Le prestazioni di un serbatoio agitato dipendono molto più dal campo di moto che dalla velocità della girante. Due giranti diverse che assorbono la stessa potenza possono dare tempi di miscelazione del tutto diversi.
Il tipo di girante fissa il campo di moto
Girante a flusso radiale. Scaglia il flusso verso l'esterno, contro la parete, dividendo il serbatoio in un anello di circolazione superiore e uno inferiore. Dà un taglio elevato — buono per la dispersione e la distribuzione del gas. Ma lo scambio fra i due anelli è debole e il tempo di miscelazione può allungarsi.
Girante a flusso assiale. Produce un'unica grande circolazione; il trasporto attraverso il serbatoio è forte. Preferita per la sospensione dei solidi e l'omogeneizzazione.
La scelta dipende da che cosa si vuole: taglio o circolazione.
Le zone morte
Quello che di solito fissa il tempo di miscelazione non è la circolazione principale ma la regione che si rinnova più lentamente: gli angoli di fondo, appena sotto la superficie, lungo la camicia, dietro un frangiflutti.
Quelle regioni allungano il tempo di miscelazione; in presenza di una reazione la concentrazione locale deriva, e in un serbatoio riscaldato si verifica un surriscaldamento locale. La presenza di una zona morta non si vede dalla velocità media ma dalla distribuzione dei tempi di permanenza.
Montare dei frangiflutti è il rimedio classico: in un serbatoio senza frangiflutti il liquido ruota insieme alla girante (si forma un vortice) e la miscelazione vera si ferma quasi del tutto — si consuma potenza e non si fa lavoro.
Peggio con i fluidi non newtoniani
In un fluido pseudoplastico la viscosità è bassa vicino alla girante e alta lontano da essa. Il risultato può essere una caverna rotante attorno alla girante, con una regione quasi ferma all'esterno. Vedi la nota sui fluidi non newtoniani.
Modellazione
La regione della girante si risolve come zona rotante. Il tempo di miscelazione si misura iniettando un tracciante e seguendo l'omogeneizzazione della concentrazione — una grandezza che si può misurare sul campo e calcolare nel modello, il che la rende comoda per la validazione.
Se il vortice a superficie libera conta, il problema diventa multifase.
Riferimenti
- 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.