کاوشی در بحران آب شهر فلینت: پاکیزه نگه داشتن ذخایر آب
روش‌های پیشرفته‌ای مانند مدل‌های دینامیک سیالات محاسباتی که نرم افزار فلوئنت از آن بهره می‌برد، برای پیش بینی عملکرد و تجزیه و تحلیل علت ریشه‌ای حوادثی که ممکن است در سیستم‌های آبرسانی رخ دهد وجود دارد. چنین مدل هایی از علوم پایه مانند فیزیک جریان لوله و فرآیندهای شیمیایی/بیولوژیکی که تحت شرایط خاصی در سیستم‌های آب اتفاق می افتند، استفاده می کنند. با درک صحیح از این واکنش ها، می توان مدل های پیش بینی کننده‌ای ایجاد کرد که می‌توانند آسیب‌های ناشی از لوله کشی و همچنین میزان مواد خطرناک موجود در آب را در طی یک دوره زمانی ارزیابی کنند. چنین توانایی‌هایی بسیار ضروری است تا پیش از اینکه شرایط بحرانی شود به مقامات هشدار دهد تا اقدامات پیشگیرانه را شروع کنند.
آب پاکیزه یکی از اساسی ترین نیازهای زندگی ماست؛ سلامتی ما به آب پاکیزه و تصفیه شده بستگی دارد. آنچه اخیراً در بحران آب شهر فلینت در ایالت میشیگان آمریکا رخ داد، مردم را شوکه کرده است. رییس جمهور وضعیت اضطراری اعلام کرد و درخواست هایی وجود دارد که فرماندار میشیگان از مقامش کناره گیری کند. شروع این ماجرا از زمانی بود که مسئولان شهر فیلنت تصمیم گرفتند به منظور کاهش هزینه بدون اضافه کردن ارتوفسفات (orthophosphate)، ماده‌ای شیمیایی که سطح داخلی لوله را می پوشاند، از آب رودخانه فیلنت برای مصارف خانگی استفاده کنند.
افرادی که این آب را مصرف کردند از مشکلات بهداشتی جدی رنج بردند و موضوع با حضور آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده، که آژانس پیشروی فدرال در حفاظت از آب آشامیدنی و سیستم‌های فاضلاب است، در سطح فدرال رسیدگی شد. سیستم های آب، بخشی از زیرساخت های امنیت ملی ما، باید با استفاده از ابزارهای حرفه‌ای و دقیق طراحی شوند تا ایمن و کارآمد باشند.
دینامیک سیالات محاسباتی خود را به عنوان اصلی ترین ابزار در طراحی و عیب یابی سیستم های فیزیکی و شیمیایی تثبیت کرده است. در همین راستا، ابزارهای دینامیک سیالات محاسباتی شرکت انسیس، مدل های ریاضی لازم را برای طراحی، عیب یابی یا بهبود فرایندها و تجهیزات مورد استفاده در صنعت آب ارائه می دهند. با انتشار نسخه‌های جدید انسیس، مدل الکتروشیمیایی بیشتر بهبود یافته است و مدل‌های فیزیکی بیشتری را برای مقابله با مشکلاتی از جمله زنگ‌زدگی و خوردگی لوله و سطح اضافه می‌کند. مهندسان انسیس با شرکت های بزرگ و تولید کنندگان تجهیزات همکاری گسترده‌ای داشته اند که به آنها در بهبود فرآیندها و اطمینان از تولید آب پاکیزه و عدم بیماری زا کمک می‌کند. تصاویر زیر استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در ماشین آلات کارخانه های تصفیه آب و فاضلاب را نشان می دهد.
مخلوط کردن آب و مواد شیمیایی برای بهبود کیفیت یک عمل اساسی است که به قرارگیری وسایل اختلاط Mixing بستگی دارد. این مرحله با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در نرم افزار فلوئنت بهینه شده است. شکل های ۱ (الف) ، (ب) و (پ) نشان می دهند که چگونه با گذشت زمان، بستر ذرات در انتهای یک مخزن آب با پرّه (تیغ‌های مخلوط کن) بهم زده می‌شود. این نوع شبیه سازی‌ها به تجسم تأثیر سرعت حرکت پرّه بر اختلاط نسبی انواع مختلف مواد جامد و مایع درون رآکتور Reactor کمک می‌کند.
