The mechanism of emitter clogging analyzed by CFD–DEM simulation and PTV experiment

Abstract

Small but complicated labyrinth channel emitters are easily clogged. In this study, computational fluid dynamics-discrete element method coupling approach was employed to investigate the mechanism of emitter clogging caused by particles in size of 65, 100, and 150 mm. Computational fluid dynamics used Navier-Stokes equation to analyze flow characteristics of continuous phase. Discrete element method used Newton's laws of motion to measure single particle motion and group distribution of disperse phase. Particle tracking velocimetry was also utilized to follow the trajectories and velocity of single particle. Our results indicated that the smaller the particle size, the less the total force. Tiny sands were mainly influenced by drag forces. The amplitude between tooth tips was small. Particles moved basically in the main stream with fast velocity and short travel distance, thereby having good following performance. It took shorter time to reach microdynamic balance. Meanwhile, the amount of sediments in the labyrinth channel was less. Particles in size of 150 mm were mainly affected by inertial forces. They can easily enter vortex areas. Sands staying longer than 0.1 s in the labyrinth channel accounted for 37.9% of total number. Sand groups were mainly distributed at the inlet of labyrinth channel. The more sands trapped in vortex areas, the easier it was to precipitate and cause emitter clogging.

Relações entre características geométricas de gotejadores e dinâmica de obstrução

“…Algumas pesquisas tem avaliado a suscetibilidade de emissores à obstrução submetendo-os a operação com água contendo partículas sólidas com granulometria entre 0,045 a 0,5 mm distribuídas em concentrações variando de 250 a 2000 mg L -1 (LI et al, 2006a;QINGSONG et al, 2008;WEI et al, 2008) As razões pela qual a transição do regime de fluxo laminar para o fluxo turbulento em labirintos de gotejadores ocorre em baixos números Reynolds é dada por duas hipóteses: a primeira considera que a pequena área da seção transversal da passagem de fluído permite que o fluxo seja facilmente afetado pela rugosidade do canal; a segunda é justificada pelas mudanças nas direções de escoamento e pelos complicados limites do caminho de escoamento, que não são retilíneos e por isso favorecem fluxo turbulento (WEI et al, 2006;YU et al, 2018b).…”

“…A primeira é a força de arraste que é sempre diretamente proporcional à área projetada da partícula na direção do fluxo, predominante quando a partícula apresenta pequenos diâmetros. A segunda é a força de inércia, diretamente proporcional ao volume da partícula, que é muito maior em partículas grandes (JUN et al, 2007;YU et al, 2018b ANSELMET, 2016;FENG et al, 2017;WEI et al, 2006;ZHANG et al, 2007)…”

“…A baixa concentração de partículas utilizada durante os ensaios de obstrução também pode ter contribuído com a ausência de acúmulo de sedimentos nos vórtices. As regiões de recirculação podem ter efeitos de armazenamento de partículas (YU et al, 2018b(YU et al, , 2018c uma vez que o sedimento entra na região do vórtice e pode permanecer em movimento circular por um longo período, sem retornar para a região do fluxo principal. Quando este efeito é associado a presença de grande quantidade de partículas na água, o armazenamento de diversas partículas nos vórtices pode elevar a concentração e favorecer a sedimentação e acúmulo, fazendo com que a presença dos vórtices tenha efeito significativo na sensibilidade à obstrução.…”

“…Estes recursos permitem simular o escoamento no canal dos emissores e estimar a distribuição de pressão e de velocidades do fluxo no canal, facilitando realizar estimativas para relacionar a vazão e a pressão de operação de labirintos com diferentes formas e dimensões. Estas técnicas também podem gerar informações que permitam associar as características de escoamento no labirinto com locais suscetíveis a sedimentação de partículas no canal do labirinto, auxiliando os estudos relacionados à sensibilidade de emissores à obstrução(FENG et al, 2017;HAOSU et al, 2016;YU et al, 2018bYU et al, , 2018c. De maneira geral, modelos de simulação apresentam boa estimativa das condições reais de escoamento nos labirintos (AL-MUHAMMAD; TOMAS;…”

“…Quando a partícula é pequena (diâmetro ≤ 5µm) há predomínio de forças de arraste, enquanto que em partículas maiores (diâmetro ≥ 300 µm) forças de inércia são dominantes(JUN et al, 2007). Dependendo das características construtivas do labirinto e das condições de escoamento, as partículas de maiores dimensões são mais propensas à entrarem nas regiões dos vórtices, uma vez que o predomínio das forças de inércia faz com que as partículas saiam da região do fluxo principal em direção às regiões de vórtices, enquanto partículas finas tendem a movimentar-se preferencialmente na região do fluxo principal(YU et al, 2018b). Ao entrar na região de recirculação, onde o escoamento apresenta baixa velocidade, as partículas de grandes dimensões podem sedimentar, ocorrendo o aumento da deposição de partículas causando alterações de fluxo no interior do labirinto (AL-MUHAMMAD; TOMAS; ANSELMET, 2016; ZHANG et al, 2010).Durante os ensaios de obstrução mesmo nos labirintos que induzem a formação de grandes zonas de recirculações, como é o caso das geometrias com relação H/W de 1,6, não foi observado sedimentação e acúmulo de partículas sólidas nos vórtices localizados após o primeiro defletor, indicando que partículas com diâmetro inferior a 0,5 mm não são capazes de se depositarem nas condições avaliadas neste estudo.…”