Mixer Module es un módulo complementario de CFD Module que permite analizar mezcladores de fluidos y reactores agitados. Ayudado por una funcionalidad dedicada para la simulación de flujo de fluido sujeto a maquinaria rotatoria, Mixer Module también proporciona datos de materiales para modelar diferentes fluidos y superficies libres.
Los mezcladores con partes rotatorias se utilizan en muchos procesos industriales, como en la producción de productos de consumo, farmacéuticos, alimentación y química fina. A menudo un mezclador también puede ser utilizado en procesos en lotes para muchos diferentes propósitos, incluso en situaciones diarias, donde los productos se producen en bajos volúmenes y se venden a altos precios.
Una cosa que todos los procesos de mezcla tienen en común es que la calidad, reproducibilidad y la uniformidad de los productos son de máxima importancia. Una manera de asegurarse de que se cumplen los requerimientos de estos productos es realizar simulaciones para diseñar y optimizar la operación del proceso de mezcla y en propio mezclador. Los modelos y las simulaciones son particularmente útiles cuando tienen que ser validados por un proceso piloto, y luego ser utilizados para los cálculos. Una vez validados, estos modelos pueden ser utilizados para evitar los costes involucrados en la construcción y realización de procesos de escala pilotos, y, en su lugar ir directamente desde la escala de laboratorio a la producción de escala completa.
Los mezcladores con partes rotatorias se utilizan en muchos procesos industriales, como en la producción de productos de consumo, farmacéuticos, alimentación y química fina. A menudo un mezclador también puede ser utilizado en procesos en lotes para muchos diferentes propósitos, incluso en situaciones diarias, donde los productos se producen en bajos volúmenes y se venden a altos precios.
Para los usuarios del módulo Mixer Module, COMSOL Multiphysics® versión 6.2 presenta una nueva función Mixing Plane para geometrías 3D para modelar el flujo en maquinaria giratoria, por ejemplo, en mezcladores. Esta característica funciona promediando las cantidades de flujo en la dirección de rotación y utiliza un enfoque cuasi estacionario que ofrece una alternativa más precisa al enfoque del rotor congelado. El enfoque del plano de mezcla es un método eficiente para modelar sectores de bombas centrífugas, turbinas y compresores.
La configuración de la interfaz de usuario y los resultados de la nueva función Mixing Plane. Sólo es necesario modelar un sector de 1/24 de la configuración rotor-estator, pero en este ejemplo se trazan 24 sectores.
Esta versión trae todos los modelos de turbulencia para maquinaria rotativa, modelos de mezclas y flujo de burbujas, así como un flujo de trabajo de modelado renovado para interfaces de maquinaria rotativa con malla móvil.
Todos los modelos de turbulencia ahora están disponibles para máquinas rotativas
La nueva versión del módulo CFD contiene formulaciones listas para usar para todos los modelos de turbulencia cuando se usan junto con maquinaria rotativa. Esto simplifica modelar flujo turbulento con máquina rotativa para cualquier modelo de turbulencia que previamente tenía que ser definida manualmente, en un marco rotativo.
Modelo de una bomba centrifugadora modelada con la nueva combinación de modelo de turbulencia y máquina rotativa.
Todos los modelos de turbulencia ahora están disponibles para las interfaces de Modelo de mezcla y Flujo de burbujas
Las interfaces de Flujo de burbujas y Modelo de mezcla ahora incluyen modelos de turbulencia así como tratamiento automático de paredes, excepto las formulaciones k-ε basada en la ley de pared y k-ε realizable. Adicionalmente se dispone de condiciones de contorno de pared interior, posibilitando tratar impulsores, rotores, bafles, aletas, etc. sin tener que mallar paredes delgadas.
