PROUDĚNÍ V SEPARÁTORU S CYLINDRICKOU GEOMETRIÍ Autoři: Ing. Zdeněk CHÁRA, CSc., Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i., e-mail: chara@ih.cas.cz Ing. Bohuš KYSELA, Ph.D., Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i., e-mail: kysela@ih.cas.cz Anotace: V příspěvku jsou prezentovány výsledky experimentálního měření rychlostních profilů a průběhů hladin ve vírovém separátoru. Získané výsledky jsou porovnány s numerickými simulacemi provedenými pomocí programu ANSYS 12.1. Annotation: The paper focuses on experimental measurements of velocity profiles as well as shapes of a free surface in a separator of the swirl geometry. Measured data are compared with results of numerical simulations performed by the program ANSYS 12.1. Úvod Při přívalových dešťových událostech dochází ke značnému nárůstu průtoků v systémech městských stokových sítí. Vzhledem k tomu, že kapacita čistíren odpadních vod není projektována na tyto přívalové průtoky, jsou stokové sítě vybaveny odlehčovacími komorami různých typů. Jednou z možných variant odlehčovacích komor je použití separátorů s válcovou geometrií, kdy přítok na separátor je řešen tangenciálním přívodním kanálem s volnou hladinou, odtok do recipientu je řešen bočním přelivem a odtok na čistírnu je zajištěn dolním odtahem. Pro správnou funkci takového separátoru je třeba zajistit, aby částice daných parametrů (velikost, hustota) byly odváděny spodním odtahem na čistírnu a nebyly strhávány do recipientu. Pro výpočet trajektorií daných částic je nutná znalost rozložení rychlostních polí v separátoru. Vzhledem k 3D charakteru proudění v separátoru je přímé měření velice komplikované, a proto je pozornost zaměřena na numerické simulace pomocí CFD programů. V předkládaném příspěvku jsou řešeny numerické simulace pomocí programu ANSYS a výsledky jsou porovnány s experimentálními daty. Numerické simulace Na minulé konferenci ANSYS 2009 byly prezentovány dílčí výsledky numerických simulací prováděných ve vírovém separátoru, [1]. Pro výpočet byla použita strukturovaná výpočetní síť s celkovým počtem buněk 134 000. Tento počet se ukázal jako nedostatečný, a proto byla vytvořena jemnější strukturovaná síť s celkovým počtem buněk 711 000. Oblast 1
nátoku do přívodního kanálu byla upravena tak, aby byla vždy pod hladinou a aby zde tak mohla být definována okrajová podmínka rychlosti odpovídající danému průtoku. Oblast bočního přepadu byla navržena jako přídavný objem, který má na dně nastavenu podmínku tlakového výstupu (pressure outlet) s hodnotou atmosférického tlaku. Na spodním odtahu byla definována podmínka tlakového výstupu, která odpovídala požadované hodnotě odtahového průtoku. Ostatní plochy měly okrajovou podmínku typu stěna. Pro řešení byl použit vícefázový model VOF (Volume of Fluid) v kombinaci s turbulentním modelem k-. Profil300mm Rovina3 Rovina4 Z Rovina2 Rovina1 X [0; 0; 0] Y Obrázek 1: Schéma rozmístění proměřovaných rovin Popis experimentálního zařízení Transparentní model vyrobený z PMMA (polymethyl metakrylátu) byl umístěn do hydraulického okruhu obsahujícího akumulační nádrž, čerpadlo a regulační prvky. V okruhu byly osazeny dva kontrolní průtokoměry, jeden na vtoku do modelu separátoru, druhý na výtoku spodním odtahem. Měření byla prováděna při konstantních průtocích: 1; 2; 3; 3,5 l/s při ustáleném stavu, a to ve dvou režimech na spodním odtoku - zcela uzavřeném spodním odtoku, a při otevřeném spodním odtoku, kdy odtokem odcházelo pouze 10% z hodnoty celkového přítoku na separátor. Pro měření rychlostního pole v separátoru byla použita metoda Laser-Dopplerovské Anemometrie (LDA). Měření rychlostních profilů probíhala v rovinách označených jako - Rovina1; Rovina2; Rovina3; Rovina4; a v ose nátokového kanálu do separátoru 600 mm od roviny tvořené tangenciálním zaústěním a osou separátoru, a také 300 mm od této roviny viz obr. 1 a obr. 2 Ve válcové části ve všech čtyřech rovinách byly postupně měřeny dvě složky rychlostí: tangenciální a radiální složka. 2
