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Keywords:

  • impinging jets;
  • viscous mixing;
  • CFD

Abstract

The laminar flow in an impinging jet contactor is examined as a first step toward the development of new technology for fast mixing of viscous fluids. The flow, velocity, and stretching fields in an impinging jet contactor are quantified for low Reynolds number flow using three-dimensional numerical simulations and particle image velocimetry measurements. Computational and experimental velocity fields are in close agreement, as quantified by the velocity probability density functions. Two steady-state flow regimes are found to exist: for jet Reynolds numbers (Rej) < 10, the jets do not impinge and the velocity field scales linearly with Reynolds number; for Rej > 10, the jets begin to impinge and recirculation regions form above and below the impingement point. The magnitude of the rate-of-strain tensor is calculated as a function of Rej. While areas of essentially zero stretching occupy most of the flow domain, very high rates of stretching occur at specific locations in the flow. The maximum and average rates of stretching in the contactor increase roughly linearly as a function of Reynolds number. Mixing simulations show that no mixing occurs for the steady flow in a symmetric-jet contactor. However, mixing is improved substantially by a slight modification of the impinging jet geometry that disrupts geometric symmetry.

On examine l'écoulement laminaire dans un contacteur à jets entrant en collision comme première étape vers le développement d'une nouvelle technologie pour le mélange rapide de fluides visqueux. Les champs d'écoulement, de vitesse et d'étirement dans un contacteur à jets entrant en collision sont quantifiés pour un écoulement à faible nombre de Reynolds à l'aide de simulations numériques tridimensionnelles et de mesures de vélocimétrie par imagerie de particules. Les champs de vitesse calculés par ordinateur et expérimentaux sont quantitativement proches, tels que le montrent les fonctions de densité de probabilité de vitesse. On a trouvé qu'il existait deux régimes à l'état permanent: pour des nombres de Reynolds de jets (Rej) < 10, les jets n'entrent pas en collision et le champ de vitesse peur ětre extrapolé avec le nombre de Reynolds; pour Rej > 10, les jets commencent à se heurter et des régions de recirculation se forment audessous et sous le point d'impact. La grandeur du tenseur vitesse de déformation est calculée en fonction de Rej. Les zones d'étirement quasi nul occupent la plupart du domaine d'écoulement, mais de très grandes vitesses d'étirement existent à des endroits spécifiques. Les vitesses d'étirement maximales et moyennes dans le contacteur augmentent à peu près linéairement en fonction du nombre de Reynolds. Des simulations de mélanges montrent qu'aucun mélange ne se produit pour l'écoulement en régime permanent dans un contacteur à jets symétriques. Toutefois, le mélange est sub-stantiellement amélioré par une légére modification de la géométrie des jets qui romp la symétrie.