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Il semplice principio di funzionamento, nasconde la vera complessità del movimento dell’aria all’interno del ciclone. Questo è caratterizzato da alti livelli di turbolenza, forte anisotropia e un flusso d’aria instabile e vorticoso.
La mancanza di una teoria stabile sul movimento dei fluidi all’interno di un ciclone ad aria, tende a favorire modifiche incrementali dei progetti esistenti e/o una costosa prototipazione fisica. La fluidodinamica computazionale (CFD) può essere usata per avere una migliore comprensione dell’intricata struttura del campo di flusso del ciclone ed aiutare i progettisti a capire caratteristiche importanti, come la resistenza idraulica, la stabilità del vortice centrale e l’efficienza del ciclone, intesa come grado di purificazione dell’aria. Ovviamente, l’utilità di tali risultati dipende dalla fiducia che può essere riposta nello strumento CFD per una data applicazione. Simcenter FloEFD affronta questo problema, cercando continuamente benchmark industriali o dati sperimentali adatti al confronto.
Lo studio
Questo studio è particolarmente interessante, perché il modello di turbolenza k-ε è generalmente considerato non adatto al flusso vorticoso, il quale ovviamente gioca un ruolo rilevante in un ciclone. Fornisce quindi un eccellente set di dati con cui giudicare il modello di turbolenza migliorato k-ε di FloEFD.
Sono presi in considerazione due esperimenti separati: il primo si riferisce a un ciclone Stairmand High Efficiency , il secondo a un ciclone con un bidone di raccolta (vedi Figura 1 e 2).
Figura 1. Design del ciclone Stairmand HE: 1) parte cilindrica; 2) parte conica; 3) tubo di uscita; 4) tubo di ingresso; 5) espulsione; 6) espulsione della polvere; 7) linee di corrente Figura 2. Distribuzione della velocità nel ciclone
Oltre alla mancanza di un contenitore di raccolta, il ciclone Stairmand HE si differenzia per la mancanza di un dispositivo di raddrizzamento del flusso alla fine del tubo di uscita. Al di là delle considerazioni geometriche, i due set di dati sperimentali aiutano a evidenziare aspetti diversi della fisica di questi dispositivi, permettendo quindi di valutare una ampia gamma di risultati FloEFD. Il confronto con i dati del ciclone Stairmand fornisce un buon punto di riferimento su come FloEFD gestisca il differenziale di pressione tra l’ingresso e l’uscita. Il ciclone Lorenz con i dati del bidone di raccolta permette una valutazione dell’accuratezza di Simcenter FloEFD nella simulazione del movimento e l’assestamento delle particelle di vari diametri.
Ciclone Stairmand HE
Sono state considerate varie condizioni operative del ciclone, coprendo velocità di ingresso di 5-25m/s. Il confronto delle previsioni FloEFD con i risultati sperimentali (Figura 4) mostra un eccellente correlazione per la caduta di pressione calcolata tra l’ingresso e l’uscita.
Figura 3. Dipendenza della resistenza idraulica del ciclone Stairmand HE dalla velocità dell’aria all’ingresso del ciclone
Figura 4. Dipendenza della resistenza idraulica dP del ciclone con bidone sulla portata Ԛ a varie temperature del gas
Ciclone Lorenz con bidone di raccolta
I dati sperimentali per un ciclone con bidone di raccolta si distinguono per una grande varietà di condizioni e temperature. Inoltre, la valutazione dell’efficienza del ciclone tramite Simcenter FloEFD è eseguita attraverso la simulazione del movimento delle particelle e della loro sedimentazione. Per fare questo, vengono iniettate, attraverso la sezione di ingresso, 500 particelle di diametro noto, per una data gamma di diametri. La traiettoria di ogni particella viene poi tracciata: l’efficienza del ciclone si determina come il rapporto tra il numero di particelle catturate e il numero di particelle rilasciate, per ogni dimensione assegnata.
Anche in questo caso, il primo passo è stato quello di confrontare le previsioni della resistenza idraulica con il dataset sperimentale, per una gamma di portate assegnate. Il dataset sperimentale includeva punti anche al variare della temperatura del gas, anche questi calcolati da Simcenter FloEFD, (Figura 4). Per questa geometria del ciclone, così come per la precedente, i risultati mostrano un’eccellente correlazione tra l’esperimento e la simulazione.
L’errore massimo alle temperature più alte, a 850°C, è poco più del 10%. In pratica, i flussi di gas nei cicloni raramente superano i 400°C. L’efficienza calcolata del ciclone è mostrata nella Figura 5. Poiché il flusso in un ciclone è instabile, la probabilità di caduta delle particelle per ogni diametro è stata calcolata facendo la media dei risultati di cinque scarichi di particelle. Le barre verticali in ogni punto rappresentano la probabilità massima e minima di drop-out di una particella con un determinato diametro su cinque scariche di particelle. Mentre le curve del ciclone calcolate hanno un gradiente leggermente più ripido rispetto ai dati sperimentali, l’accordo tra Simcenter FloEFD e il dataset è molto buono, in particolare sotto i 200°C.
Figura 5. Dipendenza del grado di purificazione del gas ƞ dalla dimensione delle particelle a varie temperature del gas a 60 m3 /h di portata del ciclone
Conclusioni
Questo lavoro dimostra che il modello di turbolenza modificato k-ε usato in Simcenter FloEFD è adatto ai flussi altamente vorticosi. Considerando il basso costo computazionale associato a Simcenter FloEFD (la griglia più grande è stata generata per il caso del ciclone con bidone di raccolta, che è arrivato solo a 380.000 celle) è chiaro che Simcenter FloEFD può offrire molto agli ingegneri e ai progettisti coinvolti nella progettazione di tali sistemi.
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