Turbulent jet mixing by feed flow into a storage tank

Sammanfattning

Fullständig blandning är en kritisk operativ och regulatorisk utmaning vid storskalig vätskelagring, särskilt vid blandning av blandbara vätskor med distinkta fysikaliska egenskaper. Denna avhandling undersöker fluiddynamiken mellan tröghetsdriven jetrörelse och flytkraftinducerad stratifiering i en delvis fylld industriell lagringstank. Vid drift under turbulent flöde är det ofta fallet att traditionella semi-empiriska blandningstidsmodeller misslyckas med att fånga de övergående sedimenteringsfaserna och den lokaliserade effekten av flytkrafter när aktiv pumpning upphör. Systematisk undersökning av dessa blandningsdynamiker gjordes inom COMSOL Multiphysics med hjälp av en 2D planär beräkningsdomän för att modellera de inkompressibla Navier-Stokes-ekvationerna kopplade till skalär transport. För att balansera beräkningsekonomi med fysisk noggrannhet implementerades en modifierad laminär lösare som använder effektiva dimensionslösa grupper, inklusive ett effektivt Reynoldstal och ett effektivt Peclettal, för att avbilda förbättrad turbulent momentum och massdiffusion. Slutligen löstes densitetsgradienten mellan de injicerade och ursprungliga bränslena med hjälp av Boussinesq-approximationen. En omfattande nätoberoendestudie fastställde att en "Extra Fine" rutnätskonfiguration, med 30000 rutnätselement, framgångsrikt undertryckte icke-fysiska advektiva skjuvlager samtidigt som beräkningseffektiviteten optimerades.Parametriska svep användes för att systematiskt studera inverkan av de effektiva Reynolds- och Richardson-talen och för att isolera de konkurrerande effekterna av jetstrålens tröghet och flytkraft. Baslinjesimuleringen, som representerar nominella driftsförhållanden vid VAROPreems anläggningen, visade att den horisontella jetstrålen initierar massiva motroterande virvlar och aktiv blandning. Den globala kinetiska energin som injiceras av jetstrålen försvinner under en 4-dagars sedimenteringsperiod. I avsaknad av konvektivt momentum återupprättar gravitationskrafterna dominansen, vilket får det täta bränslet att separera och leder till horisontell skiktning, där densiteten i det övre skiktet sjunker till 792 kg/m3, densiteten för den lätta dieseln. För att förbättra blandningen i tanken utvärderades olika geometriska munstycksmodifieringar. Beräkningsresultaten identifierar slutgiltigt en munstyckskonfiguration med dubbla vinklar som den optimala designen. Genom att dela det volymetriska flödet och luta injektionsstrålarna uppåt omorienteras den advektiva skjuvningen för att verka direkt mot den vertikala densitetsgradienten. Detta arrangemang stör fullständigt lokal ansamling och bevarar på ett hållbart sätt en vertikalt enhetlig koncentrationsprofil under hela den förlängda sedimentationsperioden, vilket erbjuder en noggrant validerad strukturell uppgraderingsstrategi för industriell bränsleblandning.