода случайности (метод маркеров) [5, 7].

Для решения уравнения Пуассона (2) используется следующая разностная схема разделения [7]:

на первом шаге разделения разностное уравнение является

1

п+-

_ 4 — _п _

___ ___.

Аt ~ 2 '

на втором шаге разделения разностное уравнение является

1 1111

пн— пн— пн— пн— пн—

_ 2 — _ п _ 2 —_ 2 _ 2 —_ 2 _ _ _ _ г-1, _ _ г, _-1 .

Аt Ах Ау

на третьем шаге разделения разностное уравнение является

3 1 3 3 3 3

пн— пн— пн— пн— пн— пн—

_ 4 -_ 2 _ 4 -_ 4 _ 4 -_ 4

_ '] _ ¿+1,] ¿,,_ _ _ ¿,] +1 ¿,]

М Ах2 Ау2

на последнем шаге разделения разностное уравнение является

3

. пн— -

_пн1 - _ 4 ш

V _ _ У

Аt

где

— 1

ш_ =~А{ш_ нШ-1,_нЛ-и-1 нШ,_-1).

Компоненты скорости вычисляются с использованием следующих выражений

_ -_ _ -_

-1- г,_+1 -1- г,_ , _ г +1,_ х г,_

и, = —г:—; =

Ау ^ Ад-

2

Для решения уравнения (3) используется разностная схема треугольника изменения [7]. Прежде всего компоненты скорости записываются в следующем виде

_ и + и и - и и = и + и =-— +--—

, _ V + V V - V

V = V + V =-— +-—.

2 2

После этого конвективные производные аппроксимируются с использованием следующих выражений:

ди+с

дх

Л+С = (<+иУ - <иС-и ) /А*,

ди с / - - \

лхс = (и+1,с+и - и,с 1) /Ах,

Л+С = (<1,С,;-<1,С-1, j ) /Ау

дх

ду" с ду

Ск ..

=1 (МхСС + М+„СС + МууСС + мУуСС);

Производные второго порядка записываются следующим образом:

д2с

дх2 д2с

Кхс - ЦхС = (у - С-1,;) /2 + (с+1, у - С,у)/Лх2 > Цус - Ц> = (с, 1 - С 1, 1) / АУ2 + (у 1,у - С, 1)/ АУ2,

ду

Разностная аппроксимация уравнения (3) может быть записано следующим образом

+ (Л + - Л х + Л + + Л у + ) = ^ (^хх + Ц, + Цу + Цу )(С1 + (1- )

Или

(Е+щ) (Лх - Л- + Лу+л- у1 - А ; (14 + 14 + ь+уу + ьу,) с -+1

= ( Е+м (1 -;)( Л х - Л -+лу+Л- у - А (1 -;)(14+14+ьу+ь-у )у

где - параметр.

Если ^ = 1 2, то мы имеем разностную схему, которая имеет второй порядок точности по времени.

Разностная схема треугольника изменения для уравнения переноса завихренности записывается следующим образом

А"

К н

2

Дt

К н

2

(л - л:)-|ь (ьх н^)}

2Яв

а ==

А",

Е н А" (

2

( А"

Е

V 2

а

2 •

Используя эти выражения, неизвестное значение завихренности вычисляется с помощью «текущего расчета» [7].

Для решения уравнения сохранения массы (1) используется неявная разностная схема разделения [1, 7]. На первом шаге выполняется физическое разделения уравнения (1):

де дие д(у - w)с

— н-н —^-'— нас = О

дt дх дх

де д Г де 1 д ' дел дt дх ^ х дх) ду V у ду , На втором шаге используется следующая аппроксимация производных первого порядка [5]:

дс С _+1 - С _

д I

А г

диС дин С ди С

-=-н-.

дх дх дх

дуС ду+С дуС

ду ду ду

ди+С и ,.СГ/,. - и - Г-н1,

дх Ах

ди С и - сйн1 - _ игниСг _ и - Сп н1 г 1 г 1

дх Ах

ду+С ун Сп н1 - v+Cn У г, 1 -1 _

ду Ау

ду С V- Сп н1 - V-Сп У г, 1 -1 _

-m+1

1n+1

тпн1

ду Ау у

Производные второго порядка аппроксимируются следующим образом:

д/ дС 1 С_ - спн 1

дх Гх дх Ах2

, 1 г-1, _ Ах2

=м- Спн1 н мн Сп

д_ dy

Vy

с

dy,

—i, j+1 _ -ij Vy,---V

У1

Ay2

y i,j ~2 ^ = MyCn+1 + M+yCn+1

Ay2

Здесь мы используем обозначение и = V . На этих форумах 1Ъх ,1Ъ2 ,Ь- ,мн ,М-, и т.д. являются обозначениями разностных операторов [7].

