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Module Mixer

Modéliser les écoulements dans les mélangeurs et les réacteurs à cuve agitée

Le module Mixer, un module complémentaire du module CFD, est dédié à la modélisation et la simulation de mélangeurs et de réacteurs à cuve agitée, englobant à la fois les process batch et continus. Il inclut un large éventail d'outils pour modéliser et simuler des mélangeurs et des réacteurs dans les industries pharmaceutique, agroalimentaire et en chimie fine.

Le module inclut des fonctionnalités pour modéliser des écoulements laminaires et turbulents ainsi que des écoulements monophasiques et multiphasiques. Il inclut également des fonctionnalités de suivi d'interface permettant notamment de suivre la déformation de la surface liquide dans des réservoirs équipés de mélangeurs rotatifs.

Les résultats typiques de simulation incluent des champs de vitesse et de pression, l'efficacité du mélange, le taux de cisaillement maximum, la puissance et le couple de la turbine, la concentration en soluté ou le temps de résidence, le champ de température, et toute autre quantité dérivée des champs de vitesse, de concentration et de température.

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Un modèle de mélangeur avec la trajectoire des particules affichée dans la palette de couleurs arc-en-ciel.

Simulations de mélanges de fluides

Dans les industries pharmaceutique, de la chimie fine et agroalimentaire, la qualité, reproductibilité et uniformité des produits a une importance majeure. Un moyen de s'assurer que les exigences en matière de produits sont respectées consiste à s'appuyer sur la simulation pour concevoir et optimiser les opérations des procédés de mélange et du mélangeur ou du réacteur lui-même. Les modèles et les simulations sont particulièrement utiles lorsqu'ils peuvent d'abord être validés par un procédé pilote, puis être utilisés pour les calculs de mise à l'échelle. Une fois validés, ces modèles peuvent être utilisés pour éviter les coûts liés à la construction et à l'exploitation de procédés à l'échelle pilote et passer directement de la production à l'échelle du laboratoire à la production à grande échelle.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Mixer

Le module Mixer apporte des fonctionnalités pour mener différentes simulations de mélanges d'écoulements.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Domaine en rotation et un modèle de mélangeur dans la fenêtre graphique.

Ecoulements laminaires et turbulents dans les machines tournantes

Le module Mixer contient des interfaces de modélisation flexibles et robustes pour décrire l'écoulement de fluides dans des réservoirs avec mélangeurs rotatifs. Les interfaces d'Ecoulement prennent en compte des écoulements laminaires et turbulents impliquant des fluides incompressibles, faiblement compressibles ou compressibles. Une large gamme de modèles de fluides non-newtoniens est en outre disponible dans l'interface Ecoulement laminaire.

Les interfaces d'Ecoulement pour les écoulements turbulents sont disponibles pour modéliser des agitateurs tournants. Cela inclut l'ensemble des modèles RANS (Reynolds-averaged Navier–Stokes) et les modèles de fluides non newtoniens disponibles dans le module CFD.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Ecoulement non-isotherme et un modèle de mélangeur dans la fenêtre graphique.

Ecoulements non-isothermes

Le module Mixer comporte des interfaces Ecoulement non-isotherme pour la modélisation des champs de température et des écoulements, incluant les effets de la flottabilité et des propriétés dépendantes de la température. La possibilité de modéliser des transferts de chaleur en solides et en fluides, soit du transfert de chaleur conjugué est également incluse dans les interfaces Ecoulement non-isotherme. Le module propose également des interfaces Machines tournantes, écoulement non-isotherme qui peuvent être utilisées avec des modèles de turbulence.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Propriétés du fluide en surbrillance et un modèle de mélangeur dans la fenêtre graphique.

Modèles de turbulence algébriques

Les modèles de turbulence RANS à zéro équation disponibles pour les machines tournantes sont énumérés ci-dessous :

yPlus algébrique:

  • Modèle à zéro équation basé sur la distance locale à la paroi
  • Résout l'écoulement jusqu'à la paroi
  • Résout la distance à la paroi en unités visqueuses

L-VEL:

  • Modèle à zéro équation par Agonafer et al. (1996)
  • Résout l'écoulement jusqu'à la paroi
  • Résout la vitesse tangentielle (en unités visqueuses) le long de la paroi
Une vue rapprochée du Construteur de modèles avec un noeud Pièce chargée en surbrillance et un ensemble de pales dans la fenêtre graphique.

