• Description

用於模擬攪拌器,攪拌反應器,以及旋轉機械流動。

通過支持模擬的設計和優化來迎合產品需求

作為CFD 模組的附加模組,攪拌器模組可以分析流體攪拌器和攪拌反應器。在專業的模擬旋轉機械中液體流動功能的幫助下,攪拌器模組還提供了模擬不同流體和自由表面的材料數據。

具有旋轉部件的攪拌器用於很多工業過程,例如消費產品、製藥、食品,以及精細化工等。很多情況下,攪拌器可用於很多不同目標的批式製程藝, 甚至是日常應用,其中產品的體積很小但售價很高。在所有的攪拌過程中有一點是共同的, 那就是品質、可重複性以及產品的一致性等是最重要的要素。確保這些產品需求得到滿足的一種方法是通過模擬設計和優化攪拌工藝條件以及攪拌器。如果模型和模擬能夠被試驗過程驗證, 它們將相當有用,並可用於進行按比例放大計算。一旦得到驗證,這種模型可以用來避免構建和運行試驗性的按比例放大過程中的成本,而是直接從實驗室尺寸到全尺寸設計。

 

  • 非等温搅拌: 使用旋转机械,非等温流接口模?的搅拌和加热的流体。 片图说明温度场,箭头和带状图显示流动方向。
  • 挡板搅拌器: 四?桨碟形底挡板搅拌器截面上的流线和速度大小。 挡板上的颜色比例表示压力,片图显示速度矢量的模,流线显示流动方向。
  • 冻结转子: 冻结转子特征用来模?非牛顿流体的搅拌, 它可以用于几何中没有障碍物(如挡板)的搅拌器,所需的计算资源较少。

流體攪拌模擬

很多應用都需要化工和流體攪拌,包括混合物質, 例如批量進行化學反應和連續攪拌釜式反應器,或者進行穩態溶解、結晶、沉澱, 吸收,或萃取等工藝。基於旋轉機械的攪拌器包含一個槳葉和一個可引入其他部件(例如擋板)的容器。這些部件通常已經預置好,您可以根據所需的工藝選擇不同的槳葉和容器。很多情況下,槳葉具有互換性,可以根據需要在一個相同的容器內用於不同的流體或攪拌。

模擬旋轉機械流體流動

層流

攪拌器模組包含靈活和強大的物理場介面,用來模擬受旋轉機械影響的流體流動。包括一個專用於層流的介面,用來通過求解Navier-Stokes 方程, 模擬中低雷諾數的攪拌流動。它可用於不可壓縮和弱可壓縮流動(馬赫數小於0.3), 還包含模擬非牛頓流體流動的特徵。

紊流

用來模擬受旋轉機械影響的紊流的物理場介面, 求解平均速度和壓力場的雷諾平均Navier-StokesRANS)方程。其中有三種紊流模型, 包括k-epsilon 模型,k-omega 模型,以及低雷諾數k-epsilon 模型。k-epsilon 模型可以在精度和計算需求之間提供很好的折衷,需要更多計算資源的低雷諾數k-epsilon 模型更精確,特別是求解物探壁面的流體流動。k-omega 模型也可以得到更精確的結果, 特別是靠近壁面的循環區域,它比k-epsilon 模型的強健性略差。與層流的物理場介面類似, 在紊流介面中可以模擬不可壓縮和弱可壓縮流動(Mach < 0.3)。

非等溫流

當流體受溫度梯度影響時,會出現非等溫和浮力驅動流動。攪拌器模組包含這種物理場的介面。非等溫流介面提供預定義功能, 完全耦合溫度場和流場,還可以模擬馬赫數小於0.3 的旋轉機械流動。這些介面中還引入了模擬流體和固體傳熱的能力。旋轉機械,非等溫流介面可用於層流和利用前面描述的紊流模型的紊流。

反應流

受旋轉機械影響的流動中的密度和成份變化還可以受到化學反應的影響。攪拌器模組包含了這種反應流的物理場介面。這個介面自動地耦合流體流動方程與濃物質傳遞介面求解的混合物密度方程。旋轉機械控制的反應流可以模擬前面描述的紊流方程的紊流,以及層流。

