Modelación de flujo en 3-D en procesos de mezcla rápida en plantas de tratamiento utilizando OpenFOAM

Abstract

Se llevó a cabo el estudio del comportamiento del agua en un tanque de mezcla rápida con una hélice tipo Rushton de seis aletas empleando la dinámica de fluidos computacional por medio del software OpenFOAM. En el estudio fueron analizadas la velocidad axial, energía cinética turbulenta, tasa de disipación de la energía cinética turbulenta, presión y esfuerzos cortantes presentes en el tanque para una velocidad de rotación constante de la hélice. Se emplearon tres grados de refinamiento de mallas estructuradas, esquemas numéricos de primer y segundo orden, y cuatro modelos de turbulencia distintos. Los resultados se validaron con valores obtenidos en laboratorio y modelaciones previas. Por medio de la modelación se constató que se puede caracterizar el comportamiento del fluido por medio de la dinámica de fluidos computacional. Adicionalmente, el estudio permitió establecer 1) que el refinamiento de las mallas tienen gran influencia en la precisión de los datos obtenidos, a mayor grado de refinación se obtienen mejores resultados, 2) los esquemas numéricos de segundo orden presentaron resultados más precisos que los obtenidos en los esquemas de primer orden y 3) los modelos de turbulencia presentan diferencias poco significativas en la precisión de los datos obtenidos.

In order to understand the hydraulic behavior of stirred tanks in this thesis it was studied a common geometry tank with a standard six-bladed Rushton turbine with four equally spaced baffles applying a Computational Fluid Dynamic (CDF) model in the software OpenFOAM. In the study it was analyzed the axial velocity, the turbulent kinetic energy, the rate of dissipation of the turbulent kinetic energy, the pressure, velocity and wall shear stress in the tank with a constant rotational speed of the impeller. In the model, it was applied three degrees of refinement of structured grids, numerical schemes of first and second order, and four model of turbulence, which data was used to compare the precision obtained. The result were validated with experimental data and previous results obtained with CDF. Throughout the study it was found out that the hydraulic behavior of the fluid can be modeled applying Computational Fluid Dynamics. Also, it was found out that 1) the refinement of the grid have a considerable influence in the precision obtained in the results, a higher degree grid generates better results, 2) the numerical schemes of second order have better results than the first order schemes and 3) the turbulence models do not have a considerable effect in the precision of the results.