Interfaces de maquinaria rotativa con malla móvil renovadas
La interfaz, Maquinaria rotativa, flujo de fluido ha sido mejorada separando el nodo de Dominio giratorio de la física del flujo de fluido. Al añadir una de estas interfaces, se añade la interfaz de flujo monofásico así como un nodo de Dominio giratorio bajo Definiciones > Malla móvil. Con esta separación ahora se puede combinar cualquier interfaz de flujo de fluido con maquinaria rotativa. Incluso con esta creciente flexibilidad, definir flujo de fluido en maquinaria rotativa y la malla móvil separada es igual de fácil que con las versiones previas de COMSOL Multiphysics®. La malla móvil controla el marco espacial en un modelo y puede aplicarse a todas las interfaces físicas en un modelo donde los dominios estén girando. Como ejemplo, esto simplifica la combinación de flujo de fluido con transporte de especies químicas en mezcladores y reactores agitados.
Turbulencia inducida por flotabilidad
La flotabilidad introduce una fuerza de volumen en el volumen del fluido que puede causar naturalmente inestabilidades. Al final, estas inestabilidades en el flujo se hacen caóticas, dando lugar a la aparición de turbulencia. La funcionalidad Gravedad, utilizada para modelar flotabilidad en el módulo CFD, ahora incluye la opción de tener en cuenta la turbulencia inducida por flotabilidad seleccionando la correspondiente casilla Include buoyancy-induced turbulence. Esta contribución al flujo turbulento entonces puede definirse automáticamente a través del acoplamiento multifísico Flujo no isotérmico o a través del número de turbulencia de Schmidt definido por el usuario.
Condición de contorno de entrada para flujo turbulento completamente desarrollado
La condición de contorno Entrada para flujo turbulento completamente desarrollado proporciona los valores del perfil de velocidad y variable de turbulencia en un corte transversal de la entrada, considerando que el flujo hacia arriba del canal de entrada es de una cierta longitud y que el flujo está completamente desarrollado. En versiones previas de COMSOL®, un estimador aceptable de la sección cruzada del perfil de velocidad habría requerido el modelado de una sección muy larga de la entrada en el canal. La nueva condición de contorno proporciona un perfil de entrada muy preciso sin la necesidad de geometría adicional y por tanto reduce los recursos computacionales.
La entrada de una tobera con sección cruzada en estrella se modela utilizando la condición de entrada con flujo turbulento completamente desarrollado.
Nueva interfaz de modelo de Turbulent flow, realizable k-ε
La nueva interfaz Turbulent flow, realizable k-ε añade un popular modelo de turbulencia RANS al arsenal de modelos de turbulencia. La mayoría de modelos de turbulencia incluyen restricciones de realizabilidad para asegurar la no negatividad de las tensiones normales de turbulencia, la desigualdad de Schwarz entre cualquier variable fluctuante y para limitar la producción de turbulencia. Sin embargo, el nuevo modelo de turbulencia k-ε realizable aplica la realizabilidad permitiendo que los coeficientes en las ecuaciones de transporte de turbulencia varíen respecto a la tasa de deformación del flujo medio así como k y ε. Esto da como resultado una aproximación más física y suave en los estados limitantes.
Flujo turbulento golpeando un cubo en un ángulo recto con una de las caras. El modelo de turbulencia k-ε realizable evita que la componente de energía turbulenta en la dirección de deformación asuma valores negativos debido a una deformación media rápida.
Nueva interfaz de interacción fluido-estructura que soporta todos los modelos de turbulencia
Un nuevo acoplamiento multifísico de Interacción fluido-estructura ha reemplazado la interfaz utilizada en versiones previas de COMSOL®. El nuevo acoplamiento se ajusta al estilo moderno, con un número de interfaces físicas simples y nodos multifísicos para acoplarlos entre si. Con este enfoque toda la funcionalidad en las interfaces físicas constituyentes está disponible para modelar FSI. En el lado estructural ahora se dispone de muchas condiciones de contorno y modelos de materiales adicionales para el análisis FSI; por ejemplo, dominio rígido, piezoeléctrico y modelos de material elástico no lineal. En la parte de fluido, ahora todos los modelos de turbulencia están disponibles así como una serie de nuevas condiciones de contorno. Tras añadir una interfaz de Interacción fluido-estructura desde el Asistente de modelo, se obtiene una interfaz de Mecánica de sólidos, una interfaz de Flujo laminar, un nodo de acoplamiento multifísico de Interacción fluido-estructura y un nodo de Malla móvil en la sección de Definiciones. Todos los modelos FSI de la Biblioteca de aplicaciones han sido actualizados para incluir esta nueva funcionalidad de acoplamiento.
