Análisis CFD de la disipación viscosa en un tanque cilíndrico usando un impulsor de alto corte

Abstract

La disipación viscosa es un parámetro clave en procesos de dispersión de polvos, llevados a cabo en sistemas con agitación mecánica. Debido a que ésta es asociada a la desaglomeración de partículas cerca de la zona barrida por el impulsor. En este trabajo se simuló el flujo tridimensional (en régimen laminar y de transición) en estado estacionario inducido por un impulsor de alto corte tipo Hockmeyerr de dos anillos. El sistema de estudio es un tanque cilíndrico con fondo toriesférico, desprovisto de detectores. Con el uso de la herramienta de dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés), se evaluó el efecto de la distancia del fondo del tanque al impulsor (C), el diámetro del tanque (T) y la altura del fluido de trabajo (Z), expresados como las relaciones: C=T , D=T y Z=T , D representa el diámetro del impulsor, así como el tipo de fluido (newtoniano y pseudoplástico) sobre el patrón de flujo y la disipación viscosa a una misma potencia inyectada por unidad de volumen de fluido (P=Vf ). Con el fin de capturar la hidrodinámica en la región cercana al impulsor y extraer valores promedio de la disipación viscosa en esta zona, el dominio computacional se dividió en diferentes volúmenes. Se utilizó el modelo de múltiples marcos de referencia (MRF, por sus siglas en inglés) y el modelo de volumen de fluido (VOF, por sus siglas en inglés) para simular la evolución de la interface aire-líquido. Los resultados numéricos fueron validados con mediciones experimentales de consumo de potencia. Con base en los resultados, se encontró que los sistemas estudiados presentan un patrón de flujo radial. Sin embargo, en el fluido pseudoplástico los lazos de recirculación son más reducidos. Lo que genera valores más altos del gradiente de velocidad y como consecuencia en la disipación viscosa. Por otro lado, al reducir la distancia del fondo del tanque al impulsor, el patrón de flujo radial tiende a deformarse e incluso el fluido pseudoplástico comienza a segregarse cerca de la interface aire-líquido. Se determinó que la configuración geométrica tiene efecto sobre la disipación viscosa y que los valores más altos se tienen al mantener las relaciones: C=T = 0.3848, D=T = 0:3848 y Z=T = 1:0. Los resultados obtenidos en este trabajo sugieren que el proceso de dispersión podría intensificarse al mantener la configuración geométrica antes mencionada y utilizar un fluido pseudoplástico como fluido de proceso.

Viscous dissipation is a key parameter in powders dispersion process; it's carries out in mechanical agitation system. Due to its associate to break-down of particle clusters close swept region by the impeller. In this work was simulated the tridimensional flow (on laminar and transition regime) in steady state induced by high shear impeller type Hockmeyerr of two rings. The studied system is a unbafled cylindrical tank with dished bottom. Whit the use of Computational Fluid Dynamics (CFD), was evaluated the impeller off-bottom clearence (C), tank diameter (T) and liquid height (Z), it's expressed as the relations: C=T , D=T and Z=T , D represents the impeller diameter, as well as fluid type (Newtonian and pseudoplastic) about the flow pattern and viscous dissipation at the same input power per volume unit (P=Vf ). In order to captured the hydrodynamic in the close impeller region and know average a value of the viscous dissipation in this region, computational domain was divided on different volumes. It was used the Multiple Reference Frames model (MRF) and Volume Of Fluid model (VOF) for simulate the air-liquid interface evolution. Numeric’s results were valided with experimental measurements of power consumption. X Based on the results, it was found that the studied systems show a radial flow pattern. However, in pseudoplastic fluid the recirculation loops are most reduced. This generates highest values of velocity gradient and as consequence in the viscous dissipation. On the other hand, by reducing the impeller of- bottom clearence, radial flow pattern is deformed and even pseudoplastic fluid begins to segregate itself near air-liquid interface. Was determinated that the geometrical configuration has effect above viscous dissipation and the highest values are when maintaining the relations: C=T = 0:3848, D=T = 0:3848 y Z=T = 1:0. Results obtained in this work suggest that dispersion process can be intensified by maintaining the aforementioned geometrical configuration and use a pseudoplastic fluid as a process fluid.