搅拌器模块

用于模拟搅拌器,搅拌反应器,以及旋转机械流动。

搅拌器模块

在这个湍流搅拌器中的搅拌是通过三叶桨和两个固定棒来实现的。 模型还考虑了自由表面的形状。

通过支持仿真的设计和优化来迎合产品需求

作为 CFD 模块的附加模块,搅拌器模块可以分析流体搅拌器和搅拌反应器。 在专业的模拟旋转机械中液体流动功能的帮助下,搅拌器模块还提供了模拟不同流体和自由表面的材料数据。

具有旋转部件的搅拌器用于很多工业过程,例如 消费产品、制药、食品,以及精细化工等。 很多情况下,搅拌器可用于很多不同目标的批处理工艺, 甚至是日常应用,其中产品的体积很小但售价很高。在所有的搅拌过程中有一点是共同的, 那就是质量、可重复性以及产品的一致性等是最重要的要素。 确保这些产品需求得到满足的一种方法 是通过仿真设计和优化搅拌工艺条件以及搅拌器。 如果模型和仿真能够被试验过程验证, 它们将相当有用,并可用于进行按比例放大计算。 一旦得到验证,这种模型 可以用来避免构建和运行试验性的按比例放大过程中的成本,而是直接从实验室尺寸到全尺寸设计。


更多图片:

  • 非等温搅拌: 使用旋转机械,非等温流接口模拟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。 非等温搅拌: 使用旋转机械,非等温流接口模拟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: 四叶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。 挡板搅拌器: 四叶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拟非牛顿流体的搅拌, 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。 冻结转子: 冻结转子特征用来模拟非牛顿流体的搅拌, 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。

流体搅拌仿真

很多应用都需要化工和流体搅拌,包括混合物质, 例如批量进行化学反应和连续搅拌釜式反应器,或者进行稳态溶解、结晶、沉淀, 吸收,或萃取等工艺。 基于旋转机械的搅拌器包含一个桨叶和一个可引入其他部件(例如挡板)的容器。 这些部件通常已经预置好,您可以根据所需的工艺选择不同的桨叶和容器。 很多情况下,桨叶 具有互换性,可以根据需要在一个相同的容器内用于不同的流体或搅拌。

模拟旋转机械流体流动

层流

搅拌器模块包含灵活和强大的物理场接口,用来模拟受旋转机械影响的流体流动。 包括一个专用于层流的接口,用来通过求解 Navier-Stokes 方程, 模拟中低雷诺数的搅拌流动。 它可用于不可压缩和弱可压缩流动(马赫数小于 0.3), 还包含模拟非牛顿流体流动的特征。

湍流

用来模拟受旋转机械影响的湍流的物理场接口, 求解平均速度和压力场的雷诺平均 Navier-Stokes(RANS)方程。 其中有三种湍流模型, 包括 k-epsilon 模型,k-omega 模型,以及低雷诺数 k-epsilon 模型。 k-epsilon 模型可以 在精度和计算需求之间提供很好的折衷,需要更多计算资源的低雷诺数 k-epsilon 模型更精确,特别是求解物探壁面的流体流动。 k-omega 模型也可以得到更精确的结果, 特别是靠近壁面的循环区域,它比 k-epsilon 模型的鲁棒性略差。 与层流的物理场接口类似, 在湍流接口中可以模拟不可压缩和弱可压缩流动(Mach < 0.3)。

非等温流

当流体受温度梯度影响时,会出现非等温和浮力驱动流动。 搅拌器模块包含这种物理场的接口。 非等温流接口提供预定义功能, 完全耦合温度场和流场,还可以模拟马赫数小于 0.3 的旋转机械流动。 这些接口中还引入了模拟流体和固体传热的能力。 旋转机械,非等温流接口 可用于层流和利用前面描述的湍流模型的湍流。

反应流

受旋转机械影响的流动中的密度和成份变化还可以受到化学反应的影响。 搅拌器模块包含了这种反应流的物理场接口。 这个接口自动地 耦合流体流动方程与浓物质传递接口求解的混合物密度方程。 旋转机械 控制的反应流可以模拟前面描述的湍流方程的湍流,以及层流。

