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Avaliação computacional de desempenho em misturador estático WESTFALL – Modelo: 2800

Todos os misturadores estáticos de engenharia personalizada da Westfall são testados no Alden Labs como parte padrão do processo de desenvolvimento de produtos da empresa

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Alden é tradicional para solução de problemas ambientais e de engenharia relacionados ao fluxo.

 Este artigo técnico descreve os procedimentos desenvolvidos e os resultados obtidos na avaliação de desempenho de misturador estático, tipo wafer, fabricado pela Westfall, tamanho 4” ( Referência : Computational Flow Model of Westfall 2800 Mixer – AGM-10-R-01/Jan.2010 ). 

Introdução

O Alden Research Laboratory Inc. (Alden) foi contratado pela Westfall Manufacturing Inc. para avaliar o desempenho da mistura do misturador 2800 da Westfall em uma faixa de velocidades. A seguir, é apresentado um resumo dos resultados obtidos.

Descrição computacional do modelo

A geometria do modelo foi desenvolvida usando o CAD tridimensional disponível comercialmente e software de geração de malha, GAMBIT V2.4.6. O domínio computacional gerado para o modelo consistia em aproximadamente 1,5 milhão de células hexaédricas e tetraédricas. Simulações numéricas foram realizadas usando o pacote de software CFD (Computational Fluid Dynamics) FLUENT V6.3.26, um pacote de simulação de fluxo de fluido finito, baseado em volume, de última geração, incluindo módulos de programa para especificação de condição de contorno, configuração de problemas e fases da solução de uma análise de fluxo. Técnicas avançadas de modelagem de turbulência, taxas de convergência de solução aprimoradas e técnicas para simular o transporte de espécies tornam o FLUENT particularmente adequado para esse estudo.

Alden usou o FLUENT para calcular o fluxo tridimensional, incompressível e turbulento através do tubo e do misturador. Um modelo estocástico, anisotrópico, de duas equações k-ε foi usado para simular a turbulência. O modelo anisotrópico foi necessário para resolver adequadamente os fluxos secundários  que se desenvolveram como resultado de mudanças na geometria. Descrições detalhadas do físico. Os modelos empregados em cada um dos módulos Fluent estão disponíveis na Fluent, Inc., desenvolvedora do Fluente V6.3.26.

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Condições de limite do modelo

A Westfall forneceu desenhos dimensionais de seu misturador 2800 para serem colocados em um tubo de 100 mm. Os testes foram simulados em água em escala normal. A seção de teste consistia em uma linha reta de 40 diâmetros com o misturador localizado no centro. Uma velocidade uniforme foi imposta na seção de entrada do teste, e o fluxo foi permitido atingir um perfil de fluxo quase totalmente desenvolvido antes de chegar no misturador. Um limite uniforme de pressão estática foi imposto na saída do modelo. Em todas as superfícies, foram aplicadas condições de contorno adiabáticas impermeáveis antiderrapantes alturas de rugosidade definidas para 0,0002 pés, conforme apropriado para tubos de aço lisos. Dez (10) vazões de água à pressão e temperatura ambiente foram testadas variando de 0,1 m/s a 1,0 m/s com incrementos de 0,1 de m/s. Um bico de injeção estava localizado a jusante de apenas uma das abas do misturador, que injetava 1% de vazão mássica de fluido traçador. Este fluido tinha temperatura e densidade similar às da água, e era totalmente miscível.

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Resultados e discussão

O desempenho do misturador é avaliado pelo Coeficiente de Variação (CoV) do fluido traçador a jusante do dispositivo de mistura. Os resultados aqui apresentados referem-se à água à temperatura e pressão ambientes. Mesmo na vazão mais baixa de 0,1 m/s, o fluxo através do tubo ainda é turbulento (Re = 9.420). Como tal, as características do fluxo (ou seja, valor-k, taxa de mistura, intensidade de turbulência, etc.) espera-se que permaneçam substancialmente as mesmas até o regime de transição (Re <4000, ou V =0,043-m s). Este é realmente o caso, e é claramente mostrado pelo CoV dos fluidos rastreadores em vários pontos a jusante nas diferentes vazões (Figura 1, Tabela 1).

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Figura 1: CoV do fluido traçador após o misturador

 

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Tabela 1: CoV do fluido traçador após o misturador

 

O fluxo através do misturador cria dois jatos através das seções abertas, que são inclinadas para a parede do tubo. Os jatos de alta velocidade criam uma forte zona de recirculação atrás do misturador que se estende aproximadamente 3 diâmetros a jusante, onde a maior parte da mistura ocorre (Figura 3). Com o ponto de dosagem atrás de apenas uma aba, há uma clara assimetria na região imediatamente a jusante do misturador (Figura 4, Figura 5). Parte do fluido traçador migra para o lado sem dosagem após o segmento mais fino próximo à parede. A quantidade de fluido dosado que migra para o lado oposto provavelmente será menor nos misturadores com valores beta maiores. A utilização de dois pontos de dosagem  (uma atrás de cada aba) resultará em melhor mistura para menores  distâncias a jusante, mas não mudará os resultados mais afastados a jusante. Embora provavelmente já seja conhecido, o valor k para o misturador também foi calculado (valor k = 29,2). A perda de pressão (perda de carga) esperada através do misturador é plotada para todos os pontos de teste na Figura 2.

 

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Figura 2: Perda de carga no misturador para varias vazões

 

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Tabela 2: Perda de carga no misturador para varias vazões

 

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Figura 3: Contorno de cores para magnitude de velocidades.

Velocidade média = 0,5 m/s

 

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Figura 4: Contorno da fraçao do fluido traçador (valor médio = 0,01)

 

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Figura 5: Padrão de linhas a partir do ponto de dosagem, colorido pela fração do traçador

(valor médio = 0,01)

 

Referência : Computational Flow Model of Westfall 2800 Mixer – AGM-10-R-01/Jan.2010 ). Tradução de  ACEMAX – contato@acemax.com.br / Celso Rossini – 11-3907-4623.

Tradução de  ACEMAX – contato@acemax.com.br / Celso Rossini – 11-3907-4623.