COMSOL Mixer Module 6.4
DESCRIPCIÓN
Mixer Module es un módulo complementario de CFD Module que permite analizar mezcladores de fluidos y reactores agitados. Ayudado por una funcionalidad dedicada para la simulación de flujo de fluido sujeto a maquinaria rotatoria, Mixer Module también proporciona datos de materiales para modelar diferentes fluidos y superficies libres.
Los mezcladores con partes rotatorias se utilizan en muchos procesos industriales, como en la producción de productos de consumo, farmacéuticos, alimentación y química fina. A menudo un mezclador también puede ser utilizado en procesos en lotes para muchos diferentes propósitos, incluso en situaciones diarias, donde los productos se producen en bajos volúmenes y se venden a altos precios.
Una cosa que todos los procesos de mezcla tienen en común es que la calidad, reproducibilidad y la uniformidad de los productos son de máxima importancia. Una manera de asegurarse de que se cumplen los requerimientos de estos productos es realizar simulaciones para diseñar y optimizar la operación del proceso de mezcla y en propio mezclador. Los modelos y las simulaciones son particularmente útiles cuando tienen que ser validados por un proceso piloto, y luego ser utilizados para los cálculos. Una vez validados, estos modelos pueden ser utilizados para evitar los costes involucrados en la construcción y realización de procesos de escala pilotos, y, en su lugar ir directamente desde la escala de laboratorio a la producción de escala completa.
CARACTERÍSTICAS
- Flujo en maquinaria rotatoria con los métodos de rotor congelado y malla deslizante
- Flujo turbulento incluyendo los modelos k-epsilon, k-omega y k-epsilón con bajo número de Reynolds
- Flujo incompresible y compresible con bajo número Mach
- Modelos de Carreau y Power-Law para modelar fluidos no newtonianos
- Flujo no isotérmico en maquinaria rotatoria
- Flujo laminar y turbulento
- Transferencia de calor en fluidos y en piezas rotatorias y sólidos estacionarios
- Combinado con Heat Transfer Module para incluir radiación
- Flujo reactivo laminar y turbulento en maquinaria rotatoria
- Modelado de superficies libres con efectos de fuerzas de tensión superficial y ángulos de contacto
- Librerías predefinidas de coeficientes de tensión de superficie entre fluidos comunes
- Postprocesado avanzado y visualización con acceso a un amplio rango de valores del fluido
- Modelo de mezclador modular sintonizable en un gran número de configuraciones del mezclador
- Soporta tres tipos diferentes de impulsores y dos tipos de vasijas
- Se puede combinar con Particle Tracing Module para trazado de partículas general.
SECTORES
Los mezcladores con partes rotatorias se utilizan en muchos procesos industriales, como en la producción de productos de consumo, farmacéuticos, alimentación y química fina. A menudo un mezclador también puede ser utilizado en procesos en lotes para muchos diferentes propósitos, incluso en situaciones diarias, donde los productos se producen en bajos volúmenes y se venden a altos precios.
VERSIONES
6.4
NOVEDADES
la versión 6.4 de COMSOL Multiphysics® presenta una alternativa eficiente para modelar dominios rotatorios, condiciones iniciales mejoradas para modelos avanzados de turbulencia y más. Lea más sobre estas actualizaciones a continuación.
Función de marco giratorio como alternativa a los dominios giratorios
La nueva función Rotating Frame expresa ecuaciones de flujo de fluidos en relación con un marco rotatorio estacionario o dependiente del tiempo, lo que proporciona una alternativa económica a los dominios rotatorios sin necesidad de añadir ecuaciones. También ofrece opciones para usar una formulación de presión reducida o incluir la aproximación de la presión hidrostática para la fuerza centrífuga.
Líneas de corriente y presión en un separador centrífugo que gira a 9550 rpm, modelados utilizando la nueva función Marco giratorio.
Modelos algebraicos de turbulencia para flujos con números de Mach elevados en maquinaria rotatoria
Los modelos de turbulencia L-VEL y Algebraic yPlus ya están disponibles para flujos con números de Mach altos en maquinaria rotatoria. Estos modelos algebraicos se utilizan principalmente para generar condiciones iniciales óptimas para modelos de turbulencia más avanzados, mejorando la convergencia y proporcionando mejores puntos de partida para simulaciones dependientes del tiempo, por ejemplo, al simular turbomáquinas.
