Temas tanklarının verimlerinin iyileştirilmesi için açık kaynak HAD yazılımı kullanılarak delikli perdenin optimizasyonu

Abstract

Bu çalışmada, temas tankının veriminin arttırılması için tekli ve ikili hedef fonksiyonları göz önünde bulundurularak delikli perdenin otomatik optimizasyonu için açık kaynak kodlu yazılımlardan oluşan bütünleşik bir simülasyon-optimizasyon altyapısı geliştirilmiştir. Delikli perde geometrisini oluşturmak için FreeCAD, temas tankı içindeki türbülanslı akımın Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) benzetimi için OpenFoam ve optimizasyon için ise Dakota açık kaynak kodlu yazılımları kullanılmıştır. Perde üzerinde heterojen delik dağılımını oluşturabilmek için, delik sayısını ve dağılımını kontrol eden tasarım değişkenleri tanımlanarak yeni bir matematiksel konsept geliştirilmiştir. Geliştirilen heterojen delik dağılımına sahip perde üzerinde yapılan sayısal benzetimler sonucunda, temas tankının hem hidrolik veriminin, hem de karışım veriminin % 48 arttırılabildiği hesaplanmıştır. Geliştirilen delikli perde tasarımı, beton ya da metalden imal edilerek yeni temas tanklarında kullanılabileceği gibi, mevcut temas tanklarındaki perdeler üzerinde belirli noktalarda ve belirli çaplarda delikler açılarak verimde büyük oranda iyileşme sağlanabileceği belirlenmiştir.

Contact tanks are facilitated in potable water treatment plants for the disinfection of surface water in urban areas. Conventional design of a contact tank, comprising from solid baffles suffers from poor hydraulic and mixing efficiencies, which may lead to high disinfectant usage and energy consumption in modern cities. Recirculation zones and jet flow induced by the solid baffles result in high disinfectant usage to achieve suggested disinfection levels by the regulations. In order to enhance the performance of contact tanks, for the last five years, different baffle designs have been proposed, such as slot-baffle, perforated baffle and porous baffle. Although the perforated baffle has been proven to significantly enhance the efficiency of the contact tanks, perforation of the baffle has not yet been optimized depending on design variables such as the design discharge and the tank geometry. In this study, a simulation-optimization framework is developed based on open-source tools for the automatic optimization of perforated baffle using single and dual objectives to maximize the efficiency. FreeCAD was used for the generation of three-dimensional perforation geometry, OpenFoam was used for the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation of turbulent flow inside the contact tank and Dakota was used for the optimization process. In order to create a heterogeneous hole distribution on the baffle, a novel mathematical concept is developed based on the definition of design parameters that control the hole number and distribution. Numerical simulations on the proposed perforated baffle indicated that, the hydraulic and the mixing efficiencies both can be increased by 48 %. These proposed perforated baffles can be manufactured from metal or concrete and easily be used in new contact tanks. It is evaluated that the efficiency of the existing contact tank can be significantly increased by forming holes on the baffles at particular locations with particular dimensions.