SOLIDWORKS Flow Simulation: Proces mieszania w numerycznej mechanice płynów
Proces mieszania jest sztuką znaną ludzkości od tysiącleci i powszechnie był uważany za rzecz oczywistą. Na przestrzeni ostatnich kilku dekad, został on rozwinięty dzięki zastosowaniu komputerowych technik pomiarowych i symulacji stosowanych powszechnie we wszystkich laboratoriach. Pomimo znacznego rozwoju badań nad samym mieszaniem, proces ten może być dalej udoskonalany, ponieważ jest on bardzo ważnym procesem występującym w przemyśle. Jest on bardzo powszechny we wszystkich dziedzinach przemysłu. Znajduje on zastosowanie zarówno w takich branżach jak spożywcza jak i kosmetyczna bądź lakiernicza. W wielu firmach produkcyjnych, proces mieszania występuje na dowolnym etapie wytwarzania elementu końcowego. Stąd też bardzo istotne jest zoptymalizowanie tego procesu.
Głównym celem procesu mieszania jest zawsze znalezienia jak najbardziej wydajnego procesu, przy jak najmniejszym wydatku energetycznym.
Eksperymenty doświadczalne są relatywnie drogie, dlatego też wykorzystano alternatywny sposób na przeprowadzenie badań- numeryczną mechanikę płynów. Wyniki uzyskane tą metodą są precyzyjne i pozwalają przewidzieć rzeczywistość.
W przeszłości przeprowadzano jedynie badania empiryczne w trakcie projektowania wirników. Spowodowane było to brakiem wiarygodnych modeli obliczeniowych oraz małymi zasobami komputerowymi. W obecnych czasach technologia oraz modele jednofazowe, wielofazowe oraz dyspersyjno-fazowe rozwinęły się na tyle, że można polegać na badaniach numerycznych. Pozwalają one na przewidzenie hydrodynamiki układu. Dzięki takim narzędziom jak SOLIDWORKS Flow Simulation optymalizacja procesów mieszania stała się o wiele łatwiejsza.
Informacje techniczne
Samo zagadnienie zasymulowania procesów mieszania jest związane z symulacjami przepływów z ruchomymi elementami. W tym przypadku użytkownika interesuje ruch obrotowy względem stałej osi. Jest to możliwe dzięki opcji „Rotation- Local region(s) (Averaging)”. Podejście to polega na modelowaniu w zasadzie dowolnej liczby wirujących elementów w taki sposób, że każdy z nich posiada swoją własną domenę płynu i porusza się w lokalnym układzie współrzędnych związanych z ową domeną. Ponieważ siatka obliczeniowa jest nieruchoma, uzyskuje się rozwiązanie w tej konfiguracji wzajemnych położeń komponentów, w jakiej dostarczono ją wraz z siatką. Przykładami symulacji, w których można wykorzystać tą metodę są wszelkie problemy techniczne, w których występują słabe interakcje między komponentami. Takimi zagadnieniami są np. kręcące się koła pojazdu, czy różnego rodzaju mieszalniki.
W artykule tym przedstawię możliwości programu SOLIDWORKS Flow Simulation na przykładzie mieszalnika wykorzystującego turbinę Rushtona.
Ustawienia symulacji
Pierwszym etapem było stworzenie geometrii. W symulacji tej założono, że średnica samego zbiornika będzie dwukrotnie większa niż średnica mieszadła. Wygląd geometrii przedstawia poniższy rysunek.
Kolejnym etapem było narysowanie obszaru wirującego dookoła samej turbiny Rushtona. Przedstawia to walec pokazany na poniższym rysunku.
Po narysowaniu geometrii można było przejść do stworzenia symulacji. W tym celu wybrałem „Kreatora symulacji” i poinformowałem program, czego będzie dotyczyć tematyka zagadnienia. Aby tego dokonać zaznaczyłem opcje „zależność czasowa”, „grawitacja” oraz „obszar wirujący – lokalne obszary”. Ponadto poprzez zaznaczenia „Internal”, zawiadomiłem program, że będzie rozważana symulacja wewnętrzna. Wybrane opcje zostały pokazane na poniższym rysunku.
Następnie jako płyn mieszający wybrałem wodę, a pozostałe opcje wybrałem domyślne. Po przypisaniu warunków inicjalizujących, przeszedłem do drzewka „Feature Manager”.
Okno to pozwala użytkownikowi na przypisanie modelu fizycznego do stworzonej geometrii. W tym przypadku wybrałem opcję „Rotating Regions” i wskazałem wcześniej narysowany walec. Przypisałem mu prędkość 200 obrotów na minutę co jest równoznaczne 20,94 rad/s.
Po dokonaniu powyższego kroku zaimplementowałem siatkę lokalną do samej turbiny oraz ścianek zbiornika. Czynność ta została wykonana w celu uzyskania bardziej wiarygodnych wyników.
Następnie poinformowałem program jakie są cele obliczeniowe tej symulacji. Cele obliczeniowe są wyznaczane po to, aby program mógł śledzić jakość zmian danych parametrów z każdym krokiem obliczeniowym. Informacja ta pozwala stwierdzić, czy dane wartości parametrów się ustaliły, czy jeszcze się zmieniają. W tym przypadku ustawiono dwa cele obliczeniowe, a mianowicie, średnią prędkość panującą w zbiorniku oraz średni moment obrotowy względem pionowej osi obrotu.
Ostatnim elementem, który należało ustawić, był czas trwania symulacji. W tym celu wybrałem opcję „Calculation Control Options”. Tam zdecydowałem się, że czas trwania symulacji ma trwać 5 sekund.