El modelo de turbulencia algebraica yPlus se muestra en la ventana Configuración , con la opción de cambiar al modelo de turbulencia L-VEL . La ventana Gráfica muestra líneas de flujo en un plano alrededor de dos álabes giratorios, donde el color representa el número de Mach.
Simulaciones de flujo turbulento inestable adaptables a la escala
La interfaz de Turbulent Flow, SST ahora admite la simulación adaptativa a escala (SAS) al incorporar la escala de longitud de von Kármán al modelo de turbulencia. Este enfoque permite resolver una gama más amplia de escalas turbulentas y proporciona campos de flujo altamente detallados. SAS puede aplicarse en contextos multifísicos como la interacción fluido-estructura, el flujo reactivo, el flujo no isotérmico y el ruido inducido por el flujo, lo que proporciona resultados más precisos y esclarecedores.
Flujo inestable sobre una configuración de cilindro tándem visualizado utilizando el criterio Q, que representa isosuperficies de la diferencia entre la magnitud de vorticidad al cuadrado y la magnitud de tasa de deformación al cuadrado.
Modelo de turbulencia R-ε de mezcla elíptica con tratamiento mejorado cerca de la pared
Al combinar expresiones para la correlación presión-deformación y la tasa de disipación viscosa de turbulencia en la región cercana a la pared con aquellas en el volumen, el nuevo modelo de turbulencia Turbulent Flow, Elliptic Blending R-ε proporciona resultados precisos para las tensiones de Reynolds cercanas a las paredes sin comprometer el comportamiento en otras partes.
La configuración de la interfaz R–ε de flujo turbulento y mezcla elíptica , que muestra los cuatro modelos de difusión de tensión de Reynolds disponibles.
6.3
NOVEDADES
La versión 6.3 presenta nuevas interfaces Rotating Machinery, High Mach Number Flow para todos los modelos de viscosidad de remolino de ecuación de transporte y una nueva función Mixing Plane para las interfaces de flujo High Mach Number Flow. Esta función realiza un promedio circunferencial de las cantidades de flujo al tiempo que tiene en cuenta la dirección de las características. El enfoque del plano de mezcla es un método eficiente para modelar sectores de bombas centrífugas, turbinas y compresores. El nuevo estudio predefinido Frozen Rotor with Initialization añade automáticamente un paso de estudio Mixing Plane Initialization, que calcula las cantidades de flujo promedio utilizando los valores iniciales.
Gráfico de cortes del número de Mach en una turbina axial de 1,5 etapas.
Nuevo modelo tutorial
Radial Pump with Mixing Planes
Gráfico de superficie de presión en una bomba radial con planos de mezcla axial y radial.
6.2
NOVEDADES
Mixing Plane
Para los usuarios del módulo Mixer Module, COMSOL Multiphysics® versión 6.2 presenta una nueva función Mixing Plane para geometrías 3D para modelar el flujo en maquinaria giratoria, por ejemplo, en mezcladores. Esta característica funciona promediando las cantidades de flujo en la dirección de rotación y utiliza un enfoque cuasi estacionario que ofrece una alternativa más precisa al enfoque del rotor congelado. El enfoque del plano de mezcla es un método eficiente para modelar sectores de bombas centrífugas, turbinas y compresores.
La configuración de la interfaz de usuario y los resultados de la nueva función Mixing Plane. Sólo es necesario modelar un sector de 1/24 de la configuración rotor-estator, pero en este ejemplo se trazan 24 sectores.
5.4
NOVEDADES
- Todas las interfaces de Mixer Module ahora utilizan la funcionalidad Moving Mesh bajo el nodo Definitions en el Model Builder.
- Los modelos de turbulencia v2-f y Realizable k-ε ahora están disponibles en la interfaz Rotating Machinery, Nonisothermal Flow.
- Nuevos estuios para las interfaces Rotating Machinery, Nonisothermal Flow: Frozen Rotor, One-Way Coupled, NITF; Frozen Rotor, One-Way Coupled with Initialization, NITF; Time Dependent, One-Way Coupled, NITF; y Time Dependent, One-Way Coupled with Initialization, NITF.
