דינמיקת הדגד בזרמים רב-phase מהווה אבן הפינה של תרגול הנדסי מודרני.בין אם בעיצוב של מערכי טיפול במים, ניהול הצטברות של השמרים מאחורי סכרים, או החיזוי של שחיקה בערוצי הנהר, היכולת לחזות כיצד חלקיקים מוצקים מתנהגים בתוך נוזל נע הוא חיוני.

המונחים: Multi-Phase Flows

זרמי Multi-phase מוגדרים על ידי התנועה בו זמנית של שני שלבים תרמודינמיים או יותר - סולידי, נוזל או גז. בהנדסה אזרחית, המערכת הנפוצה ביותר היא תערובת נוזלית-סולנית, כגון מים נושאים סילט, חימר, חול, או חמור.עם זאת, שילובים אחרים להתרחש: תערובת של שמן-מים בטיפול פסולת תעשייתי, או תערובת אוויר-מים באגן אוויריים באגן.

זרמים אלה מסווגים בדרך כלל על ידי השבריר היחסית של כל שלב.השעי דילול, שבו חלקיק נפח מוצק נמוך (בדרך כלל מתחת ל-5%), מציגים אינטראקציות חלקיקים-חלקיק מינימליות, והשלב הנוזלי שולט.דense השעיה, מצד שני, כרוכה בהתנגשויות תכופות ולחצים מגע בין חלקיקים, ומובילה לתופעות כגון חסימת הידרדרות וחיזוק התנהגות.

המשוואות השולטות לזרימת מרובות-phase הן הרחבות של משוואות Navier-Stokes, בממוצע בכל שלב. גישות נפוצות כוללות את המודל Eulerian-Eulerian, שבו שני השלבים מטופלים כמו רצף אינטרפלנטראטינג, ואת מודל Eulerian-Lagraian, שבו נוזל הוא רצף וחלקיקים בודדים הם במעקב.

דינמיקה: עקרונות מרכזיים

סימנטציה היא התהליך שבו חלקיקים חזקים יותר להתיישב מתוך נוזל תחת השפעת הכבידה. בהנדסה אזרחית, סימנטציה מנוצלת במפעלי טיפול כדי להסיר מוצקים מושעה; זה גם המנגנון מאחורי הצטברות הטבעית של סידנציה במאגרים ונמלים.הבנת הדינמיקה דורש הבנה של כמה עקרונות יסוד.

חוק Velocity ו-Stokes

המהירות המסוף של חלקיק spherical מבודד בנוזל quiescent ניתנת על ידי חוק סטוקס כאשר מספר ריינולדס נמוך (Re< 1):

(ב) ויקרא י"ד): "וַיְּהִיאוּ הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא" (ד)

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

המונחים: settling

ככל שהריכוז של חלקיקים עולה, התנהגות ההתנחלות מאמת את האידיאליזציה של חלקיקים יחיד-חלקיק.התנועה מטה של כל חלקיק היא מזועזעת מה עקירה למעלה של נוזל ועל ידי התנגשות עם חלקיקים שכנים.תופעה זו ידועה כמניעה התיישבות. מתאם אמפירי משותף הוא משוואה ריצ'רדסון-זיאקי:

(ב) ויקרא י"ד:2 (ב) ויקרא י"ד): "וַיָּבְהִיתִי" (בראשית כ"ד, כ"ד)

כאשר C הוא חלקיק נפח של מוצקים ו n הוא exponent כי תלוי מספר חלקיקים ריינולדס (בדרך כלל בין 2.4 ל 5.0). Hindered התיישבות הוא קריטי בעיצוב של מסובכים ומבהירים, שבו ריכוז ה זרימה יכול לעלות על 20% מוצקים על ידי נפח.

פלוגנציה והזדקנות

השעיה רבות בהנדסה אזרחית - במיוחד אלה מעורבים מים טבעיים או פסולת מים - מכילים חלקיקים דקים הנושאים מטען פני השטח. חלקיקים אלה נוטים להישאר מפוזרים בשל אגן אלקטרוסטטי אלא אם coagulant (למשל, אלומיניום או ferric chloride) נוסף. coagulation destabilizes חלקיקים, המאפשר להם התנגשות וצורות גדולות יותר הנקראות flocs, עדיין דחיסות נוזל גדול יותר, אך הוא מנפח של חלקיקים, אך הוא חזק יותר מאשר ⁇ .

דיכוי ונחישות

ברגע שהחלקיקים התיישבו לתחתית אגן, הם יוצרים מיטה של שפלה.לאורך זמן, המשקל של מוצקות מופרזת מחסחסס את השכבות הנמוכות, מבזבזים מים בין-אישיים.תהליך זה, המכונה ההרחבה, מגביר את הריכוז המוצק של הזרקה ומשפיעים על נפח של ריצוף המיוצר.

