زمن المزج والمناطق الميتة في الخزان المقلّب

أداءُ الخزان المقلّب يأتي من نمط الجريان أكثر بكثير مما يأتي من سرعة المقلّب. فمقلّبان مختلفان يستهلكان القدرة نفسها قد يعطيان زمني مزج مختلفين تمامًا.

نوع المقلّب يحدد النمط

المقلّب بجريان قطري. يقذف الجريان إلى الخارج نحو الجدار، فيقسم الخزان إلى حلقة دوران عليا وأخرى سفلى. ويعطي قصًّا عاليًا — وهو جيد للتشتيت ولتوزيع الغاز. لكن التبادل بين الحلقتين ضعيف وقد يطول زمن المزج.

المقلّب بجريان محوري. يُنتج دورانًا واحدًا كبيرًا؛ والنقل عبر الخزان قوي. ويُفضَّل لتعليق المواد الصلبة وللتجانس.

والاختيار يتوقف على المطلوب: القص أم الدوران.

المناطق الميتة

ما يحدد زمن المزج عادةً ليس الدوران الرئيسي بل المنطقة الأبطأ تجددًا: زوايا القاع، وما تحت السطح مباشرة، وحول الغلاف المزدوج، وخلف الحاجز.

فهذه المناطق تطيل زمن المزج؛ وفي وجود تفاعل ينحرف التركيز الموضعي، وفي خزان مسخَّن تحدث سخونة موضعية مفرطة. ووجودُ منطقة ميتة لا يُرى من السرعة المتوسطة بل من توزيع أزمنة المكوث.

وتركيبُ الحواجز هو المعالجة الكلاسيكية: ففي خزان بلا حواجز يدور السائل مع المقلّب (فتتكوّن دوامة سطحية) ويكاد المزج الحقيقي يتوقف — تُستهلك قدرة ولا يُنجَز عمل.

أسوأ مع الموائع غير النيوتونية

في المائع المميّع بالقص تكون اللزوجة منخفضة قرب المقلّب وعالية بعيدًا عنه. وقد تكون النتيجة كهفًا دوّارًا حول المقلّب ومنطقةً شبه ساكنة خارجه. انظر ملاحظة الموائع غير النيوتونية.

النمذجة

تُحَلّ منطقةُ المقلّب بوصفها منطقة دوّارة. ويُقاس زمن المزج بحقن مادة اقتفاء وتتبّع تجانس التركيز — وهو مقدار يمكن قياسه في الميدان وحسابه في النموذج معًا، وهذا ما يجعله مناسبًا للتصديق.

وإذا كانت دوامة السطح الحر مهمة صارت المسألة متعددة الأطوار.

المراجع

1. Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6
2. Launder, B. E., Reece, G. J. & Rodi, W. (1975). Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure. Journal of Fluid Mechanics, 68(3), 537–566.