مقدمه:
تانکهای بهم زده شده با یک وسیله مکانیکی و یا یک جت مایع به طور گسترده در بسیاری از پروسه های صنعتی کابرد دارند.این پروسه ها شامل صنایع شیمیایی،پتروشیمی،متالوژیکی می باشد. تانکهای بهم زن1 در پروسه های مختلفی ازقبیل :امتزاج، پراکنده سازی،امولوسیون،سوسپانیون،بالابردن دماو انتقام جرم کاربرد دارند.در نتیجه طیف وسیعی از تانکهای بهمزن برای شرایط عملیاتی مختلف وجود دارند.جزئیات جریان و نحوه گسترش اختلاط در تانکهای بهمزن تاثیر مهمی در بیشتر کاربردهای
صنعتی دارد. طراحی و افزایش مقیاس تانکهای بهم زن و تعیین کمیت اختلاط در آنها به طور سنتی با توسعه معادله های طراحی تجربی که اساسا به خاطر وجود پیچیدگی در دینامیک جریان اختلاط است،متوقف شد ،به طور مثال تعیین واحد درجه اختلاط ، بوسیله آنالیز توزیع زمان اقامت یک ردیاب مورد بررسی قرار می گرفت.اگر چه این دیدگاه برای بسیاری از کاربرد ها به اثبات رسیده است، اما نسبتاً محدود بوده،زیرا پیچیدگی جریان در بسیاری از کاربردهای اختلاطی در نظر گرفته نشده است. علاوه بر این معادله های تجربی معمولاًًبرای شرایط خاص آزمایشگاهی بوده و ندرتاً در تئوریهای توسعه یافته مشارکت دارند. اخیرا دینامیک محاسباتی جریان( CFD) و تکنیکهای آزمایشگاهی پیشرفته از قبیل سرعت سنج لیزر داپلر (LDV) به طور گسترده ای برای درک بهتر پروسه اختلاط به کار گرفته می شود که شامل اطلاع از جزئیات ویژگیهای جریان،از قبیل اطلاع از چزئیات پروسس که برای طراحی اجزا و انتخاب آنها بسیار ضروری می باشد. شبیه سازی کامپیوتری پدیده جریان آشفته در بسیاری از کاربردهای صنعتی به طور موفقیت آمیزی انجام گرفته است. پاترسون (1975 ) اصول به کار بردن مدلهای ریاضی را برای
شرایط مختلف اختلاط توصیف کرد.با پیشرفتهای اخیر در نرم افزارCFD و افزایش قدرت کامپیوتر امکان تعیین الگوی جریان و اختلاط را در تانکهای بهمزن بوسیله شبیه سازی بیشتر از کار آزمایشگاهی فراهم آورده است پیشرفت نسبت به درک بهتر اختلاط تنها به زمینه های عددی به جز آزمایشگاهی محدود نبوده و در زمینه تئوری نیز پیشرفتهایی حاصل شده است. اوتینو (1990) یک تئوری سینماتیکی از نرخ اختلاط پیشنهاد داد که یا ئو (1998) توانست یک ابزار نظری برای طراحی بهینه میکسر و کیفیت و کمیت اختلاط بر اساس تئوری اوتینو و استفاده از نتایج CFD ارائه دهد.در این پروژه ما مطالعات خود را در مورد تاثیرات فاکتورهای هندسی و عملیاتی بر روی همگنی اختلاط در تانکهای بهمزن متمرکز کرده ایم. همچنین مطالعات آزمایشگاهی و عددی انجام شده بر روی تانکهای بهمزن را مورد بررسی قرار دادیم. محاسبات مربوط به جریان مغشوش در مخزن همزندار یکی
از چالشهای مهم در مدلهای اغتشاش موجود است. عواملی که باعث این پیچیدگی می شوند شامل طبیت ناهمگون جریان در مخازن همزندار؛ همزنها و تفاوت کلی در شکل و مقیاسهای موجود است. به علاوه جریان مغشوش که توسط هر تیغه همزن تولید یا به آن برخورد می کند، پیچیدگی دیگر این قضیه است ،با توجه به اینکه هر تیغه به دنبال یک تیغه دیگر در حرکت است . روشهای تجربی موجود برای مطالعه میدان جریان مغشوش در مخازن همزن دار می تواند اطلاعات مفیدی را راجع به شکل
میدان »جریان«اندازه سرعت در نقاط مختلف و شدت اغتشاش به دست بدهد.ولی روشهای تجربی اغلب دارای معایبی می باشند که می تواند ناشی از طبیعت ناپای جریان مغشوش ، شکل پیچیده پره های همزن و حضور بافل در مخزن به علاوه گران و وقت گیر بودن اندازه گیری تجربی باشد. ظهورCFD و روند سریع رو به رشد آن طی دو دهه اخیر توانسته است تا حد بسیار زیادی به مطالعه میدان جریان در مخازن همزن دار کمک کند.اگر چه ممکن است CFD نتواند نیاز به انجام کارهای آزمایشگاهی را به طور کلی حذف کند،ولی می تواند ابزار بسیار خوبی برای هدایت نتایج تجربی و سرعت بخشیدن به حل مسائل مربوط به جریان باشد.به هر حال توسعه روز افزون روشهای جدید و دقیق تر CFD با زبان های برنامه نویسی پیشرفته و نرم افزار های شبیه سازی می تواند در آینده حتی نیاز به داده های آزمایشگاهی را به طور کلی حذف کند. شبیه سازی CFD جریان های مغشوش طیف وسیعی از اطلاعات مثل بردارهای سرعت،انرژی جنبشی اغششاش،شدت اتلاف انرژی و غیره را در نقاط
مختلف ظرف به دست می دهد بررسی دقیق جزئیات کامل داده های تولید شده توسط شبیه سازی های CFD می تواند رفتار جریان،شکل و مسیر گردشی جریان،ساختار و رتکس و در مقیاس های کوچکتر شدت های اتلاف و تنش های رینولدز و غیره را اشکار سازد.