גורמים המשפיעים על סינדימנטציה ב- Multi-Phase Flows

המשקעים אינם רק פונקציה של חלקיקים ונכסים נוזליים.סביבת זרימת הדם והגיאומטריה של המערכת ממלאת תפקידים מכריעים באותה מידה. הערכה יסודית דורשת בהתחשב במספר גורמים אינטראקציה.

חלקיקים

<חזק>Particle גודל ההפצה הוא אולי הגורם המשפיע ביותר. תערובת של חול (0.1-2 מ"מ), סילט (0.002-0.1 מ"מ), וחימר (<0.002 מ"מ) יציג מגוון רחב של מהירויות התיישבות.בפרקטיקה, קודים עיצוב לעתים קרובות לציין יעילות הסרת מטרה המבוססת על גודל חלקיקים קריטי.

(FLT:0) חלקיקים צפיפות חלקיקים (ParticlepisFLT:1) גם נושאים.משקעים מינרלים יש gravities ספציפיים סביב 2.6-2.7, בעוד חלקיקים אורגניים (למשל, אצות, detritus) עשויים להיות בעלי דשנים רק מעט יותר גדול מים, מה שגורם להם להתיישב לאט מאוד. בטיפול במים, נוכחות של מוצקים אורגניים נמוכים לעתים קרובות מחייב שימוש משני של יישבים עם מחסומים ארוכים יותר.

(FLT:0)Particle shape and Surface מרקם FLT:1hil להשפיע על גרור coefficients. חלקיקים Irregular ניסיון גבוה יותר גרור ומהירויות מסוף נמוכות יותר מאשר תחומים של אותה מסה.בנוסף, משטחים גסים יכולים לקדם flocculation על ידי הגדלת ההסתברות של החזקה חלקיקים על התנגשות.

תכונות והגבלות זרימה

(FLT:0) מולקולות של מים בחורף יכול להפחית את הטמפרטורות עם ירידה הטמפרטורה ועם נוכחות של חומרים מפורשים. באקלים קר, טמפרטורות מים בחורף יכולות להפחית את המהירויות על ידי גורם של שניים או יותר בהשוואה לתנאי הקיץ.

(FLT:0) הבדלים בדחיסות (FLT:1) בין הנוזלים לבין מוצקים הם הכוח המניע להתיישבות.עם זאת, זרמי צפיפות יכולים להתעורר כאשר ההשעיה הנכנסת היא צפופה יותר מהנוזל המנופש באגן.הזרמים האלה זורמים לאורך החלק התחתון ויכולים קצר-circuit את נתיב זרימת היעד, ביצוע מוצקים ישירות אל תוך ה-Bulle ו-dle בגוון הם משמשים להורדת הדחיסות.

(FLT:0) מהירות וזעזועים 1 (Flowמהירויות) הם אולי הפרמטרים התפעוליים הקריטיים ביותר.במבהיר, מהירות זרימת האופק חייבת להיות נמוכה מספיק כי חלקיקים יש זמן להגיע לתחתית לפני ביצוע החוצה.המושג המהיר המכריע של יישבות מהירות משמש: חלקיקים יוסרו אם מהירות ההתנחלות שלו גדולה יותר מאשר את קצב זרימת השטח (הזרם ליחידה), ניתן כבר לנקות את המהירות של טורב, נקצר, נקצר, נקצר, נקצר, נצמצם את המהירות של פיזור, הוא כבר מלחץ, הוא לחץ על ידי חלקיק, הוא כבר מלחץ, הוא לחץ אוויר, הוא כבר מלחץ, הוא כבר מצמצם, הוא לחץ אוויר, הוא כבר מצמצם, הוא לחץ על ידי חלקיק, הוא כבר מצמצם, הוא כבר מצמצם, הוא יכול להיות מואץ, הוא מעלה, אם מהירות הפחתת לחץ על ידי מספר מוגבל, 000, 000, 000, 000, הוא כבר מצמצם, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, הוא כבר מופעל, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000,

גיאומטריה ועיצוב אגן המשקעים

הצורה והממדים של אגן המשקעים יש השפעה ישירה על הביצועים שלה.כלי Rectangular מציעים דרך ברורה ליציאה והם קלים לשירות, אבל הם לעתים קרובות סובלים מאזורים מתים וקיצור עיגולים.

