Модуль Миксер (Mixer)

Для моделирования смесителей, смесительных реакторов и вращающихся механизмов, в которых имеются потоки текучих сред

Модуль Миксер (Mixer)

В этом турбулентном миксере перемешивание осуществляется с помощью трехлопастной мешалки и двух погруженных штанг, которые возмущают поток. В этой модели учитывается форма свободной поверхности.

Обеспечение соответствия продукции предъявляемым требованиям путем использования моделирования при проектировании и оптимизации

Модуль Mixer (Миксер) является расширением модуля CFD (Вычислительная гидродинамика). Он позволяет анализировать работу смесителей жидкостей и смесительных реакторов. Модуль Mixer (Миксер) использует специализированные функции моделирования потока жидкости во вращающемся оборудовании. Он обеспечивает предоставление данных по материалам для моделирования потоков различных жидкостей и свободных поверхностей.

Смесители с вращающимися деталями используются во многих процессах, например, при производстве потребительских товаров, фармацевтических препаратов, пищи и продуктов тонкой химии. Кроме того, смесители применяются в серийном производстве для решения множества задач (в том числе повседневных) при выпуске небольших партий дорогостоящей продукции. Все процессы перемешивания характеризуются одной общей чертой: первостепенное значение для них имеют качество, воспроизводимость и однородность продукта. Одним из способов проверки соблюдения этих требований является моделирование, которое помогает оценить конструкцию и оптимизировать как процесс перемешивания, так и сам смеситель. Моделирование особенно эффективно, если возможна его валидация в ходе пилотного процесса и последующий пересчет с целью масштабирования. Валидация таких моделей позволяет избежать расходов на разработку и проведение пилотных процессов, переходя от лабораторных испытаний напрямую к полномасштабному производству.


Дополнительные изображения с примерами:

  • НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ: модель жидкости, которая перемешивается и нагревается посредством интерфейса вращающегося оборудования с неизотермическим потоком. На пластинчатом графике показано температурное поле, а на стрелочной и ленточной диаграмме — направление потока. НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ: модель жидкости, которая перемешивается и нагревается посредством интерфейса вращающегося оборудования с неизотермическим потоком. На пластинчатом графике показано температурное поле, а на стрелочной и ленточной диаграмме — направление потока.
  • ПЕРЕГОРОДЧАТЫЙ СМЕСИТЕЛЬ: направления потока и величина скорости в поперечном разрезе перегородчатого смесителя с выпуклым дном и четырехлопастной мешалкой. Цветовая шкала на перегородках демонстрирует давление, на пластинчатом графике показан модуль вектора скорости и отмечены направления потока. ПЕРЕГОРОДЧАТЫЙ СМЕСИТЕЛЬ: направления потока и величина скорости в поперечном разрезе перегородчатого смесителя с выпуклым дном и четырехлопастной мешалкой. Цветовая шкала на перегородках демонстрирует давление, на пластинчатом графике показан модуль вектора скорости и отмечены направления потока.
  • "ЗАМОРОЖЕННЫЙ" РОТОР: функция "замороженного" ротора позволяет моделировать перемешивание неньютоновской жидкости. Эту функцию можно использовать в смесителях без геометрических помех (например, перегородок), снижая тем самым требования к вычислительным ресурсам. "ЗАМОРОЖЕННЫЙ" РОТОР: функция "замороженного" ротора позволяет моделировать перемешивание неньютоновской жидкости. Эту функцию можно использовать в смесителях без геометрических помех (например, перегородок), снижая тем самым требования к вычислительным ресурсам.

Моделирование перемешивания жидкостей

Перемешивание химических реагентов и жидкостей используется в самых разнообразных целях, в том числе для перемешивания компонентов, например, для ускорения реакций в смесительных реакторах периодического и непрерывного действия или для обеспечения постоянного растворения, кристаллизации, осаждения, поглощения или выделения. В смесителях на основе вращающихся устройств используются мешалки, в конструкцию емкостей могут входить такие элементы, как перегородки для отклонения потоков.
Обычно эти элементы легко доступны, и выбор мешалки и емкости зависит от типа планируемого процесса. Мешалки часто являются взаимозаменяемыми, при этом они используются для смешивания различных жидкостей или при различных требованиях к смешиванию в одной и той же емкости.

