CFD simulation of stirred tanks: Comparison of turbulence models. Part I: Radial flow impellers

Abstract

A critical review of the published literature regarding the computational fluid dynamics (CFD) modelling of single-phase turbulent flow in stirred tank reactors is presented. In this part of review, CFD simulations of radial flow impellers (mainly disc turbine (DT)) in a fully baffled vessel operating in a turbulent regime have been presented. Simulated results obtained with different impeller modelling approaches (impeller boundary condition, multiple reference frame, computational snap shot and the sliding mesh approaches) and different turbulence models (standard k − ε model, RNG k − ε model, the Reynolds stress model (RSM) and large eddy simulation) have been compared with the in-house laser Doppler anemometry (LDA) experimental data. In addition, recently proposed modifications to the standard k − ε models were also evaluated. The model predictions (of all the mean velocities, turbulent kinetic energy and its dissipation rate) have been compared with the experimental measurements at various locations in the tank. A discussion is presented to highlight strengths and weaknesses of currently used CFD models. A preliminary analysis of sensitivity of modelling assumptions in the k − ε models and RSM has been carried out using LES database. The quantitative comparison of exact and modelled turbulence production, transport and dissipation terms has highlighted the reasons behind the partial success of various modifications of standard k − ε model as well as RSM. The volume integral of predicted energy dissipation rate is compared with the energy input rate. Based on these results, suggestions have been made for the future work in this area.Nous présentons un examen critique de la littérature concernant la modélisation de la dynamique des fluides numérique (DFN) de l'écoulement turbulentà une phase dans les réacteursà cuve agitée. Dans cette partie de l'examen, nous présentons les simulations de DFN de turbinesà ecoulement radial (principalement des turbinesà disque (TD)) dans un réservoir entièrement cloisonné effectuées dans un régime turbulent. Les résultats des simulations obtenus grâceà différentes approches de modélisation des turbines (couche limite turbulente, méthode des référentiels multiples, snap-shot de modélisation numérique, maillage glissant) età différents modèles de turbulence (modèle standard k-e, modèle RNG k-e, modèle aux tensions de Reynolds et simulation des grandeséchelles) ontété comparés aux données expérimentales internes d'allocation de Dirichlet latente (ADL). De plus, les modifications des modèles standards k-e récemment proposées ontégalementétéévaluées. Les prédictions du modèle (de toutes les vitesses moyennes, de l'énergie cinétique turbulente et de son taux de dissipation) ontété comparées aux données expérimentales relevéesà différents endroits de la cuve. Une discussion présente les points forts et les points faibles des modèles de DFN actuellement utilisés. Une analyse préliminaire de la sensibilité des hypothèses de modélisation liées aux modèles k-e et RSM aété menée en utilis...

Modeling of Complex Processes in Turbulent Flow of Unstable Emulsions of Immiscible Liquids

“…Such turbulence models, as standard k−ε model, RNG k−ε model, the Reynolds stress model and large eddy simulation are well studied for homogeneous liquids (Joshi et al [24]). However, when using turbulence models inherent in dispersed systems simplifying assumptions could describe accurately the influential aspects of the flow (Hakansson et al [25]).…”

Estudio del Comportamiento Fluido-Dinámico de un Agitador a Escala Reducida Mediante Simulación Numérica

“…Los tanques agitadores son comunes e importantes para diferentes aplicaciones industriales tales como: petroquímica, farmacéutica, biotecnología, minera entre otros (Qingbai y Gance, 2010;Joshi et al, 2011;Yapici, et al, 2008) El proceso de agitación en el presente caso se refiere a forzar el fluido por medios mecánicos (eje e impulsor) a moverse de forma circulatoria alrededor del eje del tanque. El movimiento circulatorio del fluido impacta sobre deflectores que están dentro del tanque generando una disminución del tamaño del remolino y mejorando la eficiencia en la agitación del fluido.…”

“…En particular, los impulsores tipo hydrofoil son de especial interés por ser los de menor consumo de energía en la aplicación de la suspensión de sólidos (Spogys y Nunhez, 2016;Harnby et al, 2000). Sin embargo, la mayoría de los estudios de agitadores realizados mediante CFD se han enfocado en el modelamiento de flujos generados por dos tipos de impulsores, Rushton y PBT (Pitched blade turbines), muchos de ellos con agua como fluido de operación (Joshi et al, 2011).…”

Hydrodynamics in the Blade Region of a Self-Aspirating Disk Impeller

“…But even in this field steady progress is observed. In computational fluid dynamics (CFD) are used models with varying levels of complexity (Joshi et al, 2011a, Joshi et al, 2011b, Gillissen and Van den Akker, 2012. There is also commercial software (eg.…”