Mixer Module

Pour modéliser des mélangeurs, des réacteurs sous agitation et des machines rotatives avec écoulement fluidique

Mixer Module

Le mélange s'effectue dans un mélangeur turbulent grâce à une turbine à trois pales et le placement de deux tiges pour agiter l'écoulement. Le modèle tient également compte de la forme de la surface libre.

Satisfaire les exigences produit grâce à une conception et à une optimisation soutenues par simulation

En complément du CFD Module, le Mixer Module vous permet d'analyser des mélangeurs de fluide et des réacteurs sous agitation. Grâce à la fonctionnalité de simulation d'écoulement fluidique soumis à une machine rotative, le Mixer Module offre également un ensemble de Mixer Applications qui permettent de modéliser facilement et rapidement ces types de cuve.

Les mélangeurs comportant des éléments en rotation sont employés dans de nombreux procédés industriels comme la fabrication de produits pharmaceutiques, alimentaires et chimiques. Un mélangeur est utilisé dans des procédés par batch très différents, parfois sur une simple durée de 24h quand les produits sont fabriqués en faible volume et vendus à des prix élevés. Les procédés de mélange ont en commun des facteurs qui sont : la qualité, la reproductibilité et l'homogénéité. Pour s'assurer que ces exigences sont satisfaites, des simulations sont réalisées afin de concevoir et d'optimiser le fonctionnement des procédés de mélange et le mélangeur lui-même. Les modèles et les simulations sont particulièrement utiles s'ils peuvent être validés par un procédé pilote, puis réutilisés pour des simulations à plus grande échelle. Ces modèles permettent ainsi de réduire les dépenses engagées dans l'élaboration et la gestion de procédés à l'échelle pilote et de passer directement à une production à grande échelle.


Images supplémentaires

  • MELANGE NON ISOTHERME : Modèle d'un fluide mélangé et chauffé à l'aide de l'interface Rotating Machinery, Non-isothermal Flow. Les tracés représentent le champ de température. La flèche et le ruban indiquent le sens de l'écoulement. MELANGE NON ISOTHERME : Modèle d'un fluide mélangé et chauffé à l'aide de l'interface Rotating Machinery, Non-isothermal Flow. Les tracés représentent le champ de température. La flèche et le ruban indiquent le sens de l'écoulement.
  • MELANGEUR A DEFLECTEUR : Lignes d'écoulement et de vitesse dans la coupe transversale d'un mélangeur à déflecteur avec fond lenticulaire et turbine à quatre pales. L'échelle de couleur sur les déflecteurs représente la pression, le tracé caractérise le module du vecteur de vitesse et les lignes d'écoulement indiquent le sens de l'écoulement. MELANGEUR A DEFLECTEUR : Lignes d'écoulement et de vitesse dans la coupe transversale d'un mélangeur à déflecteur avec fond lenticulaire et turbine à quatre pales. L'échelle de couleur sur les déflecteurs représente la pression, le tracé caractérise le module du vecteur de vitesse et les lignes d'écoulement indiquent le sens de l'écoulement.
  • ROTOR BLOQUE : La fonction de rotor bloqué (Frozen Rotor) permet de simuler le mélange d'un fluide non newtonien. Cette fonction peut être utilisée dans la modélisation de mélangeurs sans obstacles géométriques comme des pales, car elle demande beaucoup moins de ressources de traitement. ROTOR BLOQUE : La fonction de rotor bloqué (Frozen Rotor) permet de simuler le mélange d'un fluide non newtonien. Cette fonction peut être utilisée dans la modélisation de mélangeurs sans obstacles géométriques comme des pales, car elle demande beaucoup moins de ressources de traitement.

Simulations de mélange de fluide

Un mélange chimique et fluidique peut s'avérer nécessaire pour diverses raisons : mélanger des espèces, favoriser les réactions chimiques dans des réacteurs à cuve sous agitation à régime continu ou discontinu ou encore créer un procédé de dissolution, de cristallisation, de précipitation, d'absorption ou d'extraction. Les mélangeurs rotatifs sont formés d'une turbine et d'une cuve dotée de déflecteurs, par exemple. Ces composants sont habituellement prédéfinis et votre choix de turbine et de cuve dépend du procédé recherché. Souvent, les turbines sont interchangeables et utilisées pour différents fluides ou différentes conditions de mélange dans la même cuve.

