¿Cómo un modelo acoplado puede optimizar procesos con sistemas sólido-fluidos?
Vea cómo el acoplamiento CFD-DEM proporciona un enfoque intermedio entre el uso de la resolución sub-partículas para el fluido y la resolución de la malla para fluidos y partículas.
Muchos procesos en varios sectores industriales involucra el flujo simultáneo de fluidos y partículas. Citando sólo algunos ejemplos:
- Molinos de lodo (industria minera)
- Ciclones, hidrociclones, desarenadores y remoción de gravas durante la perforación (industria de petróleo y gas)
- Transportadores neumáticos (múltiples industrias)
- Gestión de aguas residuales (industria de eliminación de residuos)
- Secado y clasificación de granos (agricultura y industria alimenticia)
- Reactores de biomasa (industria de energía)
- Lechos fluidizados y reactores catalíticos (industrias químicas y nucleares)
En todos estos casos, es importante tener en cuenta el flujo de los fluidos para obtener el comportamiento correcto de las partículas.
El diseño y la ampliación y la optimización de estos procesos requieren una comprensión profunda de los termo-hidrodinámica del sistema, que a su vez está determinado por las interacciones entre las partículas en el nivel de líquidos, partículas y contornos.
¿Por qué es tan complicado modelar estos sistemas?
La complejidad del flujo fluido-sólido presente en estos sistemas hace que su modelado sea una tarea desafiante. La principal fuente de dificultades se debe a las diferencias en el orden de magnitud de las escalas características existentes en el problema.
En primer lugar, hay la escala del dispositivo, que se respeta naturalmente. En segundo lugar, están las escalas que se capturan en una solución de CFD resolviendo el flujo en la escala de la malla, que generalmente es mayor que la partícula, pero sigue siendo muy pequeña cuando se compara a la escala del dispositivo.
Finalmente, hay la escala de las interacciones fluido-partícula, que tiene la magnitud de las menores menores partículas. De esta forma, se vuelve computacionalmente prohibitivo resolver el flujo con tal resolución para la mayoría de las aplicaciones industriales.
Estas dificultades son lo que hace que el enfoque del acoplamiento CFD-DEM tan prometedor: proporciona un nivel intermedio entre la resolución de subpartículas para el fluido y la resolución de la malla para el fluido y las partículas.
¿Por qué no utilizar sólo el CFD?
Hay dos enfoques principales para manejar sólidos en CFD: el enfoque Euleriano y el enfoque Lagrangiano.
En el abordaje euleriano, tanto los fluidos como las partículas se tratan como medios continuos e interpenetrantes y las ecuaciones continuas se resuelven para ambas fases, y las ecuaciones constitutivas para interacciones inter e intra-fases son necesarias.
El problema se encuentra en el hecho de que encontrar ecuaciones generales para sistemas granulares es difícil debido a la naturaleza variable de cómo los sólidos fluyen. Además, debido al enfoque interpenetrante y continuo, ninguna información individual de partículas está disponible, y este puede ser justamente el dado buscado.
Sin mencionar que la prescripción de una distribución de tamaño de partículas puede aumentar considerablemente el costo computacional, ya que en general varias fases se crean para modelar varios tamaños de partículas.
En el abordaje Lagrangeana, el fluido todavía es tratado como continuo, pero la fase particulada es tratada por el abordaje discreto, acompañando cada partícula (o un parcelamiento modelando un grupo de partículas) a lo largo de la fase fluida como resultado de las fuerzas actuando sobre ellas.
Sin embargo, debido al hecho de que no considera la interacción partícula-partícula, este enfoque se limita a flujos muy diluidos, lo que no es la realidad en la mayoría de las aplicaciones industriales.
¿Por qué acoplar CFD y DEM?
El acoplamiento CFD-DEM es una alternativa prometedora para el modelado de sistemas fluidos-granulares, ya que puede capturar la naturaleza discreta de la fase particulada mientras mantiene la viabilidad computacional. Esto se logra al no resolver el flujo del fluido al nivel de partícula, lo que aumenta la gama de equipos y procesos que pueden ser estudiados con simulaciones numéricas.
Algunas ventajas específicas de utilizar el método acoplado CFD-DEM frente al uso de CFD se enumeran a continuación.
- Al contrario de los métodos continuos, el movimiento de cada partícula es simulado – entonces las interacciones partícula-partícula son tenidas en cuenta y no hay necesidad de proporcionar ecuaciones de estado para sistemas granulares, que, nuevamente, son bastante difíciles de conseguir.
- De la misma forma, no hay la limitación de concentración de partícula y la distribución del tamaño de partículas es fácilmente prescrita sin aumentar el costo computacional del solver de CFD.
- Es posible manejar partículas no esféricas y, más que eso, se pueden modelar materiales adhesivos / cohesivos modelando la fuerza atractiva entre un par de partículas y entre partículas y paredes.
- Además, se puede calcular la transferencia de calor de partícula a partícula y partícula a pared, así como la transferencia de calor por convección con el fluido.
¿Cuáles son algunos ejemplos de aplicaciones CFD-DEM acopladas?
Windshifter
En este ejemplo, un windshifter (usado comúnmente en el procesamiento de partículas densas de desecho industrial para separar las partículas) se modela usando acoplamiento unidireccional. Diferentes densidades, tamaños y formatos se utilizan para las partículas, mientras que el aire fluye desde el fondo hasta la parte superior. El uso de una ley de arrastre que toma en consideración la forma y la alineación de la partícula con el flujo permite la predicción correcta de la eficiencia de separación.
Lecho Fluidizado
Este vídeo muestra una simulación de acoplamiento 2-vías de un lecho fluidizado cuyo caudal del gas es creciente. La mezcla mostrada en el vídeo es una de las principales ventajas del uso de lechos fluidizados en procesos industriales.
Anillos en un lecho fluidizado
En este caso, un anillo se mantiene suspendido en un lecho fluidizado debido a las colisiones de las pequeñas partículas contra la superficie del anillo. No sólo la forma del anillo se tiene en cuenta para el cálculo de las interacciones, así como varios grupos de partículas pueden ser modelados sin necesidad de varias etapas adicionales en el lado del CFD.
Molino de lodo
En este ejemplo, dos fases fluidas más partículas fluyen en un dominio rotativo. El acoplamiento Rocky-Fluent se utiliza para predecir la formación de la piscina en la base (pooling) y el consumo de energía en un molino de barro. En este dispositivo, las partículas de mineral se inserta en un molino que contiene bolas de acero y agua (que más tarde se transforma en barro debido a las partículas más finas) para romper el mineral en el rango de tamaño deseado.
Patatas en el horno
El último ejemplo muestra un caso de un medio de acoplamiento en el que las patatas se calientan debido al paso a través de un horno en el que los flujos de aire caliente. Como se esperaba, las patatas más pequeñas alcanzan una temperatura más alta más rápidamente que las patatas más grandes.
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