Миксер

Ламинарные и турбулентные потоки в аппаратах с вращающимися механизмами

Модуль «Миксер» содержит гибкий и надёжный инструментарий моделирования течений жидкостей в сосудах с вращающимися крыльчатками. Гидродинамические интерфейсы Fluid Flow описывают как ламинарный, так и турбулентный режимы течения несжимаемых и сжимаемых флюидов. Кроме того, в интерфейсе Laminar Flow доступен большой набор моделей неньютоновских жидкостей.

При анализе течений в аппаратах с вращающимися импеллерами доступны все гидродинамические интерфейсы Fluid Flow, входящие в состав модуля «Вычислительная гидродинамика», в том числе для моделирования течения неньютоновских жидкостей и турбулентных потоков на основе осреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье — Стокса (RANS).

Неизотермические течения

В состав модуля «Миксер» включены интерфейсы Nonisothermal Flow для моделирования полей температуры и скорости, в том числе с учётом эффектов плавучести и зависимости теплофизических свойств среды от температуры. Кроме того, интерфейсы Nonisothermal Flow позволяют анализировать сопряжённый теплообмен, то есть процессы теплопередачи в жидкостях и твёрдых телах. Входящие в состав модуля интерфейсы Rotating Machinery, Nonisothermal Flow, которые можно использовать для анализа неизотермических течений как при ламинарном, так и при турбулентном режимах.

Алгебраические модели турбулентности

Ниже перечислены RANS-модели турбулентности для вращающихся систем, которые не требуют решения дополнительных дифференциальных уравнений:

Алегбраическая yPlus:

• Модель построена на оценке локального расстояния до стенки
• Область течения разрешается вплоть до твёрдой стенки
• Для оценки используются безразмерные величины

L-VEL:

• Модель Агонафера (1996)
• Область течения разрешается вплоть до твёрдой стенки
• Оценивается безразмерная продольная компонента скорости вдоль стенки

Библиотека деталей

В состав модуля «Миксер» включена библиотека деталей, содержащая геометрические модели распространённых конструкций импеллеров и корпусов реакторов. Эти детали можно использовать для построения моделей миксеров или реакторов смешения. Детали полностью параметризованы, любые их геометрические размеры могут быть изменены. Лопасти импеллеров могут быть плоскими или изогнутыми, с острыми или скруглёнными углами и рёбрами. Представлены шесть различных типов осевых и четыре типа радиальных импеллеров, а также два типа импеллеров для жидкостей с высокой вязкостью. В библиотеку включены три типа корпусов: с конусным, выпуклым и плоским дном. Все три типа могут быть как с перегородками, так и без них.

Химически реагирующие и многофазные потоки

Процессы в миксерах и реакторах смешения сопровождаются изменениями температуры и состава смеси, которые влияют на локальные значения плотности и вязкости среды. Эти эффекты можно смоделировать с помощью интерфейсов Reaсting Flow, которые автоматически связывают уравнения гидродинамики, реализованные в интерфейсах Fluid Flow, и конвективной диффузии, реализованные в интерфейсах Transport of Concentrated Species или Transport of Diluted Species, позволяя, таким образом, проанализировать процессы переноса и химические реакции. Анализ химически реагирующих течений в миксерах и корпусных реакторах с вращающимися импеллерами можно проводить как при ламинарных, так и при турбулентных режимах.

Модуль «Миксер» также содержит интерфейсы для моделирования как раздельных многофазных потоков с отслеживанием межфазной границы, так и дисперсных многофазных потоков с расчётом распределения массовой или объёмной доли каждой фазы.

Типы анализа

В рамках нестационарного исследования течения жидкости в аппаратах с вращающимися механизмами используется метод скользящей сетки, который позволяет учесть эффект вращения. COMSOL^® задаёт вращающийся домен, в котором находится импеллер, и стационарный домен, в котором находятся неподвижные стенки сосуда и перегородки.

Помимо этого, в модуле «Миксер» реализован специальный тип исследования Frozen Rotor, который позволяет проводить анализ в предположении, что топология системы по отношению к вращающемуся домену, остаётся неизменной, или замороженной. Такой подход значительно снижает вычислительные затраты на моделирования установившихся (квазистационарных) режимов. Исследование Frozen Rotor эквивалентно решению стационарных уравнений Навье — Стокса, в которые внутри вращающихся доменов добавлен учёт центробежной и кориолисовой сил. Также исследование Frozen Rotor часто используется для получения начальных условий при проведении нестационарного анализа в системах с вращающимися доменами.

Модели турбулентности на основе транспортных уравнений

Ниже перечислены RANS-модели турбулентности, построенные на основе транспортных уравнений для характеристик турбулентности. Все эти модели доступны для анализа течений в аппаратах с вращающимися механизмами:

• k-ε модель с условиями реалистичности
• Реалистичная k-ε модель
• k-ω модель
• Модель переноса сдвиговых напряжений (SST):
  • SST модель Ментера с двумя уравнениями (2003 г.) с условиями реалистичности
• Низкорейнольдсовая k-ε модель:
  • Модель Абэ-Кондо-Нагано (AKN) с условиями реалистичности
  • Разрешает всю область течения вплоть до твёрдой стенки
• v2-f модель:
  • Учитывает анизотропию турбулентности
  • Подходит для анализа закрученных потоков, например в циклонах
• Модель Спаларта-Аллмареса:
  • Модификация с коррекцией на вращение