Obrázek 2: Rozměrové schéma vírového separátoru Přehled získaných výsledků V první fázi bylo provedeno srovnání měřených průběhů hladiny v ose y s výsledky numerických simulací. Zatímco při použití řídké výpočetní sítě byly numerické simulace značně nestabilní, při použití jemnější sítě bylo dosaženo ustáleného stavu. Průběhy měřených a vypočtených průběhů hladiny v separátoru v ose y jsou ukázány na obr. 3 a obr. 4 pro vstupní průtoky 1 a 2 L/s při nulovém a 10% spodním odtahu. Pro nulový spodní odtah numerické simulace poměrně dobře korespondují s měřenými daty, pro odtah 10% jsou však měřené údaje ve středové části separátoru nižší než jsou výsledky numerických simulací. V další fázi se pozornost zaměřila na průběh hladin v okolí bočního přelivu. Pomocí hrotového měřítka s digitálním výstupem byly proměřeny průběhy hladin pro průtoky 1, 2, 3 a 3,5 L/s a získaná data byla v prostředí programu Matlab prostorově aproximována lineární interpolací. Obdobným způsobem byly vyhodnoceny výsledky numerických simulací. 3D grafy průběhů hladin v okolí bočního přelivu pro průtok 1 L/s (bez spodního odtahu) jsou ukázány na obr. 5 (vodorovné osy jsou v cm, svislá osa je v mm). Z takto získaných dat byly určeny průběhy hladin ve vzdálenosti 10 mm před vnitřní odtokovou hranou. Výsledky jsou ukázány na obr. 6 pro průtoky 1 a 2 L/s (bez spodního odtahu). Na vodorovné ose jsou 3
vyneseny úhly (v radiánech) měřené od zadní hrany bočního přelivu. Vzájemné porovnání ukazuje poměrně dobrou shodu vypočtených a měřených průběhů hladin v prostoru bočního přelivu. 0.12 8 h [m] 4 measurement 0-0.3 - -0.1 0.1 0.3 y [m] 0.12 8 h [m] 4 measurement 0-0.3 - -0.1 0.1 0.3 y [m] Obrázek 3: Průběh hladin pro průtok 1 L/s (horní bez spodního odtoku, dolní 10% odtok) 0.12 8 h [m] 4 measurement 0-0.3 - -0.1 0.1 0.3 y [m] 0.12 8 h [m] 4 measurement 0-0.3 - -0.1 0.1 0.3 y [m] Obrázek 4: Průběh hladin pro průtok 2 L/s (horní bez spodního odtoku, dolní 10% odtok) 4
Obrázek 5: 3D graf rozložení výšky hladiny v okolí bočního přelivu pro průtok 1 L/s (horní, dolní měřený průběh) 40 35 30 q=1 L/s, exp. data q=1 L/s, q=2 L/s, exp. data q=2 L/s, z [mm] 25 20 15 10 [rad] Obrázek 6: Průběh hladin ve vzdálenosti 10 mm před odtokovou hranou bočního přelivu 5
Jak již bylo zmíněno v předcházející části byly pomocí LDA proměřeny rychlostní profily ve třech rovinách (viz obr. 1). Ukázka měřených profilů je prezentována na obr. 7 a obr. 8 pro průtok 2 L/s pro nulový a pro 10% spodní odtah. Rychlostní profily byly měřeny v úrovni dna nátoku, resp. dolní hrany bočního odtokového přelivu. Jak je z obr. 7 a 8 patrné, maximální tangenciální rychlosti jsou v blízkosti vnější stěny, směrem ke středu separátoru klesají. V případě spodního odtahu dochází vlivem víru ve střední části k rovnoměrnějšímu průběhu rychlostí ve středové části. Výsledky numerických simulací pro nulový spodní odtah podhodnocují hodnoty tangenciální složky především u stěny, směrem ke středu dosahují prakticky stejných hodnot jako jsou měřená data. Při spodním odtahu však simulované rychlostní profily neodpovídají měřeným datům ani ve střední části, patrně z důvodu omezené schopnosti simulačního programu zachytit vírovou oblast, což se projevuje i při výpočtu průběhu hladin se spodním odtahem (viz obr. 3 a 4). 1.0 1.0 1.0 Obrázek 7: Průběh tangenciální složky rychlosti pro průtok 2 L/s (horní - Rovina 3, prostřední - Rovina 2, dolní - Rovina 1) 6
1.0 1.0 1.2 Obrázek 8: Průběh tangenciální složky rychlosti pro průtok 2 L/s a spodní odtah 10% (horní - Rovina 3, prostřední - Rovina 2, dolní - Rovina 1) Závěr Byly provedeny numerické simulace proudění ve vírovém separátoru pomocí programu ANSYS a získané výsledky byly porovnány s měřenými daty. Bylo dosaženo poměrně dobré shody při výpočtu průběhu hladin v separátoru i v okolí bočního přelivu pro nulovou hodnotu průtoku spodním odtahem. Při spodním odtahu 10% celkového přítoku na separátor dochází vlivem středového víru ke snížení hladiny a k rovnoměrnějšímu rozdělení tangenciálních rychlostí, což však ne příliš dobře koresponduje s výsledky numerických simulací. V další fázi se předpokládá prodloužení vstupní části nátokového kanálu, aby na 7
vstupu do separátoru bylo dosaženo rychlostních profilů odpovídajících proudění s volnou hladinou. Poděkování. Práce byla finančně podporována z grantového projektu IAA 200600802 GA AV ČR a výzkumného záměru č. AV0 Z206005510 AV ČR. LITERATURA: [1] CHÁRA, Z., KYSELA, B., 2009. Proudění ve vírovém separátoru s volnou hladinou. Uživatelská konference ANSYS 2009. 8