Presión (tabla de color) y deformación (exagerada en un factor 50 en la superficie) del alerón de un coche deportivo sujeto a flujo turbulento (líneas de flujo) de 200 km/h (125 mph) en un banco de pruebas. El modelo se define utilizando interacción fluido-estructura de un sentido en la nueva interfaz física.
Rendimiento y estabilidad para problemas dependientes del tiempo sustancialmente mejorados
Se ha modificado la estrategia del resolvedor para problemas dependientes del tiempo, dando lugar a un proceso de solución más suave y robusto que es 50% más rápido sin pérdida alguna de precisión.
Modelo dependiente del tiempo del flujo alrededor de una esfera creando un vórtice de Karman en un camino en bajada, resuelto más rápidamente en COMSOL Multiphysics® versión 5.3a.
La versión 5.2a de COMSOL Multiphysics® incluye en su módulo Mixer Module piezas actualizadas en la Librería de piezas y una versión actualizada de la app Mixer que muestra las nuevas funcionalidades de las piezas.
Piezas actualizadas en la Librería de piezas del módulo Mixer Module
Los impulsores axiales, radiales y en forma de c se han actualizado para incluir superficies de control fluido-fluido internas encerrando las palas del impulsor y el eje. Pueden utilizarse para realizar los cálculos de los números de flujo axial y radial. La inclusión de las superficies de control superior, inferior y lateral se habilita con una simple parámetro booleano en la pieza.
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App actualizada: Mixer
La app Mixer app se ha actualizado con un gráfico de la velocidad de cizalladura y evaluaciones de los números de flujo radial y axial para cada impulsor.
El nuevo gráfico de velocidad de cizalladura en la app Mixer permite el diseño de mezcladores y es específicamente útil para procesos que involucren células vivas. Una velocidad de cizalladura alta puede dañas a las células, por ejemplo en procesos de fermentación del vino. En la solución de volumen, la velocidad de cizalladura también es una medida del grado de mezcla.
Los números de flujo radial y axial ahora pueden evaluarse para cada impulsor en la app Mixer, utilizando las superficies de control radial y axial asociadas con las piezas de impulsores.
Nueva app: Mezclador
El objetivo de la aplicación Mixer es proporcionar una interfaz amigable donde los científicos, diseñadores e ingenieros de procesos puedan investigar la influencia que tienen los recipientes, impulsores, separadores y condiciones operativas en la eficiencia de mezclado y la potencia que se requiere para controlar los impulsores. Se puede utilizar la app para comprender y optimizar el diseño y funcionamiento de un mezclador para un fluido dado.
Se pueden especificar las dimensiones del recipiente, de una lista de tres tipos; y las dimensiones y configuración de los impulsores, de una lista de once tipos. Los recipientes también pueden equiparse con deflectores. Además se pueden especificar las propiedades del fluido que se está mezclando así como la velocidad del impulsor.
Módulo de la velocidad, líneas de flujo y deformación de superficie libre de un mezclador con tres impulsores de doble hoja en C.
Novedades en la interfaz de flujo fluido en maquinaria rotatoria: "Turbulent Flow, Algebraic yPlus" y "Turbulent Flow, L-VEL"
En el módulo Mixer Module se ha incluido el soporte para estudiar el flujo de dos fases en maquinaria de rotación. Las nuevas interfaces de Maquinaria de rotación, Modelo de Mezcla combina las capacidades de la maquinaria rotatoria y el modelo de mezcla para flujo de dos fases. Se han introducido dos nuevas interfaces en el Asistente de Modelo bajo la nueva subrama Maquinaria de rotación, Flujo multifásico, uno para flujo laminar y uno para flujo turbulento (utilizando el modelo de turbulencia k−ε).
Esta nueva aplicación en la Librería de Aplicaciones permite simular un recipiente de mezclado en plato variando parámetros geométricos, el número y tipo de impulsores y las condiciones de operación para conseguir resultados sobre el esfuerzo de torsión del impulsor y la potencia requerida.
