научная статья по теме О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ДЛЯ РАСЧЕТА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АППАРАТОВ С ТУРБИННЫМИ МЕШАЛКАМИ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ДЛЯ РАСЧЕТА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АППАРАТОВ С ТУРБИННЫМИ МЕШАЛКАМИ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 4, с. 386-402

УДК 66.011

О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ДЛЯ РАСЧЕТА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АППАРАТОВ С ТУРБИННЫМИ МЕШАЛКАМИ © 2014 г. Р. Войтович, A. A. Липин*, Я. Талага

Institute of Thermal and Process Engineering, Division of Industrial Equipment, Cracow University of Technology, Cracow, Poland *Ивановский государственный химико-технологический университет

rwojtowi@pk.edu.pl Поступила в редакцию 06.06.2012 г.

Представлены результаты математического моделирования турбулентного потока жидкости в аппарате с турбинной мешалкой. Исследовано влияние модели турбулентности на прогнозируемые значения параметров потока. Вычисления были выполнены, используя пакет Fluent и подход усреднения Рейнольдса для уравнений Навье—Стокса. Для замыкания системы уравнений добавлялись два уравнения, описывающих модель турбулентности. Применялись три различные модели турбулентности семейства k-s: standard k-s, renormalization-group k-s и realizable k-s. Результаты моделирования подтверждаются экспериментальными данными, полученными техникой лазерной допплеров-ской анемометрии.

DOI: 10.7868/S0040357114020146

ВВЕДЕНИЕ

Довольно многочисленную группу промышленного оборудования образуют аппараты с механическими перемешивающими устройствами. Они могут быть оборудованы вращающимися мешалками [1, 2] или вибрационными дисковыми мешалками [3]. Аппараты такого типа задействованы во многих операциях в химической промышленности, например, для смешивания разнородных жидко -стей или приготовления дисперсных систем типа газ—жидкость, жидкость—жидкость или твердое— жидкость. Полезными инструментами для выполнения задач по оптимизации промышленных аппаратов с перемешивающими устройствами являются CFD-пакеты, использующие при расчетах алгоритмы CFD (computational fluid dynamics) [4, 5]. На основе CFD-моделирования инженеры-проектировщики могут предсказывать значения и распределения основных параметров потока и режимных параметров независимо от масштаба проектируемого аппарата. Это особенно необходимо при разработке новых конструкций перемешивающих устройств, характеризующихся универсальностью применения и эффективной работой.

Анализ литературы, посвященной моделированию потока жидкости в аппаратах с мешалками, показал, что большинство работ описывает эту проблему в очень узких рамках. Исследования часто ограничиваются одной определенной зада-

чей или отдельным аппаратом (мешалкой). Среди них нет обзорных и сравнительных статей, содержащих полезную информацию об инженерном применении СБО-пакетов, которые рассматривали бы эту проблему более широко, например, сравнивая результаты моделирования, полученные для разных аппаратов, или несколько методов моделирования. Немногочисленными публикациями с таким подходом являются работы [6—12], однако текущее состояние проблемы показывает необходимость дальнейших исследований.

МЕТОДОЛОГИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

CFD-моделирование. Численный анализ потока жидкости в аппарате с перемешивающим устройством был выполнен для цилиндрической емкости с плоским дном (внутренний диаметр Б = 0.286 м), снабженной турбинной мешалкой (рис. 1а).

Использовались две различные мешалки: турбина Раштона (рис. 1б) и турбина с наклонными лопастями (угол наклона лопасти а = 45°) (рис. 1в). Диаметр мешалок составлял d = Б/3. Для турбины Раштона принимались стандартные размеры: высота лопасти а = d/5, ширина лопасти Ь = d/4, диаметр диска мешалки dt = 2/3d. В случае турбины с наклонными лопастями ширина лопасти

(а)

(б)

(в)

Рис. 1. Аппарат с перемешивающим устройством: (а) — общий вид, (б) — турбина Раштона, (в) — турбина с наклонными лопастями.

