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

128 páginas. Doctorado en Ingeniería de Procesos.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

Análisis de la energía cinética turbulenta en un tanque de agitación aplicando velocimetría por imágenes de partículas

La aplicación de los tanques de agitación se extiende a lo largo de una gran variedad de industrias, como la alimentaria, la química, la minera, la farmacéutica entre otras, teniendo como principal objetivo alcanzar una mezcla homogénea de su contenido, donde la energía mecánica se transforma en energía cinética. Esto produce un incremento de la velocidad y conlleva a la creación de patrones de flujo que se encuentran dentro del tanque. En este trabajo se analizó la energía cinética turbulenta (TKE, por sus siglas en inglés, Turbulent Kinetic Energy) mediante la técnica de la velocimetría por imágenes de partículas (PIV, por sus siglas en inglés, Particle Image Velocimetry), utilizando la metodología de la resolución angular. Lo cual permitirá observar su variación conforme el impulsor cambia su posición angular con respecto al plano de medición.The employment of the stirred tank extends among a wide industry process, such as the food, the chemical, the mineral processing, the pharmaceutical, and so on. Been its principal aim to achieve a homogeneous mixture of its content. Here the mechanical energy is converted to kinetic energy. Yielding to an increase of the velocity flow and the generation of fluid patterns inside the tank. In this work the Turbulent Kinetic Energy (TKE) was evaluated by means of the Particle Image Velocimetry using the angled-resolved approach. This allow to observe the variation of the TKE when the impeller changes its angular position according to the measured plane

PIV and dynamic LES of the turbulent stream and mixing induced by a V-grooved blade axial agitator

The hydrodynamic behavior of a turbulent flow and the mixing characteristics generated by a V-grooved axial impeller inside an agitated tank reactor were investigated both experimentally and numerically. Angle resolved Particle Image Velocimetry (PIV) techniques with an angular displacement Δθ = 5° have been applied and two aerodynamic planes along the blades were considered. PIV-based results were compared to those obtained by Large Eddy Simulation (LES), used with the dynamic Smagorinsky-Lilly sub-grid scale (SGS) model. Results showed the existence of distinctive recirculation zones in the aerodynamic planes, and new additional frequencies in the impeller stream, induced by the grooves. A decrease of mixing time of about 11% was obtained experimentally, consequence of the better suction induced by the grooved blades in the early stages of mixing. Mean velocities, vorticity, TKE obtained from LES showed a good agreement with the PIV-based results. The distributions of turbulence dissipation rate ε were similar to those obtained from PIV, however showing high under-predicted magnitudes

Estudio numérico de la influencia de la inclinación axial de los álabes en el desempeño de un compresor axial multi-etapas.

Tesis (Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica), Instituto Politécnico Nacional, SEPI, ESIME Zacatenco, 2013, 1 archivo PDF, (96 páginas). tesis.ipn.m