شبیه سازی به همراه تحلیل عددی نرخ اتلاف انرژی در سیستم اختلاط مایع -مایع امتزاج ناپذیر

شبیه سازی به همراه تحلیل عددی نرخ اتلاف انرژی در سیستم اختلاط مایع -مایع امتزاج ناپذیر

فهرست مطالب

چکیده ………………………………………………………………………………………………………………………..1
مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………..4-2

فصل اول : کلیات……………………………………………………………………………. 8-5

1 -1) هدف …………………………………………………………………………………………………………………6
1 -2)پیشینه تحقیق …………………………………………………………………………………………………….7-6
1.-3)روش کار و تحقیق …………………………………………………………………………………………………8-7

فصل دوم:اختلاط ……………………………………………………………………………..21-9

2.-1) اختلاط ……………………………………………………………………………………………………………..10
2.-1-1)کیفیت اختلاط …………………………………………………………………………………………………11-10
2-1-2)اختلاط آشفته ………………………………………………………………………………………………………11
2-.2)تانکهای بهمزن مکانیکی …………………………………………………………………………………………12-11
2-2-.1)هندسه …………………………………………………………………………………………………………….12
2-2-1- 1)انواع پروانه ………………………………………………………………………………………………….14-13
2-2-1-1-1) پروانه های جریان محوری …………………………………………………………………………………14
2-2-1-1-2)پروانه های جریان شعاعی ………………………………………………………………………………16-15
2-2-1-2)بافلهای دیواری …………………………………………………………………………………………………..16
2-3)الگوهای جریان در تانکهای بهم زن ………………………………………………………………………………20-17
2-4)دینامیکهای جریان محاسباتی ………………………………………………………………………………………..20
2-.5)کدهای محاسباتی ……………………………………………………………………………………………………21

فصل سوم:مروری بر کارهای گذشته…………………………………………………….. 45-22

3-.1)کاربرد CFD در شبیه سازی جریان در مخازن همزن دار ………………………………………………………24-23
3 -1-1) روشهای CFD مورد استفاده برای شبیه سازی ظروف همزن دار ……………………………………………24
3-1-1-1)سیستمهای مختصات ثابت …………………………………………………………………………………27-24
3-1-1-2)سیستمهای مختصات چرخان 34………………………………………………………………………………-27
3-1-1-3)مقایسه روشهای مختلف …………………………………………………………………………………..35-34
3-.2)بررسی اثر پارامترهای مختلف برروی میدان جریان در مخازن همزن دار ………………………………………36
3-2-.1)مخازن همزندار بدون بافل …………………………………………………………………………………..38-36
3-2-2) مخازن همزن دار بافل دار …………………………………………………………………………………..40-38
3-2-3)مدلهای کوپه ای ………………………………………………………………………………………………44-40

