División de Ciencias Básicas e Ingeniería
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- Effect of the rotating domain size in multiple reference frame simulations of two radial flow impellers in a baffled stirred tank(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2019-06) De La Concha, Aaróncomputational fluid dynamics (CFD) study was conducted in order to simulate the flow induced by both a turbine of four flat blades, and a high shear impeller (HSI) Norstone® type. The investigation was carried out in a stirred baffled-tank operating in laminar and turbulent flow conditions. To account for the rotation of the impeller-shaft array, the multiple reference frame (MRF) approach is employed, which in its core demands a demarcation for a surface separating the computational domain into two very distinctive regions: the rotating reference frame (RRF) and the static reference frame (SRF). This research project focuses specifically on investigating the role of the location of the separating surface over the accuracy of numerical approximations. To this end, several cylindrical volumes are constructed surrounding each of the impellers. In order to conduct simulations of the stirred-tank working at Reynolds numbers below 115, the laminar model was considered, whereas for Reynolds numbers above 21000, the standard κ-ε turbulence model was employed. To validate the digital replicas employed in the numerical simulations, power number measurements corresponding to laminar and turbulent flow regimes were obtained from a lab-scale cylindrical stirred-tank equipped with either of the two impellers previously mentioned. The computer results reveal that in the case of laminar flow, the position of the surface separating both regions for the two evaluated impellers do not have a substantial effect on the corresponding numerical approximations. However, its position influences numerical accuracy as the Reynolds number increases, i.e., the higher this is, the larger the RRF must be. The optimal extension for the RRF-region for the four flat blades impeller found in this work in turbulent flow were employed for reproducing satisfactorily experimental results of a published system. An analysis based on grid density for the two digital replicas built for this study, revealed that numerical power number values and local velocity profiles are more sensitive to changes in the extension of the RRF domain rather tan to an increase in the number of grid points for the mesh representing the stirred-tank system equipped with the four flat-blade turbine. On the other hand, in the case of the stirred-tank system equipped with the Norstone® impeller, sensitive changes were only substantial in the case of the velocity profiles.
- Intensificación de procesos de dispersión en sistemas agitados mecánicamente(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2018) Martínez-De Jesús, GastónLos impulsores de alto corte (IAC) son muy utilizados en la industria de recubrimientos y pinturas para recuperar el tamaño primario de pigmentos (i.e. desaglomeración), sin embargo, los parámetros hidrodinámicos que caracterizan su desempeño son muy escasos en la literatura científica. Esto origina que el escalamiento y puesta a punto los proceso en los que se utilizan se ejecuten siguiendo reglas heurísticas y la experiencia de ingenieros de proceso. Por ello, en esta tesis, utilizando herramientas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) y mediciones experimentales de consumo de potencia, se comparan los parámetros hidrodinámicos de los IAC tipo Norstone, Hockmeyer y Cowles. El estudio se realizó en el régimen de flujo laminar y de laminar a transición (0.5≤Re≤263). Se considera la naturaleza newtoniana y no newtonianos de tipo pseudoplástico de los fluidos de proceso. Se obtuvieron los campos de velocidad, la dependencia de los números de potencia (NP) y de bombeo (NQ) respecto al número de Reynolds (Re). También se comparan sus capacidades de disipación viscosa de energía en regiones cercanas a la superficie de los impulsores. Este parámetro es de particular interés ya que está relacionado con la capacidad de desaglomeración de partículas. Los valores de disipación viscosa en la zona de contacto con la superficie de los impulsores fueron de utilidad para definir la zona de bombeo efectivo. La comparación de estos parámetros, a una misma potencia inyectada, indica que los impulsores tipo Norstone pueden generar los valores más altos de disipación viscosa, lo cual sugiere que este impulsor tendría un mejor desempeño con partículas difíciles de desaglomerar. Sin embargo, su capacidad de bombeo es la de menor magnitud. En impulsor Cowles presenta los valores más altos de bombeo y los valores de disipación viscosa en presencia de fluidos newtonianos es aproximadamente del 90%, mientras que con fluidos pseudoplásticos es cercana al 70% ambas comparadas con los tipo Norstone. El impulsor Hockmeyer presenta un desempeño intermedio. Tanto con la los fluidos newtoniano y pseudoplásticos, este genera cerca del 50% de la disipación respecto de los tipo Norstone, pero su capacidad de bombeo es aproximadamente el 70% del Cowles. Los datos de simulación indican que existe una relación inversa entre las capacidades de disipación de energía y la viscosidad del fluido de proceso. Para investigar el desempeño de los impulsores tipo Norstone con relación al tamaño de sus surcos, se evaluaron tres variantes de estos. El primero que presenta surcos de una profundidad de 3 mm, el segundo 1.5 mm y un disco plano. Los resultados numéricos indican que la función principal de los surcos es la generación de bombeo. Sin embargo, cuando se evaluaron altas velocidades de agitación, los surcos presentan valores de disipación viscosa comparable a los máximos generados por el Hockmeyer. Utilizando la metodología de Metzner y Otto adaptada a herramientas de CFD se obtuvieron las constantes de Metzner y Otto, la cuales son utilidad práctica para estimar la potencia de impulsores operando con fluidos pseudoplásticos. Además, para el Hockmeyer se obtuvieron datos experimentales de reducción de tamaños de partículas de polvos minerales, los cuales se relacionaron directamente con los datos numéricos de disipación viscosa. Y estos resultados fueron comparados con los generados por una turbina Rushton.