W zakładce „Saving” zaznaczyłem, które parametry mają być zapisywane w pamięci komputera, żeby móc je później zwizualizować w postaci animacji. W tym celu zaznaczyłem box-a pod napisem „Selected Parameters” i wybrałem odpowiednie zmienne.
Po wykonaniu tych opcji można było przejść do wizualizacji wyników.
Analiza wyników
W celu sprawdzenia rozkładu prędkości w mieszalniku oraz zwizualizowaniu stref turbulencji skorzystałem z opcji „Cut Plot”, która umożliwia przedstawienie wyników na poszczególnym przekroju.
Po wybraniu stworzenia wykresu, użytkownik ma dostęp do zaprezentowania wyników na bardzo wiele możliwości. Dostępnymi opcjami są kontury, izolinie, wektory, linie prądu oraz wizualizacja siatki. Ja zdecydowałem się na przedstawienie prędkości za pomocą konturów oraz wektorów. Uzyskane wyniki zostały zaprezentowane poniżej.
Na powyższej ilustracji, widoczne są strefy martwe. Widać, że pod samym mieszadłem prędkość płynu jest znacznie mniejsza niż w obszarach blisko łopatek turbiny. Wynika stąd, że sam proces mieszania jest niejednorodny i że znajdują się strefy, w których mieszanie jest intensywniejsze, a jednocześnie są obszary, gdzie mieszanie prawie wcale nie zachodzi. Ponadto na powyższym rysunku widać, że cała objętość płynu została podzielona na dwa podobszary mieszania. Zostały one zaznaczone dwoma prostokątami (czarny i czerwony). Nie jest to pożądane zjawisko, które docelowo należałoby zniwelować, bądź maksymalnie zminimalizować.
Ponadto, żeby jeszcze lepiej zwizualizować wyniki i uzmysłowić sposób działania mieszadła, SOLIDWORKS Flow Simulation umożliwia wygenerowania linii przepływu, przechodzących przez daną powierzchnię, bądź płaszczyznę. Jak widać, poniższy rysunek potwierdza istnienie dwóch podobszarów mieszania.
Do możliwości programu SOLIDWORKS należy także opcja wyznaczania wykresów zmian zdefiniowanych celi obliczeniowych. Jak wynika z poniższych wykresów- prędkość średnia oraz moment obrotowy oscylują wokół określonych wartości. Wynika stąd, że należałoby zdefiniować jeszcze gęstszą siatkę, bądź zmniejszyć krok czasowy.
Rozszerzona analiza
Po wykonaniu powyższych kroków postanowiłem rozszerzyć symulację o dodanie barwnika do mieszadła. W tym celu do mojej geometrii dodałem kulkę, która znajdowała się na tej samej wysokości co łopatki turbiny Rushtona. Po tak zdefiniowanej geometrii przypisałem kulce odpowiednie parametry.
W tym celu skorzystałem z narzędzia „Tracer Studies”, które pozwala na badanie przepływu określonej domieszki (znacznika) w istniejącej cieczy nośnej przy założeniu, że obecność domieszki ma pomijalny wpływ na przepływ cieczy nośnej. Założenie takie jest uzasadnione, jeżeli stężenie domieszki jest stosunkowo niskie. Jako płyn domieszki wybrałem także wodę i zdecydowałem się, że będzie się ona rozprzestrzeniać przez 5 sekund, gdzie jej początkowy ułamek objętościowy wynosi 0.0005.
Jako wartość brzegową zdecydowałem się, że ułamek masowy będzie równy 0.1. Tak zdefiniowana domieszka pozwoliła na wykonanie obliczeń. Poniższe rysunki przedstawiają sposób rozprzestrzeniania się barwnika po całej objętości zbiornika.
Sposób rozprzestrzeniania się cząstki został również uchwycony na poniższej animacji.
Wnioski
Proces mieszania jest bardzo skomplikowanym zagadnieniem, jednakże jest on również bardzo powszechny. Znajduje on zastosowanie w bardzo wielu dziedzinach przemysłu, dlatego też zagadnienie związane z optymalizacją tego procesu jest aktualne i bardzo często poruszane. Narzędziem mogącym pomóc zoptymalizować mieszadło może być SOLIDWORKS Flow Simulation, który w bardzo łatwy sposób wesprze inżynierów w procesie optymalizacji kształtu mieszadła. Dzięki niemu możliwe będzie zwizualizowanie stref martwych, w których nie dochodzi do wymieszania. Ponadto dzięki odpowiednim opcjom możliwe będzie przedstawienie jakości procesu mieszania, poprzez pokazanie miejsc wystąpienia domieszek. Program Solidworks Flow Simulation dostarczy również informację o zapotrzebowaniu na moc, jaką trzeba zasilić mieszadło, żeby ono poruszało się z odpowiednią prędkością obrotową. Jak widać, możliwości programu są ogromne i pomogą one przenieść rzeczywistość na ekran komputera.
Weź udział w darmowym webinarze
Poznaj oprogramowanie SOLIDWORKS Flow Simulation w praktyce. Webinar oparto o przykładowe symulacje, które pozwalają w pełni poznać zarówno interfejs programu, jak i jego poszczególne moduły.
Przedstawiane podczas wydarzenia treści obejmują całe spektrum symulacji, które pozwalają zrozumieć możliwości, jakie daje SOLIDWORKS Flow Simulation. Funkcjonalność oprogramowania zostanie przedstawiona na przykładzie analiz związanych z aerodynamiką zewnętrzną, chłodzeniem elektroniki, czy emisyjnością spalin w mieście. Dodatkowo, w trakcie webinaru, omówione zostaną zagadnienia związane z HVAC.