Bibliothèque de pièces

Le module Mixer contient une bibliothèque de pièces avec les géométries de turbines et de réservoirs les plus courantes. Ces pièces peuvent être utilisées pour créer un modèle de mélangeur ou de réacteur à cuve agitée. Les pièces géométriques sont entièrement paramétrées et les dimensions et les configurations peuvent être modifiées. Les pales de roue aubagée peuvent être coupées ou pliées, et leurs coins ou arêtes peuvent être arrondis ou aiguisés. Il existe six types différents de roues axiales, quatre types de roues radiales et deux types de roues pour les fluides à très haute viscosité. Il existe trois types de réservoirs : à fond conique, à fond bombé et à fond plat. Ces trois types de réservoirs peuvent être équipés ou non de déflecteurs.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Réaction et un modèle de mélangeur dans la fenêtre graphique.

Ecoulements réactifs et multiphasiques

Les mélangeurs et les réacteurs à cuve agitée sont soumis à des variations de température et de composition qui ont un impact sur la masse volumique et la viscosité locales. Ces effets peuvent être modélisés avec les interfaces Ecoulements réactifs, qui couplent automatiquement l'interface d'Ecoulement avec l'interface Transport d'espèces concentrées ou l'interface Transport d'espèces diluées afin que le transport et les réactions des espèces chimiques puissent être pris en compte. Les écoulements réactifs dans les réacteurs statiques ou agités dotés de turbines peuvent être étudiés dans les régimes d'écoulement laminaire et turbulent.

Le module Mixer inclut également des interfaces de modélisation dédiées aux écoulements multiphasiques, qu'il s'agisse de phases séparées avec suivi d'interface ou de modèles à phases dispersées pour lesquels la fraction massique ou volumique locale de chaque phase est résolue.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Frozen rotor et un modèle de mélangeur dans la fenêtre graphique.

Types d'études

Une étude temporelle pour un écoulement en machine tournante utilise une approche par maillage mobile pour prendre en compte la rotation au cours du temps. COMSOL® définit un domaine tournant englobant la turbine et un domaine stationnaire hors des zones constituées des parois du réservoir et des déflecteurs.

Le module Mixer comprend également une étude Frozen Rotor qui simule un écoulement en rotation sous l'hypothèse que la topologie du système par rapport au référentiel tournant de référence est fixe (frozen). Cela réduit significativement les ressources de calcul nécessaires pour simuler un état pseudo-stationnaire. L'étude Frozen Rotor équivaut à résoudre les équations de Navier-Stokes stationnaires en prenant en compte l'influence des forces centrifuge et de Coriolis ajoutée aux domaines tournants. L'étude Frozen Rotor est par ailleurs souvent utilisée pour obtenir des conditions initiales pour une étude temporelle avec un domaine tournant.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Ecoulement turbulent, k-ε et un modèle de mélangeur dans la fenêtre graphique.

Modèles de turbulence à équations de transport

Les modèles de turbulence RANS impliquant le transport de variables de turbulence, qui sont disponibles pour les machines tournantes, sont listées ci-dessous:

  • Modèle de turbulence k-ε avec contraintes de réalisabilité
  • Modèle de turbulence k-ε réalisable
  • Modèle de turbulence k-ω
  • Modèle SST (Shear-stress transport):
    • Modèle à deux équations Menter SST de 2003 avec contraintes de réalisabilité
  • Modèle de turbulence k-ε bas Reynolds:
    • Modèle Abe–Kondoh–Nagano (AKN) avec contraintes de réalisabilité
    • Résout l'écoulement jusqu'à la paroi
  • Modèle de turbulence v2-f:
    • Capture l'anisotropie de la turbulence
    • Adapté pour les écoulements tourbillonants, par exemple dans les cyclones
  • Modèle Spalart–Allmaras:
    • Version avec correction pour la rotation

Etendre les capacités du module Mixer

Le module Mixer, un module complémentaire du  Module CFD, peut être utilisé conjointement à tout autre module additionnel de la suite COMSOL®. Il peut par exemple être combiné avec:

  • Le module Heat Transfer pour modéliser le rayonnement de surface à surface et le rayonnement en milieu participatif
  • Le module Particle Tracing pour étudier les écoulements diphasiques avec une approche Lagrangienne-Eulérienne ainsi que les particules chargées dans des écoulements et des champs électriques
  • Le module Structural Mechanics pour modéliser les interactions fluide–structure
  • Le module Chemical Reaction Engineering pour analyser les réactions de surface, les bilans de matière et les cinétiques de réactions chimiques
L'interface utilisateur du Constructeur de modèles montre le Constructeur de modèles avec le noeud Interaction fluide-particule en subrillance, la fenêtre de réglages correspondante et un modèle de mélangeur dans la fenêtre graphique.

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation sont différents.

Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des exemples détaillés qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir les options de licence les plus adaptées à vos besoins.

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