определяется диаметром втулки и составляет b = = d/3. Для обеих мешалок толщина лопастей составляла e = 0.003 м, такую же толщину имел диск турбины Раштона. Расстояние от мешалки до дна аппарата принималось равным диаметру рабочего колеса мешалки h = d. Рабочее колесо вращалось по часовой стрелке с частотой n = 300 об/мин, работая в автомодельном режиме (Rem = 2.16 х 105). Дополнительно в аппарате были установлены четыре симметричные плоские перегородки. Высота перегородок равна высоте аппарата, а их ширина стандартная: B = D/10. При моделировании полагалось, что сосуд заполнен диметилсульфок-сидом (р = 1100 кг/м3, ^ = 0.0023 Па с). Уровень жидкости принимался равным диаметру аппарата H = D. Жидкость была выбрана с целью дальнейшей возможности сравнения числовых данных с результатами эксперимента, проводимого с использованием техники лазерной допплеровской анемометрии.

Для создания геометрической модели емкости и генерации неравномерной расчетной сетки использовался специализированный препроцессор MixSim 2.1.10. Уравнения модели решались с использованием пакета Fluent 6.3.26 и метода конечных элементов [4, 5]. Движение рабочего колеса мешалки было смоделировано методом MRF (multiple reference frames) [13]. Детальное описание метода моделирования и применяемого программного обеспечения приведено в работе [13].

Для математического описания турбулентного движения потока жидкости в процессе перемешивания стандартные уравнения Навье—Стокса были усреднены, используя подход усреднения

Рейнольдса [4, 5]. Модифицированные уравнения неразрывности и переноса импульса могут быть записаны, соответственно, как

др + д{рщ) = 0,

dt д%1

д (рЩ) + д (pUUj) = _dp +

dt

dx,

+

dx,

(

И

L V

дщ + ди, _ 2 g дщ dx, dxj 3 J dxj y

dxj

+ —I -PU'U

(1)

(2)

Последний член в уравнении (2) называется турбулентным напряжением или напряжением Рейнольдса. Отношение турбулентных напряжений к средним скоростным градиентам описывается гипотезой Буссинеска [4]:

(

-рщи, = Ц t

дщ + ди, dx, dxj

- 21"4- t i5 j

(3)

где — турбулентная вязкость, к — кинетическая энергия турбулентности.

При моделировании движения жидкости в аппарате с перемешивающим устройством использовались три различные модели турбулентности из семейства k-s: standard k-s [13], RNG k-s [15] и realizable к-s модель [16], со стандартными граничными условиями [5]. В эти модели кроме уравнений неразрывности и переноса импульса входят два дополнительных уравнения: для турбулентной кинетической энергии к и скорости диссипации турбулентности s.

В модели standard k-s уравнения для k и s имеют вид

7 4

ц

ц +—^

Л а k(Sk _е) )<■

д (рк) + д (рик)_ д

dt dxj dxj

дк

дХ{

+ Gk -ре,(4)

d (ps) + д (pu,s)

dxj

dt

\

ц + -

ds

^(Sk-,) У

dxi

dxj + C

2

1(SkkGk - C(Sk-C)P\

(5)

Gk = -puu'j—1

—rrduj

(6)

k 2

Иt = pC„k

(7)

C

= 0.09, CW ) = 1.44; C

"1(Sk _e) = 1;

2(Sk _e)

= 1.92;

= 1.3.

д (рк) + д (pu jk)

5t dxj dxj

k(RNGk-e)^eff )

дк dxL

+ Gk - ps,

d (pe) + d (pus) = _d_

dt dx t dxi

i \ de

t(RNGk_е)Цeff >dx

+ C1( RNGk _e) k Gk C2(RNGk _e )p ^ Re

где

(8)

(9)

(10)

R

■s(RNGk _c)

. C^(RNGk_e)Pn3<^1 - УП0) S^

1 + Pn3 k '

(11)

где п = Бк; Б = 72БуБу, Бу = 0.5^ + ^ ; п0 =

б ^

= 4.38; р = 0.012.