از همین تکنیک می توان برای مخلوط کردن گاز و مایع استفاده کرد. در مثال بعدی هوا از انتهای یک مخزن اختلاط وارد می‌شود. هنگامی که پرّه‌ها در حال چرخش هستند، حباب های هوا از طریق مایع و از سطح آزاد خارج می شوند. در طی این فرآیند، اکسیژن در مایع به دام می‌افتد. شکل ۲ (الف) یک تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی به کمک نرم افزار فلوئنت برای یک سیستم هوادهی در پایین و دو پرّه مخلوط کن نشان می‌دهد. مناطق پر سرعت و کم سرعت و همچنین کسر حجمی هوا به عنوان تابعی از سرعت تزریق هوا و سرعت تیغ‌های مخلوط کن قابل مشاهده است. شکل زیر همچنین کسر حجمی هوا در مخزن را در زمان‌های مختلف نشان می‌دهد.
سایر زیست واکنشگاه‌ها (bioreactors) نیز می‌توانند به همین روش طراحی شوند. جدا از انواع مخزن‌های مخلوط کنِ نشان داده شده در بالا، انواع رآکتور هوازی نیز به دلیل طراحی ساده، محبوب هستند. شکل ۳ نمونه ای از رآکتور هوازی طراحی شده با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت و مدل چند فاز اویلری به همراه مدل تعادل جمعیت (population balance model) را نشان می‌دهد. این به ما امکان می‌دهد توزیع اندازه حباب و گاز انبار شده در قسمت های مختلف راکتور را محاسبه کنیم. تجزیه و انسجام حباب‌ها نیز محاسبه می شود؛ زیرا این یک موضوع مهم در تعیین صحیح نواحی بین سطحی برای فرآیندهای انتقال حرارت و جرم است. شکل ۳ (الف) سطح واسط هوا و آب را نشان می دهد. توزیع اندازه حباب و غلظت اکسیژن به ترتیب در ۳ (ب) و ۳ (پ) نشان داده شده است. این نوع تجزیه و تحلیل در شناسایی نقاطی با حداکثر و حداقل میزان نگه داری گاز کمک می‌کند.
همچنین می‌توان برای طراحی فرآیند ضد عفونی ماوراء بنفش که در صنعت آب مورد استفاده قرار می‌گیرد، از دینامیک سیالات محاسباتی شرکت انسیس استفاده کرد. نور ساطع شده توسط لامپ‌های ماوراء بنفش می‌تواند عوامل بیماری‌زای آب را خنثی کند. پودمان تابش، قدرت این میدان تابش ماوراء بنفش در اطراف لامپ‌ها را محاسبه می کند – در شکل ۴ (الف) نشان داده شده است – در حالی که حل کننده‌ی هسته‌ی جریان، مقاومت زمانی (residence time) را پیش بینی می‌کند. ترکیب مقاومت زمانی و قدرت میدان تابش، ابزاری برای محاسبه اثربخشی این فرایند کشنده را فراهم می کند. مسیرهای احتمالی عوامل بیماری زا از طریق سیستم مجرای آب در شکل ۴ (ب) نشان داده شده است. عوامل بیماری زا از نزدیکی لامپ عبور کرده و با عبور از میدان تابش آن، به قدری اشعه دریافت می‌کنند که DNA آنها تغییر یافته و از این رو خنثی می شوند.
استفاده از ابزارهای پیشرفته تجزیه و تحلیل مانند دینامیک سیالات محاسباتی و ارتباط شان با اینترنت اشیاء (چیزنت) نقش بزرگی در اطمینان یافتن از تأمین امنیت و همچنین در دسترس بودن منابع آب برای همه بازی خواهد کرد. آب تمیز و هوای پاک امتیازی ویژه نیست، بلکه حقی مسلّم است. بیایید در استفاده از این منابع زیرک باشیم. بیایید آن ها را برای نسل های آینده، برای فرزندان مان، پاکیزه نگه داریم!