После аппроксимации решение разностного уравнения разбивается на 4 этапа [1, 7]: , 1

- на первом шаге к = — разностное уравнение

/-rn+k /~ш — j — 'j 1

'j-~jl +1 (L+xCk + L+yCk ) + - C = 0;

At 2V x y ' 2 j

; 1 1

- на втором этапе k = n + —; c = n + —; разностное уравнение является:

rsk r~\c -

j ~ ' +1 (LxCk + L; Ck ) + - C = 0;

x y ! о j

At 2

, 3 1

- на третьем этапе k = n + —; c = n + —; разностное уравнение является:

С-k Cc 1

-1 (M„Cc + M+Ck + M^C + M+Ck);

At 2

3

-на четвертом шаге k = n +1; c = n + —; дифференциальное уравнение имеет вид:

Ck Cc

=1 (M„Cc + M+xCc + MyCc + M+Cc); Разработанные численные модели были закодированы с использованием FORTRAN.

Полученные данные. Разработанная компьютерная модель использовалась для расчета очистки воды в горизонтальном отстойнике с двумя вертикальными пластинами (рис. 5).

Рис. 5. Поле концентрации в горизонтальном отстойнике с двумя вертикальными пластинами.

На рис. 5 показано поле концентрации в отстойнике. Концентрация представлена с использованием «интегрированной» формы числа. Каждое число показывает процент

концентрации в вычислительной ячейке. Максимальная концентрация находится во входной ячейке (она равна «99»), а наименьшая концентрация - в выходной ячейке. Такая концентрация показывает эффективность отстойника. Вычислительное время составило 5 минут для решения задачи гидродинамики и массопереноса с использованием разработанной численной модели.

Выводы. Эксперименты, проведенные в гидравлической лаборатории, подтверждают идею о том, что дополнительные пластины в горизонтальном отстойнике могут повысить эффективность очистки воды.

Модель CFD была разработана для вычисления поля потока в горизонтальном отстойнике. Эта модель основана на уравнениях вязкого течения. Процесс массопереноса в горизонтальных отстойниках моделируется с использованием уравнения конвекции-диффузии. Было проведено численное исследование на основе разработанных моделей. Результаты показывают, что разработанные модели могут быть использованы для моделирования процесса очистки воды для отстойников, имеющих комплексную геометрическую форму.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рихсиходжаева, Г. Р., Ризаев, А. Н., & Хамидов, Б. Н. (2020). Коррозионная стойкость конструкционных материалов в оборотной воде.\\Ма1епа11у XVI Mi^dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji,"Naukowa mysl informacyjnej powieki-2020", 07-15 marca 2020 roku. PrzemyslNauka i studia, 127-129.

2. Расулов, М. Х., Ризаев, А. Н., & Гуламов, А. А. (2016). К вопросу управления кадрами в инновационной среде железнодорожного транспорта акционерного общества" Узбекистон темир йуллари". Инновационный транспорт, (3), 13-16.

3. Расулов, М. Х., Ризаев, А. Н., & Рахимов, Р. В. (2016). Теоретические исследования по определению прочностных характеристик кузова вагона-цементовоза производства Республики Узбекистан. Инновационный транспорт, (4), 43-47.

4. Марчук, Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды / Г. И. Марчук. - Москва : Наука, 1982. - 320 с.

5. Нагорная, Е. К. CFD-модель процесса массопереноса в вертикальном отстойнике / Е. К. Нагорная // Наука та прогрес транспорту. - 2013. - No 1 (43). - С. 39-50 с.

6. Численное моделирование распространения загрязнения в окружающей среде / М. З. Згуров- ский, В. В. Скопецкий, В. К. Хрущ, Н. Н. Беля- ев. - Киев : Наук. думка, 1997. - 368 с.

7. Rizaev, A. (2020). Research methods of water purification from pollution with petroleum and petroleum products. International Journal of Psychosocial Rehabilitation, 24(08), 5630-5634.

8. Rasulov, M. H., Rizaev, A. N., & Rahimov, R. V. (2016). Theoretical research for defining the body durability characteristics of cement carrier rail car manufactured in the Republic of Uzbekistan. Journal "Innotmns".-Ekaterinburg, (4), 43-47.

9. Critical modeling parameters identified for 3D CFD modeling of rectangular final settling tanks for New York City wastewater treatment plants / K. Ramalingam, S. Xanthos, M. Gong [et al.] // Water Science & Technology. - 2012.

10. Griborio, A. Secondary Clarifier Modeling: A Multi-Process Approach / A. Griborio // Dissertation and Theses (for the degree of Doctor of Philosophy in The Engineering and Applied Sciences Program). - University of New Orleans : USA, 2004. - 440 p.

11.Kleine, D. Finite Element Analysis of Flows in Secondary Settling Tanks / D. Kleine, B. Reddy // Intern. J. for Numerical Methods in Engineering. - 2005. - Vol. 64. - Iss. 7. - P. 849-876. doi: 10.1002/nme.1373.

12. Takacs, I. Experiments in Activated Sludge Modelling / I. Takacs // PhD Thesis (for the degree of Doctor (Ph.D.) in Applied Biological Sciences), Ghent University : Belgium, 2008. - 267 p.