Моделирование потока жидкости во вращающемся оборудовании

Ламинарный поток

Модуль Mixer (Миксер) включает в себя гибкие и надежные физические интерфейсы для моделирования потока жидкости, на который воздействует вращающееся оборудование. В их число входит специальный интерфейс для ламинарного потока, используемый для моделирования смешиваемых потоков с малыми или средними значениями числа Рейнольдса путем решения уравнений Навье-Стокса. Он позволяет выполнять указанные расчеты для несжимаемых и слабо сжимаемых потоков (до числа Маха 0,3), а также содержит функции, позволяющие моделировать поток неньютоновской жидкости

Турбулентный поток

Интерфейсы физик для моделирования турбулентного потока, на который воздействует вращающееся оборудование, позвляют решать осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье – Стокса для осредненных полей скорости и давлений. Используются три модели турбулентности: модель "к-эпсилон", модель "к-омега" и модель "к-эпсилон с малым числом Рейнольдса". Как правило, модель "к-эпсилон" обеспечивает хороший компромисс между точностью и требованиями к вычислительной мощности, тогда как более ресурсоемкая модель "к-эпсилон с малым числом Рейнольдса" является более точной, особенно при расчете потока жидкости около стенок. Модель "к-омега" также дает более точные результаты, в частности, для зон рециркуляции около стенок, однако она менее надежна по сравнению с моделью "к-эпсилон". Как и в случае с физическим интерфейсом для ламинарного потока, в турбулентных потоках можно моделировать неснижаемый и снижаемый (число Маха < 0,3) потоки.

Неизотермический поток

Неизотермический поток и порождаемый подъемной силой поток наблюдаются в том случае, если на жидкость воздействуют температурные градиенты. Модуль Mixer (Миксер) содержит интерфейсы физик для работы с этими типами потоков. В интерфейсы неизотермического потока заложена функциональность, которая полностью связывает температуру и поля потока и в то же время позволяет моделировать поток, на который воздействует вращающееся оборудование (число Маха < 0,3). Кроме того, эти интерфейсы позволяют моделировать теплопередачу в жидкостях и твердых средах. Интерфейсы Rotating Machinery (Вращающееся оборудование) и Non-Isothermal Flow (Неизотермический поток) предусмотрены как для ламинарного, так и для турбулентного потоков. В интерфейсах используются вышеописанные модели турбулентности.

Реагирующий поток

Изменения плотности и состава потоков, на которые воздействует вращающееся оборудование, могут возникать также в результате химических реакций. Модуль Mixer (Миксер) включает в себя физический интерфейс для работы с реагирующими потоками. Этот интерфейс автоматически связывает уравнения потока жидкости с плотностью смеси, значение которой выводится интерфейсом переноса концентрированных веществ. Можно моделировать реагирующий поток, находящийся под воздействием вращающегося оборудования, предполагая, что он является турбулентным потоком, и используя вышеописанные модели турбулентности, либо же исходя из предположения, что он является ламинарным потоком.

Порядок работы при моделировании смесителей и смесительных реакторов

Выбор подходящего физического интерфейса зависит от опыта, результатов экспериментов или других качественных анализов. Без учета релевантных физических процессов результаты могут оказаться некорректны, однако добавление всех возможных факторов значительно увеличивает время вычислений. Интерфейсы вращающегося оборудования, предусмотренные в модуле Mixer (Миксер), позволяют проводить моделирование переменной сложности. Если смешиваемые вещества не оказывают воздействия на жидкость, в которой они содержатся, то в ходе моделирования можно вычислять поток жидкости и перенос материалов на основе поля скоростей. Концентрированные смеси, реакции и колебания температуры, как правило, оказывают воздействие на конститутивные свойства жидкости, такие как плотность и вязкость. Если такое воздействие становится существенным, можно переключиться на интерфейс вращающегося реагирующего потока либо интерфейс вращающегося неизотермического потока. Также COMSOL позволяет индивидуализировать процесс моделирования, добавляя к уже имеющимся интерфейсам физик новые (например, интерфейс механики конструкций).

Интерфейсы модуля Mixer (Миксер)

Модуль Mixer (Миксер) содержит ряд физических интерфейсов, основанных на законах сохранения момента, массы и энергии, а также материального баланса компонентов жидкости. Различные сочетания и выражения законов сохранения, применимых к соответствующим физическим процессам в поле потока, приводят к различным уравнениям и настройкам, имеющимся во встроенных физических интерфейсах модуля Mixer (Миксер).

