Течение ньютоновской жидкости в смесителях различных конфигураций

Аннотация

Анализируется течение вязкой несжимаемой жидкости в мешалках со сплошными лопастями и лопастями якорного вида. Сформулирована математическая постановка задачи на основе уравнений Навье-Стокса и неразрывности в плоском приближении. Разработан алгоритм решения на базе метода контрольного объема и корректирующей процедуры SIMPLE. Дискретизация дифференциальных уравнений выполнена с использованием неструктурированных триангулярных сеток, учитывающих геометрические особенности области течения. Выполнены тесты для проверки аппроксимационной сходимости и оценки порядка точности численной схемы, а также с целью верификации оригинальной программы расчета. Параметрические исследования проведены при изменении числа Рейнольдса в диапазоне 0.1-100, который свойственен технологии переработки текучих материалов в промышленных смесителях. Получены распределения кинематических и динамических характеристик потока и продемонстрированы картины течения, особенностью которых является наличие циркуляционных зон в лопастных мешалках разной конфигурации. Выполнены расчеты положения маркерных частиц и эволюции реперных линий, которые дают визуальное представление о процессе и демонстрируют присутствие областей равномерного и неравномерного перемешивания. Введен количественный параметр качества смешения, с помощью которого можно сравнивать друг с другом мешалки разной конфигурации, а также рассматривать процесс смешения во времени. Количественно процесс оценивается по значениям интеграла диссипативной функции, который показывает энергопотребление, и по величине количественного параметра неоднородности распределения маркерных частиц. Последний позволяет более детально изучать процесс перемешивания по объему с течением времени.