在许多现代行业中，混合器用于不同目的。如果您正在寻找高效的混合设计过程，则需要一个模拟工具，使您可以混合和匹配不同的混合元素。借助ComsolMultiphysics®软件，您可以创建适合自己需求的混音器几何形状。今天，我们将讨论与使用K-Epsilon和K-Omega湍流模型的有斑点的底部混合器一起使用扁平底部混合器以及两个湍流混合问题建模层状混合问题。
混音器：各种应用和目标
从制药和食品行业到消费产品和塑料，工业搅拌机是许多领域的关键要素。乐动体育app无法登录此外，混合器的目的可能差异很大。混合器不仅用于结合元素并产生均匀的混合物，而且还可以减少颗粒的大小并产生化学反应。
工业搅拌机。Erikointunnus的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。
搅拌机是有效，及时生产以及在批次之间以及批次之间产生统一产品质量所必需的。在某些情况下，系统的安全操作需要混合器，例如，在不良混合下可能会产生热点和失控的反应（爆炸）的放热反应中。通过建模，我们可以使用不同的混音器设计进行廉价且精简的实验，以优化混合过程，避免产品质量差并满足安全要求。
为了解决这些问题，您可以转向Comsol多物理学，该物理为您提供了测试各种混合器的工具。在下一部分中，我们将讨论三个不同的混音器设计示例，这些示例讲述了Comsol多物理学的多功能性。
通过COMSOLMultiphysics®生成三个模块化混合器研究
典型的批处理混合器通常由两个主要组成部分组成：一个容器和叶轮，它们的类型和形状都可能有所不同。也可以将挡板添加到设备中，以通过抑制散装的主要涡流形成来改善混合。
挡板的重要性取决于叶轮的类型。例如，径向叶轮需要挡板工作。否则，该解决方案将像旋转木马一样旋转，并且将无法实现混合。在这里，叶轮只会在溶液撞击容器的壁时产生垂直混合。另一方面，轴向叶轮在叶轮上产生垂直混合流，这意味着它们不需要挡板才能实现混合。但是，轴向叶轮也具有径向分量，因此，如果需要，挡板可用于增加轴向叶轮中的径向混合。
让我们看一下下面显示的搅拌机容器，通常将其建模为带有盘状或平底的垂直圆柱体。
平底搅拌机（上方）和有斑的底部混合器（下图）的侧视图。
在容器中，流体被旋转的叶轮混合。叶轮的旋转和设计决定了放电液体的轴向和径向方向。因此，叶轮有许多不同的设计，使它们能够用于各种不同的工业目的。在这里，我们将研究一种六叶片Rushton圆盘涡轮机，这是一种用于高剪切混合的径向叶轮，还有一个更通用的俯仰叶轮叶轮，该叶轮是轴向叶轮。
拉什顿碟涡轮机，带有六个刀片（左）和一个带有四个刀片（右）的俯仰叶片。
通过将这两种常见的血管与两种类型的叶轮相结合，我们创建了两个单独的几何（如下所示）和三个单独的研究。这三个研究都使用冷冻转子研究类型和旋转机械，流体流动界面。
第一项研究涉及在困惑的平底搅拌机中将硅油的层流混合，该底部搅拌机包含Rushton涡轮机，其六叶片以40 rps旋转。在此示例中，我们专注于三个旋转速率中的最高，但您可以轻松调整旋转以模拟较慢的旋转速率。第一个示例是基于M.J. Rice的博士学位论文在混合容器中的层流和过渡流的高分辨率模拟（请参阅模型文档中的参考文献1），并包括来自博士学位论文的比较研究粘性和粘弹性流的研究J. Hall（请参阅模型文档中的参考文献2）。
两个搅拌机几何形状，一个结合了令人困惑的平底搅拌机和Rushton涡轮机（左），另一个配合了一个带有困惑的凹底式搅拌机和一个四叶片式叶轮（右）。
继续前进，我们接下来的两个示例涉及在困惑的凹底式搅拌机中水的湍流混合。该搅拌机包含一个倾斜的四叶片叶轮，该叶轮以20 rpm旋转。可以减少通过使用周期性并仅模拟四分之一域来解决这些模型所需的计算时间。
我们动荡的混合示例使您能够探索不同的模型如何影响您的结果。在这里，我们比较K-Epsilon（K-ε）具有快速收敛速率的模型K-OMEGA（K-ω）模型，对于循环区域的流动效果更好。
比较层流和湍流搅拌机模拟的结果
让我们从三种型号的速度幅度和平面速度向量开始。这些结果提供了我们所有三个示例中混合容器中循环模式的一般视图。
对于我们的第一个搅拌机模型，层状混合示例，我们可以看到流体被Rushton涡轮机向外排放，从而产生了两个区域涡流。我们的仿真结果也显示了所得的隔室化现象，这对于径向叶轮来说是常见的。这会导致在顶部和底部涡旋中混合，尽管比每个涡流内部的强度少。
速度幅度（xz- 平面）和平面速度向量（Yz- 平面）用于层流混合示例。
另一方面，湍流的速度幅度和矢量投影K-ε模型表明流体被俯仰的叶轮叶轮轴向排出。结果，从容器的顶部到底部产生了大的Zonal涡流。此外，叶轮下方出现了一个小的Zonal涡流，该涡流可以在该区域聚集重分散的颗粒。
速度幅度（xz- 平面）和平面速度向量（Yz- 平面）K-ε湍流模型示例。
第三项研究表明湍流k-ω型号具有较大的区域涡流，类似于K-ε例子。但是，这一次，核心更垂直拉伸。就其部分而言，位于叶轮下方的较小的Zonal涡流沿径向伸展。另一个区别在于扭矩和功率吸引值，这两者都高于K-ε模型。而k-ω模型是用于这些类型流量的好模型，我们仍然需要确定其结果实际上是否比K-ε模型。因此，将仿真结果与实验进行比较是必要的下一步。
速度大小和平面速度向量k-ω湍流模型示例。
最后，我们的模拟表明，这三个示例都会产生至少几个平均流量量的良好近似值。我们来自层流混合研究的冷冻转子模拟的结果可以轻松用作新的时间依赖性研究的初始条件。
修改搅拌机几何形状以满足您的个人需求
很容易修改此处呈现的混合物几何形状，以适应各种混合器设计和条件。只需更改提供的模型中的参数即可更改几何形状的组件和属性的类型。要进行进一步的自定义，您还可以将自己的子序列添加到组合中。这样，您可以创建一个自定义模型以适合您的特定应用程序。
有关如何改进混音器模拟的更多信息，请查看下一节中的资源。
其他资源来帮助您的混音器建模过程
- 尝试此博客文章中的教程：模块化混合混合（K-OMEGA）
- 阅读一些博客文章，以模拟comsol多物理中的混合器：
- 观看这个深入的存档网络研讨会：模拟搅拌机和非理想反应堆
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