Modélisation d'écoulement fluidique avec Rotating Machinery

Ecoulement laminaire

Le Mixer Module offre des interfaces de physique flexibles et performantes pour modéliser l'écoulement fluidique qui se produit dans une machine rotative. Une interface est réservée aux écoulements laminaires pour modéliser le mélange d'écoulements à nombres de Reynolds bas ou intermédiaires par résolution des équations de Navier-Stokes. Cette interface s'applique aux écoulements incompressibles et faiblement compressibles (jusqu'à 0,3 Mach) et propose également des fonctionnalités pour simuler des écoulements fluidiques non newtoniens.

Ecoulement Turbulent

Les interfaces physiques adaptées à la modélisation d'écoulement en régime turbulent dans une machine tournante résolvent des modèles de turbulence de type Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS). Trois modèles de turbulence sont disponibles : le modèle k-epsilon, le modèle k-oméga et le modèle k-epsilon à bas Reynolds. Le modèle k-epsilon offre souvent un bon compromis entre précision et consommation de ressources de calcul. Le modèle k-epsilon à bas Reynolds consomme davantage de ressources mais est plus précis, notamment dans la résolution d'écoulement à proximité de parois. Le modèle k-oméga permet d'obtenir des résultats tout aussi précis, en particulier dans les zones de recirculation proches des parois, mais est moins stable que le modèle k-epsilon.

Ecoulement Non isotherme

L'écoulement non isotherme intervient lorsqu'un fluide subit des gradients de température. Le Mixer Module contient des interfaces physiques pour prendre en charge ces types d'écoulement. Les interfaces d'Ecoulement non-isotherme offrent des fonctionnalités prédéfinies qui couplent intégralement la température et les champs de vitesse et de pression, et permettent également de simuler l'écoulement dans une machine tournante jusqu'à 0,3 Mach. Dans ces interfaces, vous pouvez également modéliser le transfert de chaleur dans les fluides et les solides. Les interfaces Machine Tournante, écoulement non-isotherme sont disponibles pour les écoulements en régime laminaire et turbulent.

Ecoulement Réactif

Des variations de densité et de composition dans des écoulements agités peuvent également se produire du fait de réactions chimiques. Le Mixer Module propose des interfaces physiques pour prendre en charge ces écoulements réactifs. Cette interface couple automatiquement les équations d'écoulement avec la densité de mélange à mesure qu'elles sont résolues par l'interface Transport d'espèces concentrées. L'écoulement réactif peut être simulé en régime laminaire et turbulent.

Méthode de Travail lors de la Simulation de Mélangeurs et de Réacteurs Agités

Le choix de l'interface physique appropriée dépend souvent de l'expérience de l'utilisateur, des résultats expérimentaux ou d'autres analyses qualitatives. L'absence de prise en compte d'une des physiques en jeu conduit parfois à des résultats erronés. A l'inverse, le fait d'intégrer tous les facteurs possibles augmente considérablement la durée de calcul. Les interfaces de machine tournante disponibles dans le Mixer Module vous aident à configurer des simulations plus ou moins complexes. Si les espèces du mélange n'affectent pas le fluide qui les transporte, une approche de modélisation est de résoudre d'abord l'écoulement, puis le transport des matières à l'aide du champ de vitesse en donnée initiale. Les mélanges concentrés, les réactions et les variations thermiques influencent généralement la densité et la viscosité du fluide. Si ces effets sont appréciables, vous pouvez basculer vers l'interface Machine Tournante, écoulement réactif ou l'interface Machine Tournante, écoulement non-isotherme. Dans le cadre de simulations personnalisées et avancées, COMSOL vous permet d'ajouter d'autres interfaces physiques pour simuler la mécanique des structures par exemple.

Les interfaces du Mixer Module

Le Mixer Module offre un ensemble d'interfaces de physique fonctionnant avec les lois de la conservation du moment cinétique, de la masse et de l'énergie et les bilans matières des espèces présentes dans les fluides. Différentes combinaisons et expressions des lois de conservation applicables à la physique concernée du champ d'écoulement créent des équations et des paramètres divers auxquels vous accédez via les interfaces de physique intégrées, disponibles dans le Mixer Module.