模擬攪拌器和攪拌反應器的工作流

選擇正確的物理場介面常常需要根據經驗、 實驗結果以及其他定性分析。排除可能導致錯誤結果的相關物理場, 引入所有可能的貢獻因素常常導致過度的計算時間。攪拌器模組中的旋轉機械介面幫助您設定各種複雜性的模擬。如果混合的物質並不影響流體, 則建模只涉及流體流動,將將速度場作為輸入值進行材料傳遞。濃混合物, 反應和熱變化經常影響組成方程,例如流體的密度和粘度。當需要評估這些這些效應時,您可以分別使用旋轉流,反應流介面或旋轉流,非等溫介面。更進一步,COMSOL 讓您還可以在已經預置好的介面中添加其他的物理場介面, 例如描述結構力學的介面,實現定制模擬。

攪拌器模組介面

攪拌器模組包含一系列物理場介面,它們基於動量、質量和能量守恆定律,以及流體中的物質平衡等。不同守恆定律的組合和表達式,應用於各種相關流場的物理規律,得到可以通過攪拌器模組中預置的物理場介面調用的不同的方程和設定。

這些物理場介面可以進行旋轉機械中的流體模擬。包括層流和紊流,不可壓縮和弱可壓縮流動,以及非牛頓流動。附加的物理場介面可以在流體流動方程中引入描述溫度效果、反應物質,以及自由表面的項和方程。這些流動類型的物理場介面可以用來模擬二維和三維的充分說明槳葉旋轉,或通過凍結轉子近似實現暫態模型。

使用暫態求解或凍結轉子特徵

研究受旋轉機械影響的流體流動的完整的暫態模型需要考慮幾何部件彼此之間的相對運動,是一種最精確地模擬攪拌過程的方法。COMSOL 定義一個圍繞槳葉或轉子的域, 在它外面的域包含壁以及其他人造部件(例如擋板)。然後使用滑動網格技術來考慮兩個域之間的集成。要保證這種求解過程的精度,需要研究攪拌器啟動時的條件。多數情況下,當試圖得到攪拌器工作一段時間之後,以及在準穩態條件下的常規操作的攪拌過程, 這種方法需要大量的計算。

攪拌器模擬還提供凍結轉子特徵,極大地節省計算資源和時間。這種特徵模擬通過假設系統相對於旋轉參考框架的拓撲固定不動或凍結來模擬旋轉流動, 可以顯著地減少模擬準穩態條件所需的計算資源。使用這種特徵相當於求解穩態Navier-Stokes 方程,其中在旋轉區域中添加了離心力和Coriolis 力。利用凍結轉子近似適用於無擋板或其他阻礙物的攪拌器,或整個系統都在旋轉,例如微流體離心分離。

然而,當系統需要詳細描述轉子相對於固定部件(例如擋板)旋轉的幾何時, 凍結轉子特徵仍然可以用來有效地減少計算資源和時間。儘管凍結轉子特徵不能得到這種幾何結構的精確解,它仍然可以提供大體的近似解,其質量依賴於凍結和固定部件之間接近的程度。然後,通過使用這種結果作為初始速度場和暫態模擬的其他參數,完整的暫態求解或以在相當短的時間內達到準靜態條件。

模擬攪拌器中的自由表面

攪拌器模擬提供了專門用來模擬流體自由表面的功能, 可以引入表面張力效應,以及自由表面和壁面之間的接觸角。使用移動網格技術,攪拌器模組可以通過模擬攪拌流體、自由表面上的流體,以及可以沿固體表面移動的固體壁面和轉子表面等,之間的接觸線來得到自由表面的形狀。

能夠模擬自由表面的部分可以在描述自由表面移動的方程中指定表面張力係數。攪拌器模組提供一組預定義的表面張力係數庫,包含一些常用流體和其他流體之間,以及流體和一些常用氣體之間。

包括:

液體/氣體

液體/液體

/空氣

/

丙酮/空氣

玉米油/

乙酸/空氣

乙醚/

乙醇/空氣

己烷/

二甘醇/二甘醇蒸氣

水銀/

二乙醚/空氣

橄欖油/

丙三醇/空氣

 

庚烷/

 

/汞蒸氣

 

甲苯/空氣