Modelowanie CFD przepływów wielofazowych

 

Modelowanie CFD przepływów wielofazowych

CFD (computational fluid dynamic) jest jednym z najintensywnej rozwijanych na przestrzeni ostatnich 20lat dziedzin komputerowego wspomagania prac inzynieskich (CAE). Powszechnie eksploatowane już od kilkunastu lat kody CFD, jak Ansys-Fluent, CFX, OpenFoam, czy StarCD stają się coraz częściej narzędziem codziennej pracy inżynierów. Oprogramowanie CFD jest już obecnie wiarygodnym narzędziem służąym rozwiązaniu wielu zagadnień technicznych związanych z przepływem płynów. Są jednakże nadal dziedziny wymagające wysiłku badawczego, tak aby przygotowany model komputerowy był wiarygodny i efektywny w praktyce inżynierskiej. Taką dziedziną są niewątpliwie przepływy wielofazowe. Ze względu na różnorodność tego zjawiska każdy przypadek techniczny wymaga indywidualnego podejścia popartego walidacją eksperymentalną. Zespół ITC na drodze szeregu projektów badawczych nabierał doświadczenia w przygotowaniu wiarygodnych modeli CFD dla przepływów wielofazowych:

 

Obszary zastosowań: flotacja 

W maszynie flotacyjnej zachodzą złożone zjawiska przepływowe z udziałem faz o różnych gęstościach: stałej, ciekłej i gazowej (ziarna substancji stałych o różnej zwilżalności, płyn i powietrze). Dodatkową trudność stanowi też to, że flotowniki są wyposażone w elementy ruchome – wirnik aeratora. Modelowanie takich procesów z uwzględnieniem złożoności przepływów i oddziaływań międzyfazowych było do niedawna praktycznie niemożliwe. Dlatego projektowanie maszyn flotacyjnych w opierało się dotąd głównie na doświadczeniach eksploatacyjnych i wynikach badań eksperymentalnych na stanowiskach modelowych. Stosowane modele procesu flotacji mają charakter uproszczony. Opierały się na globalnych bilansach, a występujące w nich stałe wyznaczano empirycznie. Postępy w rozwoju numerycznej mechaniki płynów jak również ciągły wzrost mocy obliczeniowej komputerów umożliwiają już obecnie wielowymiarowe modelowanie CFD tego typu procesów. Zespół ITC we współpracy z Instytutem Metali Nieżelaznych w Gliwicach opracował:

sparametryzowany model maszyny flotacyjnej w środowisku Ansys-Fluent.

 

Obszary zastosowań: aeracja cieczy 

Napowietrzanie cieczy jest powszechnie stosowaną technologią w oczyszczaniu ścieków. Aby nastąpił proces biologicznego rozkładu związków organicznych, trzeba do układu dostarczyć tlen, który jest niezbędny bakteriom do życia. W typowej oczyszczalni ścieków koszt energii napowietrzania szacuje się na 30 - 70% całkowitych jej kosztów. Udoskonalenie procesów napowietrzania zapewnia duże oszczędności energii i zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych. W wyniku badań nad procesem flotacji, testowano różego rodzaju układy służace do aeracji cieczy. Opracowane modele numeryczne moga służyć do określenia drogi przepływu fazy gazowej w cieczy, koncentracji fazy gazowej w cieczy jak również koncentracji powierzchni międzyfazowej czyli parametru określającego powierzchnię kontaktu cieczy i gazu w metrze sześciennym mieszaniny. Modele numeryczne wyliczają również energię zużywaną przez różnego rodzaju urządzenia mieszające i aeratory.

  modelowanie_aeracja