La performance d'une cuve agitée tient bien davantage au schéma d'écoulement qu'à la vitesse de l'agitateur. Deux mobiles différents absorbant la même puissance peuvent donner des temps de mélange tout à fait différents.
Le type de mobile fixe le schéma
Mobile à écoulement radial. Il projette l'écoulement vers l'extérieur, contre la paroi, divisant la cuve en une boucle de circulation haute et une basse. Il donne un fort cisaillement — bon pour la dispersion et la distribution de gaz. Mais l'échange entre les deux boucles est faible et le temps de mélange peut s'allonger.
Mobile à écoulement axial. Il produit une seule grande circulation ; le transport à travers la cuve est fort. Préféré pour la mise en suspension des solides et l'homogénéisation.
Le choix dépend de ce que l'on cherche : du cisaillement ou de la circulation.
Les zones mortes
Ce qui fixe généralement le temps de mélange n'est pas la circulation principale mais la région qui se renouvelle le plus lentement : les angles de fond, juste sous la surface, le long de la double enveloppe, derrière une chicane.
Ces régions allongent le temps de mélange ; en présence d'une réaction, la concentration locale dérive, et dans une cuve chauffée une surchauffe locale se produit. La présence d'une zone morte ne se voit pas à la vitesse moyenne mais à la distribution des temps de séjour.
Poser des chicanes est le remède classique : dans une cuve sans chicanes, le liquide tourne avec l'agitateur (un vortex se forme) et le vrai mélange s'arrête presque — on consomme de la puissance sans faire de travail.
Pire avec les fluides non newtoniens
Dans un fluide rhéofluidifiant, la viscosité est faible près du mobile et élevée loin de lui. Il peut en résulter une caverne en rotation autour du mobile, avec une région quasi immobile à l'extérieur. Voir la note sur les fluides non newtoniens.
Modélisation
La région du mobile est résolue comme une zone tournante. Le temps de mélange se mesure en injectant un traceur et en suivant l'homogénéisation de la concentration — une grandeur que l'on peut à la fois mesurer sur site et calculer dans le modèle, ce qui la rend commode pour la validation.
Si le vortex de surface libre compte, le problème devient multiphasique.
Références
- 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
- 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.