模拟搅拌器和搅拌反应器的工作流

选择正确的物理场接口常常需要根据经验、 实验结果以及其他定性分析。 排除可能导致错误结果的相关物理场, 引入所有可能的贡献因素常常导致过度的计算时间。 搅拌器模块中的旋转机械接口帮助您 设定各种复杂性的模拟。 如果混合的物质并不影响流体, 则建模只涉及流体流动,将将速度场作为输入值进行材料传递。 浓混合物, 反应和热变化经常影响本构方程,例如流体的密度和粘度。 当 需要评估这些这些效应时,您可以分别使用旋转流,反应流接口或旋转流,非等温接口。 更进一步,COMSOL 让您还可以在已经预置好的接口中添加其他的物理场接口, 例如描述结构力学的接口,实现定制仿真。

搅拌器模块接口

搅拌器模块包含了一系列基于动量、质量和能量守恒,以及流体中的物质平衡等定律的物理场接口。各接口中预置了不同的方程和设定,对应于各流场物理机理的相应的守恒定律和表达式的组合。

这些物理场接口可以进行旋转机械中的流体仿真。 包括层流和湍流,不可压缩和弱可压缩流动,以及非牛顿流动。 附加的物理场接口 可以在流体流动方程中引入描述温度效果、反应物质,以及自由表面的项和方程。 这些流动类型的物理场接口可以用来模拟二维和三维的充分说明桨叶旋转 ,或通过冻结转子近似实现瞬态模型。

使用瞬态求解或冻结转子特征

研究受旋转机械影响的流体流动的完整的瞬态模型需要考虑 几何部件彼此之间的相对运动,是一种最精确地模拟搅拌过程的方法。 COMSOL 定义一个围绕桨叶或转子的域, 在它外面的域包含壁以及其他人造部件(例如挡板)。 然后使用滑动网格技术 来考虑两个域之间的集成。 要保证这种求解过程的精度,需要 研究搅拌器启动时的条件。 多数情况下,当试图得到搅拌器工作一段时间之后,以及在准稳态条件下的常规操作的搅拌过程, 这种方法需要大量的计算。

搅拌器模拟还提供冻结转子特征,极大地节省计算资源和时间。 这种特征模拟通过假设系统相对于旋转参考框架的拓扑固定不动或冻结来模拟旋转流动, 可以显著地减少模拟准稳态条件所需的计算资源。 使用这种特征相当于 求解稳态 Navier-Stokes 方程,其中在旋转区域中添加了离心力和 Coriolis 力。 利用 冻结转子近似适用于无挡板或其他阻碍物的搅拌器,或整个系统都在旋转,例如微流体离心分离。

然而,当系统需要详细描述转子相对于固定部件(例如挡板)旋转的几何时, 冻结转子特征仍然可以用来有效地减少计算资源和时间。 尽管冻结转子特征不能得到这种几何结构的精确解,它仍然可以提供 大体的近似解,其质量依赖于冻结和固定部件之间接近的程度。 然后,通过使用这种结果作为 初始速度场和瞬态仿真的其他参数,完整的瞬态求解或以在相当短的时间内达到准静态条件。

仿真搅拌器中的自由表面

搅拌器模拟提供了专门用来模拟流体自由表面的功能, 可以引入表面张力效应,以及自由表面和壁面之间的接触角。 使用移动网格技术,搅拌器模块可以通过模拟搅拌流体、自由表面上的流体,以及可以沿固体表面移动的固体壁面和转子表面等,之间的接触线来得到自由表面的形状。

能够模拟自由表面的部分可以在描述自由表面移动的方程中指定表面张力系数。 搅拌器模块提供一组预定义的表面张力系数库,包含一些常用流体和其他流体之间,以及流体和一些常用气体之间。 包括:

液体/气体 液体/液体
水/空气 苯/水
丙酮/空气 玉米油/水
乙酸/空气 乙醚/水
乙醇/空气 己烷/水
二甘醇/二甘醇蒸气 水银/水
二乙醚/空气 橄榄油/水
丙三醇/空气
庚烷/氮
汞/汞蒸气
甲苯/空气

搅拌器

模块化搅拌器 - 层流模板

平底搅拌器中的水混合

二维搅拌器中的非等温流动