فصل چهارم: فرمول بندی مساله و رسیدن حل نهایی………………………………. 56-45

4 -1 )معادله های مدل …………………………………………………………………………………………………….46
4 -1-1)معادله های بقاء ………………………………………………………………………………………………47-46
4-1-1-1)پیوستگی …………………………………………………………………………………………………………47
4-1-1-2)مومنتوم ……………………………………………………………………………………………………………47
4-.2)توربولنس…………………………………………………………………………………………………………….49-48
4-2-1)مدل استاندارد k-ε .5……………..ا………………………………………………………………………………0-49
.4-2-5) مدل شبیه سازی ادیهای بزرگ …………………………………………………………………………………..51
4-3)شرایط مرزی و فرضیات در این پروژه …………………………………………………………………………………52
4-.4)مدلهای کوپه ای ……………………………………………………………………………………………………..52
4-4-1) فرمول بندی مدل دو کوپه ای…………………………………………………………………………………..54-52
4-4-2) تعیین پارامترهای دو کوپه ای …………………………………………………………………………………55-54
4-4-.3)روش کلی برای تعیین پارامترهای دو کوپه ای …………………………… ……………………………………55
4-4-3-1)توزیع دانسیته حجمی نرخ اتلاف انرژی ……………………………………………………………………56-55
4-4-3-2)اتلاف انرژی تراکمی ………………………………………………………………………………………………56
4-4-3-3)تعیین نرخ التلاف انرژی جدا کننده ……………………………………………………………………………..56

فصل پنجم: طراحی عددی …………………………………………………………………..68-57

5.-1) شبکه بندی سیستم ……………………………………………………………………………………………..60-58
5-1-1)فواید استفاده از عناصر چهار وجهی ………………………………………………………………………………60
5-1-2)مضرات استفاده از عناصر چهار وجهی …………………………………………………………………………..60
5-1-3)مزایای استفاده از سلولهای شش وجهی ……………………………………………………………………….60
5-.2)خلاصه ای از روشهای عددی ………………………………………………………………………………….61-60
5-2-1)روش حل تفکیکی ……………………………………………………………………………………………..63-61
5-2-2)روش حل پیوسته ……………………………………………………………………………………………..64-63
5-3)مجزا سازی ………………………………………………………………………………………………………66-65
5-.4)مراحل حل مساله ……………………………………………………………………………………………….68-67

فصل ششم : صحت مدل…………………………………………………………………… 81-69

6-.1)مدل آلکسوپولوس …………………………………………………………………………………………………….70
6-2)هندسه مدل استفاده شده در این پروژه …………………………………………………………………………….71
6-3)تولید شبکه ……………………………………………………………………………………………………….73-72
6-4)معادله های حاکم …………………………………………………………………………………………………….73
6-5)تکنیک MFR برای شبیه سازی CFD ..ا…………………………………………………………………………75-74
6-.6)مقایسه با نتایج آلکسوپولوس ……………………………………………………………………………………..75
6-6-1)آنالیز جریان ……………………………………………………………………………………………………..79-75
6-6-2)مقایسه نتایح بدست آمده …………………………………………………………………………………….81-80

فصل هفتم : بحث و نتایج…………………………………………………………………. 122-82

7-.1)انتخاب مقدار εcut ..ا……………………………………………………………………………………………..85-83
7-.2)تاثیر قطر پروانه بر تقسیم بندی ………………………………………………………………………………..93-86
7-3) تاثیر سرعت چرخش ………………………………………………………………………………………….101-94
7-4)تاثیرات فاصله پروانه از انتهای تانک ………………………………………………………………………….107-102
7-5)تاثیر بافل ………………………………………………………………………………………………………..112-108
7-6)استفاده از پروانه های مختلف ………………………………………………………………………………..122-113

فصل هشتم: نتیجه گیری و پیشنهادات……………………………………………… 125-123

.نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………………124
.پیشنهادات………………………………………………………………………………………………………………..125
پیوست ها …………………………………………………………………………………………………………128-126
فهرست علائم ……………………………………………………………………………………………………..130-129
منابع و ماخذ ……………………………………………………………………………………………………….138-131
فهرست منابع لاتین ……………………………………………………………………………………………….138-131
.سایت های اطلاع رسانی………………………………………………………………………………………………….138
.چکیده انگلیسی……………………………………………………………………………………………………………139

فهرست جدول ها

جدول 2-1 :دسته بندی پروانه ها و انواع ویژه آنها ………………………………………………………………………14
جدول 1-3:تخمین پارامترهای کوپه ای …………………………………………………………………………………..44
جدول 6-2 پارامترهای دو کوپه ای بدست آمده از نتایجCFD :تاثیر سرعت چرخش ………………………………….81
.جدول7-1.پارامترهای دو کوپه ای بدست آمده از نتایج CFD :تاثیر قطر پروانه …………………………………………..87
.جدول 7-2 تاثیر سرعت چرخش (3(D = T/2 & C = T/ ……ا…………………………………………………………….96
جدول 3-7 :تاثیر فاصله پروانه از ا نتهای تانک …………………………………………………………………………….104
جدول4-7 :تاثیر بافل ………………………………………………………………………………………………………..108
جدول 7-5 تاثیر پروانه ……………………………………………………………………………………………………..114
جدول 7-6 تاثیر نوع پروانه ………………………………………………………………………………………………..114

