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Keywords:

  • CFD;
  • stirred vessel;
  • radial flow impellers;
  • impeller models;
  • k − ε models;
  • RSM;
  • LES

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 turbulent à une phase dans les réacteurs à cuve agitée. Dans cette partie de l'examen, nous présentons les simulations de DFN de turbines à écoulement radial (principalement des turbines à disque (TD)) dans un réservoir entièrement cloisonné effectuées dans un régime turbulent. Les résultats des simulations obtenus grâce à différentes approches de modélisation des turbines (couche limite turbulente, méthode des référentiels multiples, snap-shot de modélisation numérique, maillage glissant) et à différents modèles de turbulence (modèle standard k-e, modèle RNG k-e, modèle aux tensions de Reynolds et simulation des grandes échelles) ont été comparés aux données expérimentales internes d'allocation de Dirichlet latente (ADL). De plus, les modifications des modèles standards k-e récemment proposées ont également été évaluées. Les prédictions du modèle (de toutes les vitesses moyennes, de l'énergie cinétique turbulente et de son taux de dissipation) ont été comparées aux données expérimentales relevées à 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 a été menée en utilisant la base de données LES. La comparaison quantitative des données exactes et modélisées de la production, du transport et de la dissipation de la turbulence a mis en évidence les raisons qui expliquent la réussite partielle de plusieurs modifications apportées au modèle standard k-e ainsi qu'au modèle aux tensions de Reynolds. L'intégrale de volume du taux de dissipation énergétique prévue a été comparée au taux d'intrant énergétique. Sur la base de ces résultats, d'autres études à venir dans ce domaine ont été suggérées.