Эти физические интерфейсы позволяют проводить расширенное моделирование воздействия вращающегося оборудования на жидкости. Сюда входят ламинарные и турбулентные потоки, несжимаемые и слабо сжимаемые потоки, а также неньютоновские потоки. Имеются также дополнительные физические интерфейсы, включающие условия и уравнения для описания влияния температуры, реагирующих веществ, а также свободных поверхностей на вид уравнений потоков жидкостей. Физические интерфейсы для указанных типов потока позволяют проводить моделирование с использованием двумерных и трехмерных зависящих от времени моделей, включающих полное описание вращения мешалки, или с помощью аппроксимации «замороженного» ротора.

Использование нестационарного исследования или функции «замороженного» ротора

Исследование существенно нестационарного потока при воздействии вращающегося оборудования учитывает движение геометрических частей относительно друг друга, при этом наиболее точно моделируются процессы перемешивания. COMSOL определяет область моделирования, которая включает в себя мешалку или ротор, а также другую, внешнюю область, где находятся стенки, перегородки и т.п. После этого применяется метод скользящей сетки для учета интеграции этих двух областей. Точность, обеспечиваемая такой процедурой решения, необходима, когда требуется исследовать условия пуска смесителей. Однако зачастую этот метод требует очень больших вычислительных ресурсов, если требуемым результатом является моделирование работы смесителя по истечении некоторого времени, а также его поведения при нормальной работе в псевдостабильных условиях.

В модуле Mixer (Миксер) также имеется функция «замороженного» ротора, позволяющая экономить вычислительные ресурсы и время. Она моделирует вращающийся поток в предположении, что топология системы неподвижна относительно вращающейся системы отсчета, или «заморожена», что существенно сокращает вычислительные ресурсы, необходимые для моделирования псевдостабильного состояния. Использование этой возможности эквивалентно решению стационарных уравнений Навье-Стокса, в которых центробежная и кориолисова силы добавляются во вращающихся областях. Использование аппроксимации с «замороженным» ротором целесообразно для смесителей без перегородок или иных помех, а также при вращения всей системы, например, при центробежном разделении в микрогидродинамике.

Однако если геометрия систем требует полного описания вращения ротора относительно неподвижных деталей, например, в смесителе с перегородками, функция «замороженного» ротора также может оказаться полезной для снижения потребности в вычислительных ресурсах сокращения времени расчета. Несмотря на то, что точное решение в такой геометрической конфигурации удается найти не всегда, использование функции «замороженного» ротора все же может дать достаточно разумное приближенное решение, качество которого зависит от близости зафиксированных и стационарных компонентов друг к другу. Затем, при использовании этого решения в качестве начального поля скоростей, а также другие параметры для моделирования переходных процессов, полностью времязависимая модель приходит в псевдостабильное состояние значительно быстрее.

Моделирование свободных поверхностей в смесителях

В модуль Mixer (Миксер) заложены специализированные функции моделирования свободных поверхностей жидкостей в смесителях. Они позволяют учитывать силы поверхностного натяжения и углы смачивания между поверхностью и стенками. В модуле Mixer (Миксер) используется технология подвижной сетки, что позволяет моделировать форму свободной поверхности путем свободного перемещения линии соприкосновения между смешиваемой жидкостью, жидкостью над свободной поверхностью и твердыми поверхностями стенок и ротора по твердым поверхностям.

При моделировании свободных поверхностей можно использовать функцию задания коэффициента поверхностного натяжения в уравнениях, описывающих движение свободной поверхности. В состав модуля Mixer (Миксер) входят готовые библиотеки коэффициентов поверхностного натяжения для смешивания ряда распространенных жидкостей между собой, а также с некоторыми часто встречающимися газами. К ним относятся:

Жидкость / газ Жидкость / жидкость
Вода / воздух Бензол / вода
Ацетон / воздух Кукурузное масло / вода
Уксусная кислота / воздух Эфир / вода
Этанол / воздух Гексан / вода
Этиленгликоль / пары этиленгликоля Ртуть / вода
Диэтиловый эфир / воздух Оливковое масло / вода
Глицерин / воздух
Гептан / азот
Ртуть / пары ртути
Толуол / воздух

Mixer

Modular Mixer-Turbulent Mixing (k-omega)

Mixing of Water in a Flat Bottom Mixer

Non-Isothermal Flow in a 2D Mixer