Ces interfaces de physique permettent de réaliser des simulations avancées des interactions entre une machine rotative et des fluides. Vous pouvez simuler des écoulements laminaires et turbulents, incompressibles et faiblement compressibles ou encore non newtoniens. D'autres interfaces de physique contiennent des facteurs et des équations pour décrire les effets de la température, des espèces réactives et des surfaces libres sur les équations d'écoulement fluidique. Dans ces interfaces de physique pour ces types d'écoulement, vous pouvez simuler en 2D et 3D des modèles dépendants du temps prenant en compte une description complète de la rotation de la turbine ou à l'aide de l'approximation par rotor bloqué.

Utilisation de l'étude dépendante du temps ou de la fonction Frozen Rotor

Une étude entièrement dépendante du temps relative à l'écoulement fluidique altéré par une machine rotative représente le mouvement des pièces géométriques les unes par rapport aux autres. Elle constitue le moyen le plus précis de simuler des procédés de mélange. COMSOL définit un domaine de modélisation qui englobe la turbine ou le rotor et un autre domaine en dehors de celui-ci contenant des parois et des artefacts comme des déflecteurs. Il recourt ensuite à une technologie de maillage glissant pour représenter l'intégration entre ces deux domaines. La précision obtenue par ce procédé de résolution est un impératif si la modélisation des conditions de démarrage des mélangeurs doit être étudiée. Pourtant, cette méthode consomme souvent trop de ressources de calcul lorsque le résultat souhaité consiste à simuler les performances du mélangeur après un délai écoulé et durant le fonctionnement normal dans des conditions de pseudo équilibre.

Le Mixer Module offre également une fonction de rotor bloqué grâce à laquelle vous gagnerez du temps et économiserez des ressources de traitement. Cette fonction simule un écoulement rotatif en partant du principe que la topologie du système par rapport au référentiel en rotation est fixe ou bloquée. Par ailleurs, elle réduit considérablement les ressources de calcul nécessaires pour simuler des conditions de pseudo équilibre. L'application de cette fonction revient à résoudre les équations fixes de Navier-Stokes où les forces centrifuges et de Coriolis ont été ajoutées aux domaines en rotation. L'utilisation de l'approximation par rotor bloqué est adaptée aux mélangeurs sans déflecteurs ni autres obstacles ou dans les applications où le système entier est en rotation, par exemple, dans la séparation centrifuge en microfluidique.

Cela étant, si la géométrie des systèmes requiert une description complète de la rotation du rotor par rapport aux pièces fixes, comme c'est le cas des mélangeurs à déflecteur, la fonction de rotor bloqué peut permettre de gagner du temps et d'économiser des ressources de calcul. Même si une résolution exacte ne peut pas être forcément trouvée dans de telles configurations géométriques, la fonction de rotor bloqué apporte néanmoins une solution approximative acceptable. Sa qualité dépend de la proximité relative entre les composants bloqués et fixes. Par la suite, en utilisant cette solution comme champ de vitesse initiale et d'autres paramètres pour une simulation transitoire, l'étude entièrement dépendante du temps atteint ses conditions de pseudo équilibre en beaucoup moins de temps.

Modélisation des Surfaces Libres dans les Mélangeurs

Le Mixer Module offre des fonctionnalités spécialisées pour modéliser les surfaces libres dans les mélangeurs. Elles vous permettent d'incorporer les effets de forces associées à la tension de surface et aux angles de contact entre la surface libre et les parois. Grâce à la technologie de maillage glissant, le Mixer Module permet de simuler la forme de la surface libre en la laissant se déplacer librement le long de la ligne de contact entre le fluide mélangé, le fluide au-dessus de la surface libre et les surfaces solides des parois et du rotor.

La modélisation de surfaces libres nécessite la définition du coefficient de tension de surface dans les équations décrivant le mouvement de la surface libre. Le Mixer Module propose une bibliothèque de coefficients de tension de surface entre certains liquides standards et entre des liquides et certains gaz  :

Liquide/Gaz Liquide/Liquide
Eau/Air Benzène/Eau
Acétone/Air Huile de maïs/Eau
Acide acétique/Air Ether/Eau
Ethanol/Air Hexane/Eau
Ethylèneglycol/Vapeur d'éthylèneglycol Mercure/Eau
Ether diéthylique/Eau Huile d'olive/Eau
Glycérol/Air
Heptane/Azote
Mercure/Vapeur de Mercure
Toluène/air

Mixer

Modular Mixer-Turbulent Template

Mixing of Water in a Flat Bottom Mixer

Nonisothermal Flow in a 2D Mixer