فهرست شکل ها

شکل 2 -1: تانک اختلاط به همراه پروانه،بافل وشفت ……………………………………………………………………..31
شکل 2-2 :پروانه های جریان محوری (پل و همکارانش (2004)) ………………………………………………………..61
شکل 3-2 :پروانه های جریان شعا عی (پل و همکارانش (2004)) ……………………………………………………….61
.شکل2-4: الگوی جریان محوری: (الف) شماتیک، (ب) مـثال CFD….ا……………………………………………………..18
.شکل2-5 :الگوی جریان شعاعی: (الف) شماتیک، (ب) مـثال CFD…ا……………………………………………………..19
.شکل3-1 :نمای ناحیه قاب مرجع چرخان در یک تانک اختلاط ……………………………………………………………..33
.شکل 4 -1:مدل دو کوپه ای معرف تانک اختلاط غیر هموژن ……………………………………………………………..53
.شکل 5 -1:انواع سلولهای سه بعدی در گمبیت …………………………………………………………………………..95
.شکل 2-5:نگاهی به روش حل تفکیکی ……………………………………………………………………………………62
.شکل3-5 :نگاهی اجمالی به حل پیوسته …………………………………………………………………………………..64
.شکل 5 -4:حجم کنترلی که برای مجزاسازی معادله اسکالر انتقال استفاده می شود. ……………………………….66
شکل 1-6:تانک اختلاط استفاده شده توسط آلکسوپولوس…………………………………………………………………..70
7شکل2-6 :تانک اختلاط به همراه پروانه،بافل،شفت استفاده شده در این پروژه …………………………………………71
شکل 6-3:نمای کلی تانک به همراه مش ………………………………………………………………………………………73
شکل 6-4 بردارهای سرعت در صفحه افقی گذرنده از وسط پروانه با استفاده از روش …………………………………..77
شکل 6-5: کانتورهای سرعت درصفحه افقی گذرنده از وسط پروانه با استفاده از روش …………………………………77
شکل 6-6 کانتورهای سرعت درمرکز تانک اختلاط با استفاده از روش MFR. .ا…………………………………………….78
شکل7-6: کانتورهای سرعت در مرکز تانک اختلاط با استفاده از روش MFR …..ا…………………………………………78
شکل 6-8 : کانتورهای نرخ اتلاف انرژی در صفحه افقی گذرنده ازوسط پروانه با …………………………………………79
شکل7 -1: کوپه پروانه برای مقدارهای متفاوت نرخ اتلاف انرژی εcut -off ….ا…………………………………………85
شکل 2-7 نمودارهای تاثیر قطر بر میانگین جرم وزنی اتلاف انرژی در دو ناحیه ……………………………………….٨٧
شکل 7-3 توزیع دانسته حجمی نرخ اتلاف انرژی در 2.5D = T/ …………………………………………………….ا….٩٠
شکل 7-4 توزیع دانسته حجمی نرخ اتلاف انرژی در 2D = T/..ا…………………………………………………………..90
شکل 7-5 توزیع دانسته حجمی نرخ اتلاف انرژی در 1.5D = T/.ا………………………………………………………….91
شکل 7-6 نمودار اتلاف انرژی تراکمی بر حسب نرخ اتلاف انرژی………………………………………………………..91
شکل 7-7 نمودار اتلاف انرژی تراکمی بر حسب نرخ اتلاف انرژی………………………………………………………..92
شکل 7-8: نمودار اتلاف انرژی تراکمی بر حسب نرخ اتلاف انرژی……………………………………………………….92
شکل 9-7;کوپه پروانه برای قطرهای مختلف……………………………………………………………………………….93
شکل 19-7: نرخ اتلاف انرژی بر حسب سرعت ………………………………………………………………………….٩٧
شکل 7-01: توزیع دانسیته حجمی نرخ اتلاف انرژی در rpm 100. ……………………………………………………٩٧
شکل7 -11: توزیع دانسیته حجمی نرخ اتلاف انرژی در rpm 300. …………………………………………………..٩٧
شکل 7-12 :توزیع دانسیته حجمی نرخ اتلاف انرژی در rpm400. …………………………………………………….٩٨
شکل 7-31: توزیع دانسیته حجمی نرخ اتلاف انرژی در rpm800. ……………………………………………………٩٨
شکل 7-14 :نرخ اتلاف نرژی تراکمی بر حسب نرخ اتلاف انرژیrpm 100……………………………………………..٩٩
شکل 7-15 :نرخ اتلاف نرژی تراکمی بر حسب نرخ اتلاف انرژیrpm 300…………………………………………….٩٩
شکل 7-16 :نرخ اتلاف نرژی تراکمی بر حسب نرخ اتلاف انرژیrpm 400……………………………………………١٠٠
شکل7 -71:نرخ اتلاف نرژی تراکمی بر حسب نرخ اتلاف انرژیrpm 800 ……………………………………………١٠٠
شکل 7-18 :کوپه پروانه برای مقدارهای مختلف سرعت ……………………………………………………………..101
شکل 19-7:توزیع دانسیته حجمی بر اساس نرخ اتلاف انرژی در 3C = T/ .ا………………………………………….104
.شکل 7 -02: توزیع دانسیته حجمی بر اساس نرخ اتلاف انرژی در2C = T/……ا……………………………………..104
شکل 1-27: توزیع دانسیته حجمی بر اساس نرخ اتلاف انرژی 1.22C = T/….ا………………………………………105
شکل22-7: نرخ اتلاف نرژی تراکمی بر حسب نرخ اتلاف انرژی……………………………………………………….106
شکل 23-7: نرخ اتلاف نرژی تراکمی بر حسب نرخ اتلاف انرژی……………………………………………………….106
شکل24-7: نرخ اتلاف نرژی تراکمی بر حسب نرخ اتلاف ان.رژی………………………………………………………107
شکل 25-7:کوپه پروانه برای فاصله های مختلف………………………………………………………………………..107
شکل26-7: توزیع دانسیته حجمی بر حسب نرخ اتلاف انرژی ………………………………………………………….110
. شکل 27-7 :توزیع دانسیته حجمی بر حسب نرخ اتلاف انرژی………………………………………………………..110
. شکل 28-7 :نرخ اتلاف انرژی تراکمی بر حسب نرخ اتلاف انرژی……………………………………………………111
. شکل 29-7 :نرخ اتلاف انرژی تراکمی بر حسب نرخ اتلاف انرژی…………………………………………………..111
شکل 7-13: توزیع دانسیته حجمی بر حسب نرخ اتلاف انرژی در راشتون توربین ………………………………………115
شکل 7-36:توزیع دانسیته حجمی بر حسب نرخ اتلاف انرژی برای پروانه تیغه ای …………………………………..120

