Estudio de campos de flujo en tanques de agitación con partículas usando CFD

Abstract

[ES] La demanda de productos alimentarios con partículas ha aumentado en las últimas décadas. Entre ellos, el yogur con trozos de fruta o cereales. Por ello, la industria alimentaria se enfrenta a importantes retos para ofrecer estos productos cumpliendo los requisitos de calidad. Tetra Pak crea entonces este proyecto para investigar y aumentar el conocimiento de cómo se comportan estas interacciones fluido-partícula. El objetivo principal de esta línea de trabajo es crear correctamente una buena mezcla y, por tanto, de distribución de partículas. Al hacerlo, el producto final puede tener la cantidad correcta de cereales dentro del yogur, por ejemplo. Este estudio desarrolla una metodología CFD para predecir el comportamiento de los flujos con partículas. Esta metodología se aplica en dos tanques a escala de producción con diferentes geometrías de agitadores. Los experimentos se llevan a cabo en los tanques para obtener datos de validación para comparar con las simulaciones. El estudio investiga las formas de modelar el movimiento prescrito del agitador (SM y MRF), y el uso de modelos RANS y URANS para predecir el comportamiento del flujo. El modelado de las partículas se realiza mediante el Lagrangian Coupled 1-Way Particle Tracking (LPT) y Discrete Element Modeling (DEM). Los resultados muestran que el modelo de turbulencia SST k-¿ es capaz de modelar el comportamiento del flujo. El movimiento prescrito puede modelarse utilizando una solución inicial calculada por MRF y continuando la simulación utilizando SM para capturar cierta inestabilidad. Los estudios sobre las partículas sugieren que el TPL 1WC no es totalmente recomendable cuando existe sedimentación. Los resultados del 1WC DEM ofrecen resultados más físicos. Sin embargo, ninguno de ellos es totalmente capaz de predecir los resultados obtenidos en los experimentos. Como objetivo secundario, se evalúan los dos agitadores de tanque. Los agitadores se denominan en este proyecto ViscoJet y Magnético. El ViscoJet presenta tanto en los experimentos como en las simulaciones resultados pésimos. Existe una carencia de movimiento de abajo hacia arriba y, por lo tanto, no se encuentra una buena mezcla y distribución de partículas. Por otro lado, el agitador magnético crea un mejor campo de flujo de abajo hacia arriba, pero la distribución de partículas sigue siendo deficiente.

[EN] The demand for food products with particles has increased in the last decades. Among them, yoghurt with fruit pieces or cereals can be found. Thus, the food processing industry is facing important challenges to offer these products to meet the quality requirements. Tetra Pak creates then this project to research and increases the knowledge of how these fluid-particle interactions behave. The main goal of this line of work is to correctly create good mixing and thus, particle distribution. By doing so, the final product can have the correct amount of cereals within the yoghurt, for example. This study develops a CFD methodology to predict the behavior of flows with particles. This methodology is applied on two production scaled tanks with different shapes and stirrer geometries. Experiments are conducted on the tanks to obtain validation data to compare with the simulations. The study investigates the ways of modeling the stirrer prescribed motion (SM and MRF), and the use of RANS and URANS models to predict the flow behavior. The particle modeling is conducted by 1-Way Coupled Lagrangian Particle Tracking (LPT) and Discrete Element Modeling (DEM). The implications of these models are assessed. The findings show that the turbulence model SST k¿¿ is able to model the flow behavior. The prescribed motion can be modeled using an initial solution computed by MRF and continuing the simulation using SM to capture some unsteadiness. The particle studies suggest that 1WC LPT is not fully recommendable when sedimentation exists. 1WC DEM results offer more physical results. However, none of them is fully capable to predict the results obtained in the experiments. As a side goal, the two tank stirrers are assessed. The stirrers are named in this project ViscoJet and Magnetic. The ViscoJet presents both in the experiments and in the simulations lousy results. A lack of bottom-to-top movement is predicted and therefore no good mixing and particle distribution are found. On the other side, the Magnetic stirrer creates a better bottom-to-top flow field, but the particle distribution is still poor.