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CFD simulation of stirred tanks: Comparison of turbulence models (Part II: Axial flow impellers, multiple impellers and multiphase dispersions)

Authors

  • Jyeshtharaj B. Joshi,

    Corresponding author
    1. Department of Chemical Engineering, Institute of Chemical Technology, Matunga, Mumbai 400 019, India
    2. Homi-Bhabha National Institute, Trombay, Mumbai 400 094, India
    • Department of Chemical Engineering, Institute of Chemical Technology, Matunga, Mumbai 400 019, India.
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  • Nandkishor K. Nere,

    1. Department of Chemical Engineering, Institute of Chemical Technology, Matunga, Mumbai 400 019, India
    2. Global Pharmaceutical R and D, Abbott Laboratories, 1401 N Sheridan Rd, North Chicago, IL 60064, U.S.A.
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  • Chinmay V. Rane,

    1. Department of Chemical Engineering, Institute of Chemical Technology, Matunga, Mumbai 400 019, India
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  • B. N. Murthy,

    1. Department of Chemical Engineering, Institute of Chemical Technology, Matunga, Mumbai 400 019, India
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  • Channamallikarjun S. Mathpati,

    1. Department of Chemical Engineering, Institute of Chemical Technology, Matunga, Mumbai 400 019, India
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  • Ashwin W. Patwardhan,

    1. Department of Chemical Engineering, Institute of Chemical Technology, Matunga, Mumbai 400 019, India
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  • Vivek V. Ranade

    1. Chemical Engineering and Process Development Division, National Chemical Laboratory, Pune 411 008, India
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Abstract

In the first part of the review, published literature regarding the CFD modelling of single-phase turbulent flow in stirred tank reactors with radial flow impellers was critically analysed. A brief overview of different turbulence models (standard k − ε model, RNG k − ε model, the Reynolds stress model and large eddy simulation) as well as impeller baffle interaction models has been presented in the previous part. This part is concerned with the review of literature regarding CFD simulation of axial flow impellers. Comprehensive simulations have been carried out using various turbulence models and 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. The strengths and weaknesses of various turbulence models for axial flow impellers is presented. 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 Reynolds stress model. Literature efforts on multiple impeller systems and multiphase systems have been discussed in a separate section. Based on these results, suggestions have been made for the future work in this area.

Abstract

Dans la première partie de l'étude, on a procédé à une analyse critique de la littérature concernant la modélisation de la dynamique des fluides numérique de l'écoulement turbulent à une phase dans les réacteurs à cuve agitée dotés de turbines à écoulement radial. Une vue d'ensemble rapide des différents modèles de turbulence (modèle standard k-e, modèle RNG k-e, modèle aux tensions de Reynolds et simulation des grandes échelles), ainsi que des modèles d'interaction des déflecteurs de turbine, a été présentée dans la partie précédente. Cette partie se concentre sur l'analyse de la littérature concernant la simulation de DFN de turbines à écoulement axial. Des simulations complètes ont été effectuées en utilisant plusieurs modèles de turbulence et les prédictions des modèles (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. On a présenté les points forts et les points faibles de plusieurs modèles de turbulence concernant les turbines à écoulement axial. 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. Une partie distincte est consacrée à la discussion des résultats indiqués dans la littérature concernant les systèmes à roues multiples et les systèmes multiphases. Sur la base de ces résultats, des études à venir dans ce domaine ont été suggérées. © 2011 Canadian Society for Chemical Engineering

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