- Todos los modelos de turbulencia ahora están disponibles en la interafaz Rotating Machinery, Multiphase Flow.
- Las condiciones de contorno Free Surface y Rotating Shaft ahora están disponibles en la interfaz Rotating Machinery, Multiphase Flow.
- Una nueva opción Navier slip está disponible para funcionalidades de pared interior en todas las interfaces Laminar Flow.
- El resolvedor por defecto para las interfaces de flujo de fluido ahora tienen la casilla Reuse sparsity pattern habilitada en la sección Assembly Settings del nodo del resolvedor Advanced. EStos ajustes normalmente reducen el tiempo de cálculo alrededor del 10% en modelos dependientes del tiempo.
5.3a
NOVEDADES
Esta versión trae todos los modelos de turbulencia para maquinaria rotativa, modelos de mezclas y flujo de burbujas, así como un flujo de trabajo de modelado renovado para interfaces de maquinaria rotativa con malla móvil.
Todos los modelos de turbulencia ahora están disponibles para máquinas rotativas
La nueva versión del módulo CFD contiene formulaciones listas para usar para todos los modelos de turbulencia cuando se usan junto con maquinaria rotativa. Esto simplifica modelar flujo turbulento con máquina rotativa para cualquier modelo de turbulencia que previamente tenía que ser definida manualmente, en un marco rotativo.
Modelo de una bomba centrifugadora modelada con la nueva combinación de modelo de turbulencia y máquina rotativa.
Todos los modelos de turbulencia ahora están disponibles para las interfaces de Modelo de mezcla y Flujo de burbujas
Las interfaces de Flujo de burbujas y Modelo de mezcla ahora incluyen modelos de turbulencia así como tratamiento automático de paredes, excepto las formulaciones k-ε basada en la ley de pared y k-ε realizable. Adicionalmente se dispone de condiciones de contorno de pared interior, posibilitando tratar impulsores, rotores, bafles, aletas, etc. sin tener que mallar paredes delgadas.
Interfaces de maquinaria rotativa con malla móvil renovadas
La interfaz, Maquinaria rotativa, flujo de fluido ha sido mejorada separando el nodo de Dominio giratorio de la física del flujo de fluido. Al añadir una de estas interfaces, se añade la interfaz de flujo monofásico así como un nodo de Dominio giratorio bajo Definiciones > Malla móvil. Con esta separación ahora se puede combinar cualquier interfaz de flujo de fluido con maquinaria rotativa. Incluso con esta creciente flexibilidad, definir flujo de fluido en maquinaria rotativa y la malla móvil separada es igual de fácil que con las versiones previas de COMSOL Multiphysics®. La malla móvil controla el marco espacial en un modelo y puede aplicarse a todas las interfaces físicas en un modelo donde los dominios estén girando. Como ejemplo, esto simplifica la combinación de flujo de fluido con transporte de especies químicas en mezcladores y reactores agitados.
Turbulencia inducida por flotabilidad
La flotabilidad introduce una fuerza de volumen en el volumen del fluido que puede causar naturalmente inestabilidades. Al final, estas inestabilidades en el flujo se hacen caóticas, dando lugar a la aparición de turbulencia. La funcionalidad Gravedad, utilizada para modelar flotabilidad en el módulo CFD, ahora incluye la opción de tener en cuenta la turbulencia inducida por flotabilidad seleccionando la correspondiente casilla Include buoyancy-induced turbulence. Esta contribución al flujo turbulento entonces puede definirse automáticamente a través del acoplamiento multifísico Flujo no isotérmico o a través del número de turbulencia de Schmidt definido por el usuario.
Condición de contorno de entrada para flujo turbulento completamente desarrollado
La condición de contorno Entrada para flujo turbulento completamente desarrollado proporciona los valores del perfil de velocidad y variable de turbulencia en un corte transversal de la entrada, considerando que el flujo hacia arriba del canal de entrada es de una cierta longitud y que el flujo está completamente desarrollado. En versiones previas de COMSOL®, un estimador aceptable de la sección cruzada del perfil de velocidad habría requerido el modelado de una sección muy larga de la entrada en el canal. La nueva condición de contorno proporciona un perfil de entrada muy preciso sin la necesidad de geometría adicional y por tanto reduce los recursos computacionales.