فصل اول : کلیات
1 1-) هدف
اهداف این پروژه به قرار زیر می باشد:
– بکارگیری مدلی شبیه ساز برای مطالعه اختلاط در تانکهای بهم زدن مکانیکی ، و بررسی کامل تاثیرات پارامترهای مهم شامل هندسه تانک ، نوع پروانه و سرعت چرخش بر روی اختلاط انجام گرفت.
– استفاده از مقادیر نرخ اتلاف انرژی جنبشی برای تقسیم بندی تانک به کوپه هایی با مقادیریکسان.که این بخش بندی برای حل توزیع سایز ذرات در راکتورهای بسپارش تعلیقی ضروری می باشد.
– صحت پیش بینیهای مدل از لحاظ کیفیت با نتایج آزمایشگاهی به دست آمده.
– فصل اول مقدمه و اهداف پروژه مطرح شد.
– فصل دوم توضیح در مورداختلاط و نحوه اختلاط در تانکهای بهم زن داده شد.
– فصل سوم این پایان نامه مروری است بر کارهای انجام شـده در گذشـته اسـت کـه شـامل روشـهایCFD مورد استفاده برای شبیه سازی مخازن همزن دار مجهز به بافل،مدلهای منطقه ای می باشد.
– فصل چهارم به بررسی معادله های مدل و بررسی انواع مدلهای حاضر در فلوئنت پرداختیم.
– فصل پنجم به بررسی شبکه بندی سیستم و خلاصهای از روشهای عددی پرداختیم.
– فصل ششم به اثبات صحت مدل استفاده شده پرداختیم .
– فصل هفتم به شرح کارهای انجام شده در این پروژه و ارائه ی نتایج حاصل و بحث در مورد آن است .
1 -2)پیشینه تحقیق
طراحی و افزایش مقیاس تانکهای بهم زن و تعیین کمیت اختلاط در آنها به طور سنتی با توسعه معادله های طراحی تجربی که اساسا به خاطر وجود پیچیدگی در دینامیک جریان اختلاط است،متوقف شد ،به طور مثال تعیین واحد درجه اختلاط ، بوسیله آنالیز توزیع زمان اقامت یک ردیاب1 مورد بررسی قرار می گرفت.اگر چه این دیدگاه برای بسیاری از کاربرد ها به اثبات رسیده است، اما نسبتاً محدود بوده،زیرا پیچیدگی جریان در بسیاری از کاربردهای اختلاطی در نظر گرفته نشده است. علاوه بر
این معادله های تجربی معمولاًبًرای شرایط خاص آزمایشگاهی بوده و ندرتاً در تئوریهای توسعه یافته مشارکت دارند. اخیرا دینامیک محاسباتی جریان( CFD)2 و تکنیکهای آزمایشگاهی پیشرفته از قبیل سرعت سنج لیزر داپلر3 (LDV) به طور گسترده ای برای درک بهتر پروسه اختلاط به کار گرفته می شود که شامل اطلاع از جزئیات ویژگیهای جریان،از قبیل اطلاع از چزئیات پروسس که برای طراحی اجزا و انتخاب آنها بسیار ضروری می باشد. شبیه سازی کامپیوتری پدیده جریان آشفته در بسیاری از
