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Keywords:

  • computation fluid dynamics;
  • particle image velocimetry;
  • stirred tank;
  • CFD validation

Abstract

Methods for validating CFD simulations based on the Reynolds Average Navier-Stokes equation (RANS) against Particle Image Velocimetry (PIV) measurements are investigated and applied to one of the most common problems in the chemical process industry — the prediction of flow field in a stirred vessel. A total of 1024 sequential instantaneous 2D velocity fields along the central axial plane of a stirred vessel with a P-4 axial impeller are obtained through PIV measurement. From the PIV data, the mean velocity, turbulent kinetic energy, Reynolds stresses and dissipation rate fields are extracted. By introducing several tools to quantify the similarities and differences between two-dimensional fields, CFD predictions of the flow field are validated against PIV data. Furthermore, using PIV and LDV data, the effect of boundary conditions on CFD simulation results is examined. The effect of different Reynolds stress closures on the flow prediction is also studied.

Des méthodes de validation de simulations numériques (CFD) d'écoulements turbulents représentés par l'équation de Navier-Stokes modifié (Reynolds-Average Navier Stokes) comparées à des mesures de vélocimétrie par imagerie de particules (PIV), sont étudiées et appliquées à l'un des problèmes les plus fréquents de l'industrie chimique — la prédiction du champ d'écoulement dans un réservoir agité. Au total, 1024 champs de vitesse 2D instantanés séquentiels le long du plan axial central d'un réservoir agité muni d'une turbine axiale P-4, sont obtenus par des mesures de PIV. De ces mesures sont extraits la vitesse moyenne, l'énergie cinétique turbulente, les contraintes de Reynolds et les taux de dissipation. En introduisant plusieurs outils pour quantifier les similtudes et différences entre des champs bidimensionnels, les prédictions numériques du champ d'écoulement sont validées par comparaison à des données de PIV. En outre, à l'aide de données de PIV et de LDV, l'effet des conditions limites dans les simulations numériques est examiné. L'effet de différentes conditions de fermeture des contraintes de Reynolds sur la prédiction des écoulements est également étudié.