Ett verktyg för simulering av vätskeflöden och processer
Med hjälp av datorstödd flödesanalys, CFD, kan ITT Water & Wastewater erbjuda en hög grad av noggrannhet vid beräkning av hydraulik och, i vissa fall, massöverföring.
Flödesvisualisering används för att översätta enorma mängder data till en begriplig form. I de flesta fall används tidsmedelvärden, snarare än ögonblicksbilder av ojämna flöden. Som hjälp vid utvärderingen och utvecklingen av omrörningslösningar, kombineras visualisering med analys av kritiska parametrar relaterade till systemets samlade prestanda. Ibland kan det dock vara nödvändigt att analysera flödesstrukturen mer i detalj.
De CFD-program som ITT Water & Wastewater använder, används även inom ett stort antal andra industrier, såsom bil-, flyg-, varvs- och rymdindustrierna. Största omsorg har lagts ned för att säkerställa att de numeriska simuleringarna motsvarar den mätbara, fysiska verkligheten i form av våra omrörarapplikationer. Laboratorieförsök och fullskalig validering har visat att beräkningsverktygen är mycket tillförlitliga.
Nogrannhet och tolkning av simuleringsresultatet
Simulering av turbulenta flöden med CFD är förknippad med osäkerhet relaterad till turbulensens statistiska natur. Även om de grundläggande ekvationerna för vätskors rörelser - främst mass- och rörelsemängdsbevarande ekvationer - framstår som deterministiska till sin natur, gör den extrema känsligheten för småskaliga fenomen det omöjligt att ställa upp ett visst simuleringsproblem om inte statistiska data används för ytråhet, onoggrannhet för gräns- och initialvillkor, m.m. Det är en del av en sund validering att fastställa sådana data, och en del av en sund skepticism att undersöka resultatens känslighet med avseende på variationer i dessa parametrar. Användningen av dessa data i nya simuleringsprojekt förknippas därefter med konfidensintervall som bara kan fastställas genom en noggrann karakterisering av nya bassängväggar osv., eller genom ännu en helt experimentell validering. Erfarenheten medger dock ofta en uppskattning av den inbegripna osäkerheten. Detta kräver att inga okända extrema förhållanden förekommer i den fysiska miljön.
Vidare kräver kapaciteten hos dagens datorer ytterligare statistisk förenkling av rörelsens turbulenta del. I dag baseras våra industriella simuleringar på metoden med medelvärden av Reynoldstal och vanligtvis en specialversion av den så kallade k-ε-turbulensmodellen som har visat sig vara tillämplig för dessa applikationer. Det är därför en allmän uppfattning att lösningen av vissa specifika turbulenta finstrukturer (anisotropi) i den mest turbulenta delen av en omrörarestråle kräver en annan turbulensmodell eller ett annat tillvägagångssätt. För att lösa hydrodynamiken förknippad med den typ av applikationer som vanligtvis hanteras inom ITT Water & Wastewater är det dock inte nödvändigt att ge sig in på en sådan detaljerad analys.
Även om det är något lättare att bara behöva ta hänsyn till ett eller några få värden för analys av ett systems prestanda, bör man även inse att t.ex. den spatiala fördelningen av lokal omrörning, i kombination med bulkflödet, behöver tas med i beräkningarna för en korrekt analys. Därför presenteras ibland fördelningsdiagram utöver de vanliga grafiska representationerna. Genomsnittliga data uttryckta som numeriska värden kan också användas, och de kan även användas för jämförelser från fall till fall, eller för att de kan relateras till mätbara storheter.
Den storhet som oftast är lättast att mäta är flödeshastigheten u, i en viss uppsättning mätpunkter. I enkla fall med kanalflöden, såsom i ringkanaler, kan mätpunkterna i ett tvärsnitt definieras på det sätt som bäst representerar hela tvärsnittet, och en medelhastighet över detta avsnitt kan fås med hög noggrannhet enligt standardteknik. Samma medelvärdesteknik kan sedan användas för hastighetsvärden erhållna för små volymelement som omger punkterna i simuleringen. Det exakta medelvärdet för tvärsnittet kan självfallet också erhållas i simuleringen för att fastställa avvikelsen mellan uppmätt och verkligt flöde.
Om ett mättvärsnitt är svårt att definiera, eller opraktiskt stort att genomlöpa, finns det en procedur för att definiera ett "moln" (begränsad volym) i vilket hastighetsmätningar kan göras för jämförelse med simuleringsdata relaterade till detta "moln".
Medelhastigheten uAV definieras som hastighetens effektivvärde, där den totala hastigheten i kvadrat i hela vätskekroppen ingår. För lokal omrörning är hastigheten i kvadrat en mer relevant storhet än den faktiska hastigheten i sig själv. Detta framgår till exempel av relationen mellan hastighet och skjuvspänning, vilken i sin tur är korrelerad till lokal bottenerosion, lokalt uppträdande av suspenderade fasta substanser, lokal vätskeblandning, osv. I den mån ett enstaka medelvärde fullgott skulle kunna beskriva blandningsförhållandena i hela bassängen - och detta kräver betydande överväganden - skulle värdet på uAV eller puAV² vara en lämplig kandidat. (Den blandade vätskans densitet betecknas med p.)
Den genomsnittliga bottenskjuvspänningen tB,AV är ett intressant värde i det avseendet, även om den andel av bottenarean som minst utsätts för ett tröskelvärde för resuspendering av sediment sannolikt är ett mer användbart värde.