کاربردهای صنعتی به طور موفقیت آمیزی انجام گرفته است. پاترسون 4(1975 ) اصول به کار بردن مدلهای ریاضی را برای شرایط مختلف اختلاط توصیف کرد.با پیشرفتهای اخیر در نرم افزارCFD و افزایش قدرت کامپیوتر امکان تعیین الگوی جریان و اختلاط را در تانکهای بهمزن بوسیله شبیه سازی بیشتر از کار آزمایشگاهی فراهم آورده است پیشرفت نسبت به درک بهتر اختلاط تنها به زمینه های عددی به جز آزمایشگاهی محدود نبوده و در زمینه تئوری نیز پیشرفتهایی حاصل شده است. اوتینو5 (1990) یک تئوری سینماتیکی از نرخ اختلاط پیشنهاد داد که یا ئو6 (1998) توانست یک ابزار نظری برای طراحی بهینه میکسر و کیفیت و کمیت اختلاط بر اساس تئوری اوتینو و استفاده از نتایج CFD ارائه دهد.
1 -3)روش کار و تحقیق
در این پروژه ما مطالعات خود را در مورد تاثیرات فاکتورهای هندسی و عملیاتی بر روی همگنی اختلاط در تانکهای بهمزن متمرکز کرده ایم. همچنین مطالعات آزمایشگاهی و عددی انجام شده بر روی تانکهای بهمزن را مورد بررسی قرار دادیم. محاسبات مربوط به جریان مغشوش در مخزن همزندار یکی از چالشهای مهم در مدلهای اغتشاش موجود است. عواملی که باعث این پیچیدگی می شوند شامل طبیعت ناهمگون جریان در مخازن همزندار؛ همزنها و تفاوت کلی در شکل و مقیاسهای موجود است. به علاوه جریان مغشوش که توسط هر تیغه همزن تولید یا به آن برخورد می کند، پیچیدگی دیگر این قضیه است، با توجه به اینکه هر تیغه به دنبال یک تیغه دیگر در حرکت است . روشهای تجربی موجود برای مطالعه میدان جریان مغشوش در مخازن همزن دار می تواند اطلاعات مفیدی را راجع به شکل میدان »جریان«اندازه سرعت در نقاط مختلف و شدت اغتشاش به دست بدهد.ولی روشهای تجربی اغلب دارای معایبی می باشند که می تواند ناشی از طبیعت ناپای جریان مغشوش ، شکل پیچیده پره
های همزن و حضور بافل در مخزن به علاوه گران و وقت گیر بودن اندازه گیری تجربی باشد. ظهورCFD و روند سریع رو به رشد آن طی دو دهه اخیر توانسته است تا حد بسیار زیادی به مطالعه میدان جریان در مخازن همزن دار کمک کند.اگر چه ممکن است CFD نتواند نیاز به انجام کارهای آزمایشگاهی را به طور کلی حذف کند،ولی می تواند ابزار بسیار خوبی برای هدایت نتایج تجربی و سرعت بخشیدن به حل مسائل مربوط به جریان باشد.به هر حال توسعه روز افزون روشهای جدید و دقیق تر CFD با زبان های برنامه نویسی پیشرفته و نرم افزار های شبیه سازی می تواند در آینده حتی نیاز به داده های آزمایشگاهی را به طور کلی حذف کند. شبیه سازی CFD جریان های مغشوش طیف وسیعی از اطلاعات مثل بردارهای سرعت،انرژی جنبشی اغششاش،شدت اتلاف انرژی و غیره را در نقاط مختلف ظرف به دست می دهد بررسی دقیق جزئیات کامل داده های تولید شده توسط شبیه سازی های CFD می تواند رفتار جریان،شکل و مسیر گردشی جریان،ساختار و رتکس و در مقیاس های
کوچکتر شدت های اتلاف و تنش های رینولدز و غیره را اشکار سازد.