La entrada de una tobera con sección cruzada en estrella se modela utilizando la condición de entrada con flujo turbulento completamente desarrollado.
Nueva interfaz de modelo de Turbulent flow, realizable k-ε
La nueva interfaz Turbulent flow, realizable k-ε añade un popular modelo de turbulencia RANS al arsenal de modelos de turbulencia. La mayoría de modelos de turbulencia incluyen restricciones de realizabilidad para asegurar la no negatividad de las tensiones normales de turbulencia, la desigualdad de Schwarz entre cualquier variable fluctuante y para limitar la producción de turbulencia. Sin embargo, el nuevo modelo de turbulencia k-ε realizable aplica la realizabilidad permitiendo que los coeficientes en las ecuaciones de transporte de turbulencia varíen respecto a la tasa de deformación del flujo medio así como k y ε. Esto da como resultado una aproximación más física y suave en los estados limitantes.
Flujo turbulento golpeando un cubo en un ángulo recto con una de las caras. El modelo de turbulencia k-ε realizable evita que la componente de energía turbulenta en la dirección de deformación asuma valores negativos debido a una deformación media rápida.
Nueva interfaz de interacción fluido-estructura que soporta todos los modelos de turbulencia
Un nuevo acoplamiento multifísico de Interacción fluido-estructura ha reemplazado la interfaz utilizada en versiones previas de COMSOL®. El nuevo acoplamiento se ajusta al estilo moderno, con un número de interfaces físicas simples y nodos multifísicos para acoplarlos entre si. Con este enfoque toda la funcionalidad en las interfaces físicas constituyentes está disponible para modelar FSI. En el lado estructural ahora se dispone de muchas condiciones de contorno y modelos de materiales adicionales para el análisis FSI; por ejemplo, dominio rígido, piezoeléctrico y modelos de material elástico no lineal. En la parte de fluido, ahora todos los modelos de turbulencia están disponibles así como una serie de nuevas condiciones de contorno. Tras añadir una interfaz de Interacción fluido-estructura desde el Asistente de modelo, se obtiene una interfaz de Mecánica de sólidos, una interfaz de Flujo laminar, un nodo de acoplamiento multifísico de Interacción fluido-estructura y un nodo de Malla móvil en la sección de Definiciones. Todos los modelos FSI de la Biblioteca de aplicaciones han sido actualizados para incluir esta nueva funcionalidad de acoplamiento.
Presión (tabla de color) y deformación (exagerada en un factor 50 en la superficie) del alerón de un coche deportivo sujeto a flujo turbulento (líneas de flujo) de 200 km/h (125 mph) en un banco de pruebas. El modelo se define utilizando interacción fluido-estructura de un sentido en la nueva interfaz física.
Rendimiento y estabilidad para problemas dependientes del tiempo sustancialmente mejorados
Se ha modificado la estrategia del resolvedor para problemas dependientes del tiempo, dando lugar a un proceso de solución más suave y robusto que es 50% más rápido sin pérdida alguna de precisión.
Modelo dependiente del tiempo del flujo alrededor de una esfera creando un vórtice de Karman en un camino en bajada, resuelto más rápidamente en COMSOL Multiphysics® versión 5.3a.
5.2a
NOVEDADES
La versión 5.2a de COMSOL Multiphysics® incluye en su módulo Mixer Module piezas actualizadas en la Librería de piezas y una versión actualizada de la app Mixer que muestra las nuevas funcionalidades de las piezas.
Piezas actualizadas en la Librería de piezas del módulo Mixer Module
Los impulsores axiales, radiales y en forma de c se han actualizado para incluir superficies de control fluido-fluido internas encerrando las palas del impulsor y el eje. Pueden utilizarse para realizar los cálculos de los números de flujo axial y radial. La inclusión de las superficies de control superior, inferior y lateral se habilita con una simple parámetro booleano en la pieza.
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App actualizada: Mixer
La app Mixer app se ha actualizado con un gráfico de la velocidad de cizalladura y evaluaciones de los números de flujo radial y axial para cada impulsor.