  • (ב) שיעור ההתעלות:0) מעל פני השטח: FLT:1 בדרך כלל 20-40 מ"ר / m2 / יום לטיפול במים.
  • (ב) ויקרא י"ד: "הקדש" (ב) - 2-4 שעות.
  • (ב) ,0) ,התערות: 1 (ב) ,הזרם לאורכה של ה-Ulent weirent weir, המשיך נמוך כדי להימנע ממהירויות גבוהות ליד ה-Outlet.
  • (ב) ⁇ :0) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

עיצובים מודרניים לעתים קרובות משלבים צלחות או צינורות נטו (מתנחלים ב-YouTube) כדי להגדיל את אזור ההתנחלות יעיל ללא הגדלת אגן טביעת הרגל. , מתנחלים מעוקלים מסתמכים על הרעיון של "עומק קרקעי" התיישבות: לחלקיקים יש מרחק קצר יותר ליפול לפני שנלכדו על פני השטח הנוטה, ואז להחליק או לרדת למטה.

מודלים וסימציה מתקרבים

חיזוי דינמיקת המשקעים בזרמים מרובי-phase התקדם באופן משמעותי עם השימוש בדינמיקה נוזלי חישובי (CFD) עיצוב מוקדם הסתמכות על עקומות טיהור אמפיריים (למשל, ממבחן עמודה יישב), אשר נשאר שימושי עבור סימולציה ראשונית.עם זאת, עבור גיאמטריה מורכבת, משתנה בתנאים, ואת הצורך להתאים ביצועים תחת טווח של תרחישים, סימולציה מספרית מציעה כלי חזק יותר.

אוילרי-Eulerian (Two-Fluid) Models

בגישה אוילרית-אלריאן, הן הנוזל והן השלב המוצק מטופלים כהמשך בין-penetrating, כל אחד עם מהירות משלו, לחץ ושבריר נפח.המודל פותר מערכת של משוואות שימור לכל שלב, עם יחסי סגירה לגרור, להרים, ופיזור זעזועים. שיטה זו יעילה חישובית להשעיה צפופים עם חלקיקים גבוהים.

אוילרי-Lagrangian (Discrete Particle) מודלים

כאשר השלב המוצק הוא דילול וטרציות חלקיקים חשובים - למשל, בחיזוי התחבורה של מיקרופלסטיק בנהר - דגמים של Eulerian-Lagrangian מועדפים.הזרימה הנוזלית נפתרה ברשת באמצעות משוואות Navier-Stokes, בעוד חלקיקים בודדים מתקדמים יותר על ידי שילוב החוק השני של ניוטון.

מודלים משוחדים לעיצוב

(לעיצוב שגרתי, CFD מלא לא תמיד מוצדק.מהנדסים רבים משתמשים במודלים חד-ממדיים (למשל, מודל קמפ ושטיין flocculation או תורת ההקדמות ה- Hazen Settlement) אשר מניחים זרימה אידיאלית בגודל חלקיקים אחיד.שלבים 3.שלבים מבוצעים בדגימות מים ספציפיות באתר כדי ליצור התפלגות מהירות התיישבות, נתונים אלה יכולים להיות קלטו בניתוח "ה" נפוץ כדי לזרז את יעילות מערכת ההפעלה של מערכת מים:

יישומים הנדסיים

עקרונות הדינמיקה של המשקעים מוחלים על פני ספקטרום רחב של פרויקטים הנדסיים אזרחיים. להלן הם חלק מההקשרים המשמעותיים ביותר.

מים וטיפול במים

המשקעים הם הצעד הראשון של הפרדה מוצק-liquid בטיפול במים קונבנציונליים.לאחר coagulation ו flocculation, המים זורמים לתוך מבהיל שבו flocs להתיישב.העיצוב חייב לקחת בחשבון את המאפיינים המתיישבים, אשר מתפתחים כמו הכימיה מים, קצב זרימה, ושינוי טמפרטורה. בטיפול במים, חיטוי ראשוני מסירים גרפיטי וקבועים אורגניים, בעוד משקעים כגון תהליכי סינון אורגניים של חומרים אלה).

חידושים אחרונים כוללים את השימוש של מתנחלים lamella ואת משקעים גבוהים עם ריצוף סלדג'.האחרון, הידוע בשם "flocccculation מטבולית", משתמש מיקרוsand או חלקיקים מגנטיים כזרע לצמיחה flocing, ומייצר flocs במהירות שיכול להשיג שיעורי הסרה גבוהים על פני פני השטח מעל 100 m3 /2 / יום.

דאם ו- Reservoir Management

Reservoirs לפעול כמלכודות של סימנט, בהדרגה לאבד את יכולת האחסון כמו צנרת משקעים.גלובלי, אובדן שנתי של קיבולת המאגר בשל סידמנטציה מוערך ב- 0.5–1% של אחסון הכולל, על פי הנציבות הבינלאומית על דימות גדולות.הבנת דינמיקות של משקעים מאפשר למהנדסים לחזות את תוחלת החיים של מאגר וליישם אסטרטגיות מיגנציה.