شبیه سازی به همراه تحلیل عددی نرخ اتلاف انرژی در سیستم اختلاط مایع -مایع امتزاج ناپذیر

شبیه سازی به همراه تحلیل عددی نرخ اتلاف انرژی در سیستم اختلاط مایع -مایع امتزاج ناپذیر

فصل دوم: اختلاط 2 1-) اختلاط1:
ترم اختلاط وقتی در یک فرآیند به کار برده می شود که باعث کاهش غیر یکنواختی یا کاهش خواص گراویانی سیستم از قبیل:دما،غلظت،و وسکیوزیته می شود.اختلاط زمانی اتفاق می افتد که ماده از یک ناحیه به مناطق دیگر حرکت کند.در گذشته ممکن بود که درجه هموژن سازی مورد نیاز باشد اما امروزه همچنین تسهیل در انتقال حرارت و جرم که اغلب با یک سیستم واکنشهای شیمیایی همراه است مورد توجه است.برای تولید یک مخلوط یکنواخت بوسیله اختلاط دو چیز لازم است که اتفاق
بیفتد:
-اولاً:در این اختلاط حتماً باید یک جریان بالک یا هدایت گر به دور از هر گونه ناحیه با ویسکوزیته ککه معمولاً به ناحیه های ساکن موسومند، وجود داشته باشد.
-دوماً: حتماً باید یک ناحیه اختلاط پر قدرت با تنش بالا، برای شکستن همگن سازی وجود داشته
باشد. انواع جریان توربولنسی و آرام به صورت همزمان در قسمتهای مختلف میکسر با یک ناحیه انتقالی
ذاتی بین آنها که بستگی به ویسکوزیته اولیه و خواص مایع دارد اتفاق می افتد.
2-1-1)کیفیت اختلاط2 :
استانداردهای مختلفی برای اندازه گیری کیفیت اختلاط وجود دارد و رایج ترین استاندارد این است که 95٪ اختلاط صورت گرفته باشد.این در صورتی تعریف می شود که مقدار متغیر اندازه گیری شد(هدایت یا دما) در هر نقطه به طور مسائدی کمتر از باشد. که c غلظت ردیاب در هر نقطه از ظرف اختلاط و c غلظت تعادلی می باشد. این رابطه به این نکته اشاره دارد که مقدار
١ – Mixing
٢ – Quantification of Mixing
اولیه c قبل از اضافه کردن الکترولیت صفر می باشد.استانداردهای دیگری از قبیل 99٪ زمان اختلاط معمولاًًدر صنایعی از قبیل صنایع دارویی کاربرد دارد.
2-1-2)اختلاط آشفته1:
بیشتر واکنشهای مهم شیمیایی،عملیاتهای انتقال حرارت،فرآیندهای احتراق و اختلاط با وجود توربولسنی پیشرفت داده می شوند. تاثیر توربولسنی به وجود آمدن توده مسری کوچکی از ادیها و یا اجزای واکنش دهنده است که زمان لازم برای اختلاط مولکولی و واکنش به افزایش تماس واکنش دهنده بر روی مقیاسی از سایز ادی که می تواند به طور موثری ارزش تولیدی بسیار را از مواد شیمیایی را کاهش دهد، کاهش می دهد.جریانهای توربولسنی با میدان سرعت نوسانی مشخص می شوند.این نوسانات با پدیده های انتقال نظیر مومنتوم،انرژی ،انواع غلظت ترکیب شده و باعث می شوند که پدیده های انتقال نیز نوسانی عمل کنند،از این رو این نوسانات می تواند در مقیاس کوچک و به صورت فرکانس بالا انجام گیرند و همچنین هزینه محاسباتی آن برای شبیه سازی مستقیم در محاسبات عملی مهندسی بسیار گران می باشد.از اینرو معادله های حاکم لحظه ای می تواند، متوسط گیری زمانی ،متوسط گیری جمعی و یا در غیر این صورت در مقیاسهای کوچکتر انجام بشود.در نتیجه یک مجموعه تصحیح شده از معادلات که از لحاظ محاسباتی ارزان تر بوده برای حل به وجود آید.البته معادله های تصحیح شده مادی متغییر های نامعلوم اضافه شده هستند و در مدلهای توربولسنی نیاز به تعیین این متغییر در ترمهای کمیتهای معلوم داریم[1].
2-2)تانکهای بهمزن مکانیکی2:
اختلاط تک فاز و چند فاز مایعات: اغلب در تانکهای بهم زن انجام گرفته که یکی از مهمترین شرایط عملیاتی پایه در صنایع شیمیایی و بیوتکنولوژی در کاربردهایی از قبیل تماس مایع- مایع ،
سوسپانسیون قطرات و ذرات و واکنشهای پلیمری بکار برده می شود. فهمیدن رفتار جریان درون ظروف بهم زدن برای طراحی تجهیزات و پروسه افزایش مقیاس و بقای انرژی و کنترل کیفیت محصولات بسیار ضروری می باشد که تنها با شبیه سازی و آنالیز چند مقیاسه دینامیک جریان پیچیده در پروسه اختلاط قابل دستیابی می باشد. فرآیند اختلاط مکانیکی تجهت شرایط جریان آرام و آشفته بسته به مقدارعدد رینولدوز اتفاق می افتد که به صورتRe = r ND٢/h تعریف میشود. برای رینولدز کمتر
از 01 شرایط آرام می باشد،که شرایط خزشی نیز نامیده می شود. شرایط جریان توسعه یافته در رینولدز بالاتر از 4 01 اتفاق می افتد پل (2004) [2]و جریان اتفاقی بین این دو ناحیه واقع شده است.
٢-٢-١)هندسه:
به طور معمول تانک بهم زدن شامل یک ظرف با یک میکسر متحرک می باشد که ظرف به طور معمول به صورت یک تانک عمودی استوانه ای شکل می باشد. میکسر دوار از قسمتهای مختلفی تشکیل شده است:
یک پروانه ، محور، آب بند محور، جعبه دنده، نیروی محرکه موتوری ، بافلهای دیواری که بطور کلی برای جلوگیری از چرخش بدنه جامد هنگام اختلاط آشفته و یا انتقالی استفاده می شوند ( که این پدیده گاهی چرخش جریان نیز می نامند) ، همچنین باعث اختلاط محوری و پاشین تانک نیز می شوند. شکل 2-1 ، نمای کلی یک تانک بهم زن استوانه ای عمودی با یک میکسر که از بالا وارده شده است را نشان می دهد. جایی که مایعی نیوتنی با دانسیته ρ، ویسکوزیته η ، با یک پروانه ای با قطر D
بهم زده می شود . فاصله آن از انتهای تانک با c نشان داده می شود. قطر ظرف T ، و عمق مایع را با H نشان می دهیم. ارتفاع تیغه پروانه w و عرض بفل b و قطر شفت را با s نشان می دهیم.

