Перемешивание жидких сред в аппарате волнового типа

Цыретаров О.Ж., Веригин А.Н., Коробчук М.В.

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Санкт-Петербург

Ключевые слова: перемешивание, вибрационные технологии, волновой смеситель, колебательное движение, скорость диссипации энергии, вихревые структуры.

Аннотация. С использованием программного комплекса COMSOL Multiphysics выполнено численное моделирование нестационарного течения жидкости в аппарате волнового типа с колебательным движением мешалки. В работе проведено двумерное и трёхмерное моделирование, позволившее проанализировать временную эволюцию полей скоростей в течение одного периода колебаний, а также исследовать пространственную структуру течения в объёме аппарата и особенности формирования течения в различных зонах. Показано, что колебательное движение мешалки приводит к формированию волновых и вихревых структур, обеспечивающих вовлечение значительной части жидкости в движение и снижение застойных зон. Установлено, что характер течения существенно зависит от частоты колебаний, а также геометрических параметров мешалки и условий возбуждения потока. Для количественной оценки интенсивности перемешивания использована средняя по объёму скорость диссипации энергии как интегральный критерий эффективности процесса. Показано, что увеличение частоты колебаний в целом приводит к росту интенсивности перемешивания, однако в определённом диапазоне частот наблюдаются нелинейные эффекты, связанные с особенностями взаимодействия колебательного движения мешалки с жидкостью и перераспределением энергии в потоке. Полученные результаты могут быть использованы при разработке и оптимизации конструкций волновых смесителей и выборе рациональных режимов их работы.

Mixing of liquid media in a wave-type apparatus

Tsyretarov O.Zh., Verigin A.N., Korobchuk M.V.

Saint Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Saint-Petersburg

Keywords: vibration technologies, mixing, wave mixer, oscillatory motion, energy dissipation rate, vortex structures.

Abstract. A numerical study of unsteady fluid flow in a wave-type mixing apparatus with oscillatory motion of the impeller was carried out using COMSOL Multiphysics. Both two-dimensional and three-dimensional simulations were performed to analyze the temporal evolution of velocity fields during one oscillation cycle and to investigate the spatial structure of the flow within the working volume of the apparatus, as well as the features of flow formation in different regions. The results demonstrate that the oscillatory motion of the impeller leads to the formation of wave and vortex structures, which ensure the involvement of a significant portion of the liquid in motion and reduce the formation of stagnant zones. It was established that the flow pattern strongly depends on the oscillation frequency, as well as on the geometric parameters of the impeller and the conditions of flow excitation. For quantitative evaluation of mixing intensity, the volume-averaged energy dissipation rate was used as an integral criterion of process efficiency. It was shown that an increase in oscillation frequency generally results in higher mixing intensity; however, nonlinear effects were observed within a certain frequency range due to the interaction between the oscillatory motion of the impeller and the fluid and the redistribution of energy in the flow. The obtained results can be applied in the design and optimization of wave-type mixing devices and in the selection of optimal operating conditions.