Metodología de optimización numérica multi-objetivo y de simulación numérica de la interacción fluido-estructura del desempeño de un agitador con impulsor PBT variando ángulo, altura y velocidad de rotación utilizando ANSYS CFX, MECHANICAL y DESIGN EXPLORER

摘要

Los tanques agitadores son ampliamente utilizados en diferentes industrias, en donde laeficiencia de las operaciones de mezclado tiene un impacto tanto en los costos como enla calidad del proceso, si a esto se le añade que para poder mantener la competitividad enel mercado, el tiempo de desarrollo del producto debe ser el menor posible y a un bajocosto, por ese motivo es necesario optar por nuevas formas para realizar nuevos diseños.En muchas empresas fabricantes de gran envergadura, el uso software de optimizaciónse está convirtiendo en una herramienta ideal para conseguir estos objetivos.En este trabajo se utilizó las herramientas computacionales ANSYS CFX, MECHANICALy DESIGN EXPLORATION para realizar una metodología que permita realizar lasimulación numérica tanto a nivel de fluidos y estructural como para realizar laoptimización de un modelo de tanque agitador. Para la elaboración de este procedimientose optó por variar en un rango determinado ciertos parámetros geométricos y defuncionamiento.En el estudio fluido dinámico se trabajó tres fluidos: agua, metanol y aire, en donde losdos primeros se modelaron como “multicomponentes” es decir como fluidos miscibles,mientras que la interacción con el aire se modelo como “superficie libre”. Para esto, seutilizó el modelo de turbulencia SST (Shear Stress Transport), el cual demostró en unestudio anterior ser el que más se ajusta al ser contrastado con resultadosexperimentales, además se empleó los modelos de “marco de referencia móvil (MRF)” yde “Frozen Rotor” para tratar la interacción entre las partes móviles (rotor) y partesestáticas (tanque y deflectores). Para el análisis estructural se utilizó la metodología deinteracción fluido-estructura (FSI) del tipo “unidireccional (one-way)” para determinar losesfuerzos y deformaciones en cada diseño. Finalmente, se utilizó el método de lasuperficie de respuesta (RSM) como base para la optimización, donde se utilizó unalgoritmo estocástico (MOGA) como buscador de soluciones óptimas en el modelo deltanque agitador parametrizado, el cual consta de tres variables de entrada (ángulo dealabe, altura de impulsor y velocidad de rotación) y dos funciones objetivos: maximizargrado de mezcla y minimizar la potencia consumida.El presente estudio demuestra que la velocidad y el ángulo son los parámetros másincidentes en las funciones objetivas mencionadas anteriormente y que al variar estosparámetros se pueden obtener mejoras significativas en los resultados. En este estudio enparticular se encontró que el ángulo de 60 grados y una altura de 300mm con respecto altanque, mejora en un 8% y 36% el consumo de potencia y grado de mezclarespectivamente, para las configuraciones del tanque dadas.