٢-٢-١-١)انواع پروانه:
پروانه های رایج برای اختلاط جریان انتقالی و آشفته در جدول1-2قرار دارند که به طور کلی به دسته های مختلفی بر اساس الگوی جریان ، کاربرد آنها ،هندسه ویژه آنها، تقسیم بندی می شوند. دسته بندیها همچنین انواع کاربرد را برای هر کدام از این پروانه ها تعیین وتعریف می کند. برای مثال جریان محوری برای استخراج مایعات و سوسپانسیون جامدات بکار برده می شود در صورتیکه جریان شعاعی پروانه ها برای پراکنده سازی گازها بسیار مناسب است. توربین تیغه ای اگر چه به عنوان پروانه جریان محوری دسته بندی میشود ولی بعضی اوقات به عنوان پروانه جریان مخلوط کننده بسته به جریان تولید شده در راستای شعاعی و محوری تعریف می شود. نسبت بیشتر از 55/0D/T = ، به عنوان پروانه جریان شعاعی معرفی می شود.
٢-٢-١-١-١) پروانه های جریان محوری:
پروانهای جریان محوری ( شکل 2-2) برای استخراج ، سوسپانسیون جامدات و همچنین انتقال گرما استفاده می شوند. توربین تیغه ای نوع معمول از پروانه محوری می باشد که بطور معمول شامل یک توپی با تعدادی تیغه های جفت و جوش داده بر آن می باشد که این تیغه ها می توانند زاویه های بین 01 تا 09 درجه از حالت عمودی داشته باشند، اما زاویه معمول تیغه ها 54 درجه می باشد. دیسشارژ جریان از یک پروانه تیغه ای حاوی مولفه های سرعت جریان شعاعی و محوری در مایعات با ویسکوزیته کم تا متوسط می باشد و به عنوان پروانه جریان مر کب معروف می باشد.


مقطع : کارشناسی ارشد

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان