Numerical Modeling of the Artificial Destratification of the Thermally Stratified Water Column by Air Diffusers

Abstract

Reservoirs have essential roles in water management due to the large areas of use. In a reservoir, the structure of the temperature profile in the vertical water column mainly controls the vertical distribution of heat, dissolved substances, and nutrients. Thermal stratification in the water column can lead to an anoxic and poor quality water source. Artificial destratification has been widely used to improve water quality in thermally stratified water sources. This study focuses on the numerical modeling of artificial destratification of thermally stratified water columns by air diffusers to improve the water quality of reservoirs. Firstly, destratification experiments were performed to verify the numerical models. In the experiments, the effects of air diffuser hole diameter, air flow rate, and the number and configuration of holes on the diffuser on destratification time and efficiency were observed. The second part of the study comprised the numerical modeling of hydrodynamics during the destratification of thermally stratified water columns by air diffusers. ANSYS Fluent software is utilized for the simulation of the hydrodynamic processes. Model options for multiphase flows, boundary conditions, and turbulence; and their comparison with experimental studies are discussed. The Eulerian multiphase model and k-ω turbulence model were found to be suitable for this study. In the final part, the numerical model was verified with the experiments. Based on the error analysis of comparisons of the model and observations, the best configuration of air diffuser is proposed, and the numerical model was found to be successful in simulating the destratification of thermally stratified water columns by air diffuser.

Rezervuarlar, geniş kullanım alanı nedeniyle su yönetiminde önemli role sahiptir. Bir rezervuarda, dikey su sütunundaki sıcaklık profilinin yapısı esas olarak sıcaklığın, çözünmüş maddelerin ve besinlerin dikey dağılımını kontrol eder. Su kolonundaki termal tabakalaşma, oksijensiz ve düşük kaliteli su kaynağına yol açabilir. Yapay katman giderme çalışmaları, ısıl tabakalı su kaynaklarında su kalitesini iyileştirmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışma, rezervuarların su kalitesini iyileştirmek için sıcaklık tabakalı su kolonlarının hava difüzörü ile yapay olarak karışımının sayısal modellemesine odaklanmaktadır. İlk olarak, sayısal modelleri doğrulamak için destratifikasyon deneyleri yapılmıştır. Deneylerde, hava difüzörü delik çapı, hava debisi ve difüzör delik sayısının destratifikasyon süresi ve verimliliği üzerindeki etkileri gözlemlenmiştir. Çalışmanın ikinci kısmı, ısıl tabakalı su kolonunun hava difüzörleri tarafından karıştırılması sırasındaki hidrodinamiklerin sayısal modellemesini içermektedir. Hidrodinamiklerin simülasyonu için ANSYS Fluent yazılımı kullanılmıştır. Çok fazlı akışlar, sınır koşulları ve türbülans için model seçenekleri; ve deneysel çalışmalarla karşılaştırılması tartışılmıştır. Eulerian çok fazlı modeli ve k-ω türbülans modeli bu çalışma için uygun bulunmuştur. Son bölümde ise sayısal model deneylerle doğrulanmıştır. Model karşılaştırmalarının ve gözlemlerin hata analizine dayanarak, en iyi hava difüzörü konfigürasyonu önerilmiş ve sayısal modelin ısıl tabakalı su kolonlarının hava difüzörü ile karıştırılnasını simüle etmede başarılı olduğu kararlaştırılmıştır.