A utilização da simulação CFD (Dinâmica de Fluidos Computacional) tem se consolidado como uma ferramenta essencial em diversos segmentos industriais. Em especial, os setores que operam com tanques de mistura se beneficiam continuamente com os avanços tecnológicos dessa área.
A aplicação da simulação permite elevar de forma significativa o desempenho dos equipamentos ao mesmo tempo em que reduz a necessidade de testes físicos, diminui o consumo energético e melhora a eficiência da mistura dos componentes.
Estes fatores consequentemente resultam em maior produtividade e otimização dos recursos.
Continue a leitura e saiba mais sobre simulação CFD de tanques de mistura.
Benefícios da Simulação para Tanques de Mistura
Na prática, esses ganhos se traduzem em uma capacidade aumentada de previsão e análise do comportamento real dos equipamentos.
Através da simulação, é possível monitorar com precisão aspectos como o consumo de energia, transferência de calor, tempo necessário para homogeneização da mistura e distribuição do tamanho das partículas.
O Simcenter STAR-CCM+, software de simulação multifísica da Siemens, se consolida como uma solução completa e avançada para simulação CFD.
O Papel do STAR-CCM+ no Processo de Simulação
No contexto de tanques de mistura, onde a complexidade do escoamento, a presença de múltiplas fases e os fenômenos de transferência de calor e massa exigem precisão, o software realiza seu papel de forma completa e segura.
O STAR-CCM+ não apenas permite a modelagem detalhada da física envolvida nesses sistemas, como também integra todas as etapas do processo de simulação, desde a construção da geometria até a análise dos resultados.
Manipulação de Geometrias Complexas
A começar pela manipulação de geometrias complexas, o STAR-CCM+ oferece ferramentas robustas para criação, importação, modificação e reparo de modelos CAD.
Este recurso é indispensável em simulações industriais, onde os detalhes construtivos do tanque, dos impelidores, defletores, bicos de injeção e demais componentes influenciam diretamente o comportamento do escoamento.
A compatibilidade com diversos formatos de malhas e superfícies permite importar de forma simples modelos complexos de geometria.
Geração de Malha para Simulação Precisa
No aspecto de geração de malha, o software demonstra um abrangente grupo de alternativas, empregando malhas capazes de capturar com precisão as características geométricas, mesmo em regiões constituídas por profundos detalhes.
O alto controle do tamanho da malha e a utilização de camadas de prismas tornam possível a análise adequada da camada limite, elemento essencial em tanques de mistura, onde o desempenho dos impelidores e a eficiência da transferência de calor dependem das interações fluido-estrutura.
Ainda, a malha pode ser adaptada com alto controle sobre regiões específicas, como a vizinhança dos impelidores, das paredes ou da superfície livre.
Modelagem Multifásica e Aplicações
No que diz respeito à modelagem multifásica, o STAR-CCM+ disponibiliza um portfólio abrangente de modelos para escoamentos com múltiplas fases, incluindo gás-líquido, líquido-líquido e sólido-líquido, todos com suporte à interação entre as fases, reações químicas, transferência de calor e fenômenos como dissolução, evaporação e ebulição. Os modelos são apresentados a seguir:
Modelo Multifásico Euleriano (EMP):
- Ideal para simular misturas de fluidos miscíveis em escalas menores que as que desejamos resolver. Resolve equações de transporte para cada fase e permite considerar transferência de calor e massa, reações químicas e cristalização. É amplamente aplicado em sistemas com fases dispersas, como gás-líquido, líquido-líquido, sólido-líquido e gás-líquido-sólido, sendo aplicado em biorreatores e processos de emulsões, suspensão de sólidos e polimerização.
- A modelagem leva em conta a distribuição de tamanhos da fase dispersa, incluindo fenômenos de quebra e união de bolhas ou partículas, que variam no tempo e no espaço. Para isso, o software oferece os modelos S-Gamma e o A-MuSiG.
Método dos Elementos Discretos (DEM):
- O DEM é uma abordagem voltada para a modelagem precisa de partículas sólidas com diferentes tamanhos e formatos: esféricos, cilíndricos, cápsulas, além de aglomerados de partículas esféricas. Ideal para simulações onde a forma das partículas e suas colisões individuais influenciam diretamente o comportamento do escoamento, como em suspensões sólidas e processos de dissolução.
- Para contornar limitações de malha, o modelo conta com uma técnica que permite que o efeito das partículas seja suavizado em várias células, além de possibilitar a utilização de células menores para capturar corretamente a geometria e o escoamento.
Volume de fluido (VOF):
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- Utilizado para simular com precisão o comportamento de interfaces entre fluidos imiscíveis, sendo especialmente eficaz na representação de superfícies livres, como aquelas presentes em tanques de mistura sem defletores. Quando a interface entre as fases é bem definida, o VOF permite também prever formação de vórtices, formas da superfície livre e consumo de energia.
- A eficiência do modelo é ampliada pelo uso do Refino Adaptativo de Malha (AMR), que melhora a resolução das interfaces com menos células, reduzindo o tempo de simulação sem comprometer a precisão.
Análise de Resultados e Pós-processamento
Essa variedade de modelos físicos garante que cada tipo de fenômeno presente em um tanque de mistura, como aeração, suspensão de sólidos, emulsificação, dissolução, formação de vórtices ou reações em múltiplas fases possa ser modelado com o rigor necessário.
Complementando os recursos físicos, o STAR-CCM+ oferece uma estrutura poderosa para pós-processamento e análise de resultados.
As ferramentas visuais como renderizações volumétricas, linhas de fluxo, além de campos vetoriais e escalares, proporcionam uma melhor compreensão do comportamento do sistema.
Além disso, o usuário pode acompanhar a evolução da simulação em tempo real. A análise quantitativa é facilitada por ferramentas de plotagem, monitoramento de variáveis e geração de relatórios.
Automação e Otimização de Design
Um diferencial estratégico do software está na automação do fluxo de trabalho e na exploração inteligente de design.
Todas as etapas, desde a importação da geometria até a análise de resultados, são gerenciadas por uma interface unificada, que permite repetir simulações com diferentes parâmetros de forma extremamente prática.
Por meio de ferramentas de busca e otimização, é possível explorar múltiplas configurações de projeto, testando novas geometrias, regimes de operação e condições de contorno.
Aplicações do processo de otimização, como reduzir tempo de mistura, minimizar consumo energético ou maximizar homogeneidade podem ser inseridas no estudo em questão. Caso seja do interesse do usuário, estas estratégias de buscas podem ser aplicadas simultaneamente.
Estudos de Caso e Resultados Práticos
Estudos de caso previamente realizados reforçam a eficácia do software em aplicações práticas. Em uma simulação envolvendo o design de impelidores, o STAR-CCM+ foi capaz de reduzir em 50% a potência consumida mantendo o mesmo tempo de mistura, apenas variando dimensões e número dos principais componentes do tanque.
Em outro estudo, o controle sobre a taxa de aeração e velocidade do impelidor resultou em 32% de economia energética, mantendo os níveis ideais de oxigênio dissolvido presentes no escoamento.
Por fim, vale destacar que o Simcenter STAR-CCM+ reúne, em uma única e robusta estrutura, todos os recursos essenciais para a simulação CFD de tanques de mistura, independentemente da complexidade do projeto.
Desde a construção precisa da geometria e a geração de malhas refinadas para regiões críticas, até a modelagem multifásica avançada, simulação de transferência de calor e massa, reações químicas, avaliação de desempenho e otimização, tudo disposto de forma integrada, garantindo eficiência, precisão e total controle sobre o processo de simulação.
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