El nuevo gráfico de velocidad de cizalladura en la app Mixer permite el diseño de mezcladores y es específicamente útil para procesos que involucren células vivas. Una velocidad de cizalladura alta puede dañas a las células, por ejemplo en procesos de fermentación del vino. En la solución de volumen, la velocidad de cizalladura también es una medida del grado de mezcla.
Los números de flujo radial y axial ahora pueden evaluarse para cada impulsor en la app Mixer, utilizando las superficies de control radial y axial asociadas con las piezas de impulsores.
5.2
Nueva app: Mezclador
El objetivo de la aplicación Mixer es proporcionar una interfaz amigable donde los científicos, diseñadores e ingenieros de procesos puedan investigar la influencia que tienen los recipientes, impulsores, separadores y condiciones operativas en la eficiencia de mezclado y la potencia que se requiere para controlar los impulsores. Se puede utilizar la app para comprender y optimizar el diseño y funcionamiento de un mezclador para un fluido dado.
Se pueden especificar las dimensiones del recipiente, de una lista de tres tipos; y las dimensiones y configuración de los impulsores, de una lista de once tipos. Los recipientes también pueden equiparse con deflectores. Además se pueden especificar las propiedades del fluido que se está mezclando así como la velocidad del impulsor.
Módulo de la velocidad, líneas de flujo y deformación de superficie libre de un mezclador con tres impulsores de doble hoja en C.
Novedades en la interfaz de flujo fluido en maquinaria rotatoria: "Turbulent Flow, Algebraic yPlus" y "Turbulent Flow, L-VEL"
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En las interfaces de máquinas rotativas, existen dos modelos de flujo turbulento: Turbulent Flow, Algebraic yPlusy Turbulent Flow, L-VEL. Para estos modelos la viscosidad turbulenta se determina utilizando dos extensiones diferentes de la ley de pared logarítmica. El número de Reynolds local para estos modelos se basa en la distancia a la pared más cercana. Las ventajas de esta aproximación son que no se necesitan resolver ecuaciones de transporte adicionales y no se necesita especificar condiciones de entrada o salida para las variables de turbulencia. Los modelos de turbulencia algebraicos son computacionalmente más baratos y robustos (pero generalmente menos precisos) que los modelos de turbulencia de ecuación de transporte, como los modelos k-ε y k-ω. |
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5.1
NOVEDADES
Librería de elementos en el Mixer Module
| Para facilitar la configuración rápida y eficiente de geometrías de mezcladores, el módulo Mixer ahora incluye una Librería de Elementos con componentes geométricos predefinidos típicos de equipos de mezclado. La Librería de Elementos incluye geometrías de impulsores para impulsores axiales, impulsores radiales e impulsores diseñados para fluidos altamente viscosos. Además de impulsores, también se dispone de tres tipos diferentes de geometrías de tanques y una geometría de rendija cilíndrica. Todas las piezas del mezclador están parametrizadas con una serie de parámetros de entrada correspondientes a las propiedades geométricas importantes para cada pieza. Estas pueden ser ajustadas para que concuerde con el sistema bajo investigación. |  Los impulsores de doble lámina en C en un reactor de tanque con agitación crean regiones de flujo bien mezclado a lo lango de la altura del tanque. |
5.0
Maquinaria rotatoria, flujo multifase
En el módulo Mixer Module se ha incluido el soporte para estudiar el flujo de dos fases en maquinaria de rotación. Las nuevas interfaces de Maquinaria de rotación, Modelo de Mezcla combina las capacidades de la maquinaria rotatoria y el modelo de mezcla para flujo de dos fases. Se han introducido dos nuevas interfaces en el Asistente de Modelo bajo la nueva subrama Maquinaria de rotación, Flujo multifásico, uno para flujo laminar y uno para flujo turbulento (utilizando el modelo de turbulencia k−ε).
Esta nueva aplicación en la Librería de Aplicaciones permite simular un recipiente de mezclado en plato variando parámetros geométricos, el número y tipo de impulsores y las condiciones de operación para conseguir resultados sobre el esfuerzo de torsión del impulsor y la potencia requerida.
