Análisis de patrones turbulentos de un tanque agitado, utilizando dinámica de fluidos computacional y velocimetría por imágenes de partículas

Abstract

En la presente investigación se analizó la hidrodinámica del fluido que se encuentra dentro de un tanque de agitación, el cual fluye debido a la energía que es transferida por un impulsor de flujo axial. Teniendo especial interés en los patrones turbulentos derivados de la generación de la energía cinética turbulenta y de su tasa de disipación. Así como su variación al modificar las superficies de un impulsor de 4 paletas inclinadas a 45°, al utilizar surcos en forma de U y V. Se realizaron mediciones de los campos de velocidad con la técnica de la velocimetría por imágenes de partículas en diferentes planos, con el objetivo de aplicar la metodología de la resolución angular. El sistema consta de un láser de doble pulso con una longitud de onda de 532nm y 75mJ. Una cámara con una resolución de 2360 X 1776 pixeles y una frecuencia de 16 tomas por segundo. El tanque de agitación empleado es de acrílico con un diámetro de 25cm (T), con cuatro deflectores de un espesor de 3mm y un ancho de 2.5cm, montados en las paredes internas de forma equidistante. El impulsor se colocó de forma concéntrica a una altura del fondo del tanque igual a C= 1/3T. El fluido de trabajo es agua y se emplean alrededor de 12 litros para llenar el tanque a una altura de 25cm (H). Además, se utilizó el programa comercial ANSYS® Fluent®, para realizar una simulación de los grandes remolinos, con el fin de investigar la afinidad de estos resultados con los obtenidos de forma experimental. La implementación de los surcos en las superficies de las paletas condujo a una reducción del número de potencia y del número de bombeo, sumado a esto, se modificaron las distribuciones de la tasa de disipación y de energía cinética turbulenta.

In the present investigation, the hydrodynamic behavior in the stirring tank was analyzed. Taking a special interest in the turbulent patterns derived from the generation of turbulent kinetic energy and its dissipation rate. As well as its variation when modifying the surfaces of a 45° pitched 4 blade turbine, when using U and V grooves. Measurements of the velocity fields were carried out with the technique of particle image velocimetry in different planes, with the aim of applying the methodology of angle resolved. The system consists of a double pulse laser with a wavelength of 532nm and 75mJ, a camera with a resolution of 2360 X 1776 pixels and a frequency of 16 frames per second. The agitation tank used is made of acrylic with a diameter of 25cm (T), with four baffles 3mm thick and 2.5cm wide, mounted equidistant on the internal walls. The impeller was placed concentrically at a height from the bottom of the tank equal to C= 1/3T. The working fluid is water and about 12 liters are used to fill the tank to a height of 25cm (H). In addition, the commercial software ANSYS® Fluent® was used to implement the Large Eddy Simulation, in order to investigate the affinity of these results with those obtained experimentally. The implementation of the grooves on the surfaces of the blades led to a reduction in the power number and the pumping number. Furthermore, the distributions of the dissipation rate and of turbulent kinetic energy were modified.