  • (ב) ,0) ,התפלה: חליל 1 (בפרק: ).
  • (ב) ,0) ,העברה: ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) , ⁇ : ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ניהול מים:0) ניהול מלוטש: 1:1 צמצום שחיקה במעלה הזרם באמצעות נזיקין ובדק סכרים.

מודלים נומריים של סימנטציה מאגר, כגון HEC-RAS או MIKE 21, משמשים באופן נרחב כדי לדמות תבניות של פיזור עתידי וייעל כללים תפעוליים.מודלים אלה משלבים עקרונות זרימה רב-phase כדי לחזות היווצרות דלה, זרמי זעזוע, ומצעים שריון.

בקרת הנהר והנדסת הנהר

בנהרות ובמחוזות החוף, שליטה על שחיקה ותחבורה של סימנט היא קריטית להגנה על תשתיות כגון גשרים, צינורות ונמלים.הדינמיקה של תחבורה סימנט נשלטת על ידי האיזון בין חלקיק התיישבות ואימון על ידי זעזועים.הדיאגרמת של מגן מספקת קריטריון ליזום של תנועה של משקעים לא-כפים, תוך התייחסות לגודל קריטי לדחיסות ולקפוחיות (ה מחייבת) של חומרים דחיסות (ה).

התערבויות הנדסיות לעתים קרובות כרוכות בבניית groynes, התחדשות, ושברווטרים שמשנים דפוסי זרימה מקומיים כדי לעודד את פיזור המשקעים (למשל, שיקום רטוב) או למנוע scour (למשל, סביב piers גשר) מודלים דינמיקות סימנט הם חיוני לחיזוי האבולוציה ארוכת הטווח של ערוצים וקווי החוף.

יישומים תעשייתיים וגיאו-טכניים

מעבר לתשתיות אזרחיות, ההבנה של דינמיקת המשקעים מוחל בניהול כריות כריות, סילוק חומרי מרוטש, ואת העיצוב של יסודות offshore. in tailings בריכות, התיישבות של חלקיקים בסדר קובע את השיעור שבו מים ניתן למחזר ואת יציבות של הפיקדון. בדומה, איחוד של משקעים מתפתלים מלוטשים במתקני סילוק מוגבלים שולטים הזמן הנדרש כדי להשיג מספיק כוח כדי להשתמש במהנדסים גיאוגרפיים או ניתוח קיסרי.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות יסודות תיאורטיים בוגרים, כמה אתגרים נשארים.ההתנהגות של השעיה לא-ניוטונית, כגון אלה המכילים ריכוזים גבוהים של חימר או פוטבוליים פולימר, היא עדיין תחום של מחקר פעיל.המשחק בין flocculation לבין פירוק בזרימה סוערת אינו נפתר לחלוטין, המוביל לגורמי עיצוב אמפיריים שעלולים להיות שמרנים יתר על המידה, ההשפעה של שינויי אקלים ומשקעים ספציפיים למשקעים, שינויים בעצימות, שינוי בעצימות, שינוי בעצימות, שינוי בעצימות, ועוצמה.

מתכנסים, כולל מיקרופלסטיקה וננו-חלקיקים, מציבים אתגרים חדשים.חלקיקים אלה הם לעתים קרובות בריווינטי או בעלי שפע נמוך מאוד של מהירויות התיישבות; הם עשויים לדרוש טכנולוגיות הפרדה מתקדמות כגון סינון membrane או הפלוטציה אווירית מתמוססת ולא מחקר קונבנציונלי.

קיימות גם היא שמניעה חדשנות.יש עניין גובר בשימוש באגן המשקעים כחלק מרטבים ותשתית ירוקה, שבו תהליכים טבעיים (כולל סימנטציה מותנית צמחית) רתמו לטיפול בריצה עירונית. במערכות אלה, דינמיקת זרימת ה-Pphase הם אפילו יותר מורכבים בשל נוכחות של צמחייה ומודלים הידראוליים מתחילים לשלב גורמים סביבתיים אלה, המאפשרים יותר עיצובים.

מסקנה

דינמיקת הדגד בזרמים מרובי-פאש היא משמעת רב-פנים המשלבת מכניקת נוזלים, טכנולוגיות חלקיקים ועיצוב הנדסה אזרחית. הבנה עמוקה של העקרונות הפיזיים – מחלקיק יחיד המתיישב כדי לעכב את המשקעים ואת הריצוף – מהנדסים מסוגלים לעצב מערכות טיפול יעילות במים, לנהל חיסמנטציה, בקרה, ולטפל באתגרים סביבתיים.