Константы модели, полученные с использованием RNG-теории, имеют следующие значения:

C,(RNGk_e) = °.°845;

C1( RNGk-г) = 1.42;

C„

где Ок описывает образование турбулентной кинетической энергии за счет среднего градиента скорости:

Турбулентная вязкость ^ может быть определена как функция к и е:

->2(RNGk_e) = 1.68; а k(RNGk_e) = а e.(RNGk_e) = 1.393.

Realizable k-e модель имеет два важных отличия от standard k-e и RNG k-e моделей [4, 16]. Во-первых, уравнение переноса для скорости диссипации турбулентности e имеет новую форму. Оно получено из точного уравнения переноса для среднеквадратичного отклонения скорости. Во-вторых, формула для вычисления турбулентной вязкости (7) включает специальную функцию для определения константы Сц. Уравнения для k и e в realizable k-e модели имеют вид Y ^

д (pk) d (puk) _ д

dt + __

стк(б-к-£), ст£(^к-£) — турбулентные числа Прандтля для кие. Эмпирические константы модели имеют следующие значения:

dxi dxi d (ps) + d (pus) = dt dx,-

LV

_d_

dx:

dk

k(Rk _e)

dxt

+ Gk - ps,

ц + ■

LV

ds

e(Rk-e) 2

dxi

(12)

(13)

+ pC1(Rk-e)Ss - pC2(Rk-eU 1—, k + vvs

где

^ЦБк-г) - ° ¿(Бк-г)

RNG к-е модель турбулентности была получена с использованием статистической техники, названной методом ренормализационной группы (RNG). В источниковом слагаемом уравнения для скорости диссипации турбулентности е имеется дополнительный член ЯЕ, который значительно улучшает точность для расчета течений с быстро изменяющимися параметрами. Таким образом, уравнения для к и е имеют вид

C1( Rk-е) = max

0.43;

П

П + 5_

П = Sk;

s

S -^2SySy;

f

S ij = 0.5

дщ + duj dxj dxj

Турбулентная вязкость вычисляется из уравнения (7), но здесь Сц представляет собой не константу [16], а функцию

1

C

A + As

kU *'

(14)

где

U* =

4SijSjj

+ О УОy

(15)

(16)

И е// = И +

ак, ае — обратные эффективные числа Прандтля для к и е, соответственно.

Выражение для расчета источникового члена имеет вид

Уу> ^■у = ^У - 8укюк,

— средняя скорость вращения тензора во вращающейся системе отсчета с угловой скоростью юк. Константы А0 и Л5 находятся как

Д, = 4.04; Аб ^л/бео8ф, (17)

где

Б г ¡Б ¡кБк

ф = ~cos-1 ((w );

Sy = 0.5

w = ^rSpLS3 =j

Гдщ + duyл dxy dxj

J

s

s

Аргоновый лазер

Д fe rt

I I I I I I

Процессор обработки сигналов BSA

Система перемещения зонда

Оптическая система

Оптоволоконная линия

Зонд измерения скорости

D = 286 mm

Ж

Тиристорный двигатель

Измерение скорости вращения мешалки

Измерение крутящего момента

Термостат

Рис. 2. Схема экспериментальной установки.

Остальные константы realizable k-s модели имеют следующие значения:

Cj,

■^2(Rk_c) = 1-9; СТk(Rk c) - i, oe№_e)

LDA-измерения. Целью экспериментальных исследований было измерение мгновенных скоростей потока жидкости в емкости с перемешивающим устройством и мощности, затрачиваемой на перемешивание. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.

Измерения проводились в модельной емкости, имеющей такую же геометрию, что и при CFD-моделировании.

Мгновенные скорости измерялись с помощью лазерного

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком