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Oct 18, 2023

Conception et évaluation de fabrication additive inclinée à haut rendement

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 19477 (2022) Citer cet article

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Nous développons un nouveau mélangeur à l'échelle millimétrique (unité de mélange à ailes inclinées, unité TWM) basé sur la conception pour la fabrication additive (DfAM). Le mélangeur à ailes inclinées proposé a essentiellement été conçu pour avoir trois ailes séparées qui séparent et combinent les fluides afin de les mélanger efficacement. Sa structure est simple pour une fabrication facile : deux paramètres de conception majeurs d'angle entre trois ailes et l'angle de connexion entre l'unité inclinée, qui sont optimisés à l'aide de l'analyse de dynamique des fluides computationnelle (CFD). À partir de l'analyse CFD, nous obtenons le module de mélange le mieux combiné à partir d'analyses de diverses combinaisons d'unités TWM pour un rapport de mélange très efficace. Le rapport de mélange des trois unités combinées atteint près de 100 %, ce qui est validé par l'expérience et l'analyse. Nous pensons que le mélangeur proposé à l'échelle millimétrique peut être utilisé dans divers mélangeurs et réacteurs chimiques continus pour minimiser l'utilisation de produits chimiques qui peuvent polluer l'environnement.

Le mélange de fluides est un processus important dans le génie chimique1,2, le génie alimentaire3, l'électronique, l'exploitation minière4 et autres. Jusqu'à présent, de nombreuses études ont été menées pour améliorer l'efficacité du rapport de mélange avec diverses conceptions de mélangeurs3,4. Comme l'avancement de divers domaines industriels et les problèmes environnementaux sont soulevés, le processus de mélange de produits chimiques nécessite des performances élevées ainsi qu'une faible pollution et sécurité2,3,4,5,6,7. Par exemple, le PPO (oxyde de polyphénylène) est l'un des matériaux clés des antennes de communication de cinquième génération (5G) avec de bonnes performances électriques, une faible perte diélectrique et une faible variation des performances diélectriques avec une large gamme de fréquences. Cependant, lorsque le PPO est mélangé à l'aide d'un mélangeur de type discontinu, qui est généralement adopté dans les usines chimiques en raison de son faible coût de production, il existe un risque d'explosion et il est difficile d'obtenir un rendement élevé de mélange8. Pour résoudre les limites des mélangeurs discontinus, de nombreux travaux de recherche ont été rapportés sur les mélangeurs continus en raison des performances de mélange élevées, de la sécurité, de la facilité de contrôle, de l'évolutivité et de la faible génération de polluants par rapport aux caractéristiques des mélangeurs discontinus9,10. .

Un mélangeur continu a certaines conditions de processus telles que le nombre de Reynolds (Re), le type de fluide et la quantité de débit de fluide. En fonction des conditions de mélange, divers mélangeurs continus ont été proposés ; mélangeur chaotique11, mélangeur à surface minimale triplement périodique (TPMS)12, mélangeur à tissage horizontal et vertical (HVW)13 et Kenics14. En particulier, le mélangeur à structure en treillis (LSM) a reçu beaucoup d'attention en raison de son efficacité de mélange élevée par rapport à sa longueur. Il se compose généralement de barres ou de tiges complexes qui se croisent (normalement dix ou plus), et le fluide se mélange lorsqu'il traverse une structure en treillis. Par conséquent, la forme et la structure conçues du LSM affectent les performances de mélange. La conception conceptuelle du LSM a été proposée pour la première fois par Sulzer dans les années 1960, où plusieurs barres à l'intérieur du mélangeur effectuent la division et la recombinaison de Baker pour effectuer le mélange des fluides15. Le LSM peut être conçu pour avoir une large gamme de Re allant de dizaines à des milliers de débits de fluide en modifiant le nombre et la dimension des barres pour contrôler le rapport de mélange.

Depuis le premier développement du LSM, l'augmentation du rapport de mélange et l'élargissement du champ d'application ont été l'objectif principal de nombreux chercheurs. Arimond et al. ont réalisé une analyse de mélange dans le domaine des mélangeurs passifs à l'aide d'un mélangeur de type Kenics16, et Fradette et al. ont effectué une analyse de flux pour un mélangeur à base de réseau17. Pianko-Oprych et al. ont effectué une analyse de mélange pour un écoulement diphasique et ont montré l'effet d'une structure de mélangeur en utilisant la dynamique des fluides computationnelle (CFD)18, et Li et al. ont étudié l'analyse d'écoulement de liquides non newtoniens pour élargir les applications du LSM19,20. Rauline et al. ont comparé les performances de plusieurs mélangeurs en utilisant l'analyse CFD21, et Zalc et al. ont élucidé le principe du mélange dans le LSM par distribution de vitesse22. Heniche et al.23 et Liu et al.24 ont étudié le rapport de mélange du LSM en fonction de la forme d'une structure unitaire. Ghanem et al. résumé des études précédentes et compilé les caractéristiques de forme, les principes de mélange et les domaines d'application du LSM25. Hirschberg et al. effectué un changement de forme pour réduire l'accumulation de pression du LSM26, et Shahbazi et al. ont tenté d'optimiser la forme des LSM à l'aide d'un algorithme génétique27.

Cependant, malgré les performances élevées du LSM, de nombreuses tiges à petite échelle se croisent à l'intérieur du LSM, ce qui rend difficile sa fabrication23,24. Pour résoudre le problème de fabrication, nous utilisons le processus de fabrication additive (AM) pour fabriquer un mélangeur hautement performant, et l'analyse CFD est utilisée pour optimiser les paramètres de conception dans le mélange liquide-liquide. Avec les progrès récents de la technologie des processus de fabrication additive (FA)28,29,30,31,32, de nombreux chercheurs se sont concentrés sur le processus de fabrication additive dans un mélangeur statique. Cependant, de nombreux chercheurs ont conçu des formes simples comme une unité de mélangeur à canaux combinés avec une forme en Y ou un canal de recombinaison divisé32,33. En outre, le mélangeur de type LSM largement utilisé conçu en tenant compte du processus AM n'est pas populaire34,35. Par conséquent, dans ce travail, nous concevons à nouveau le LSM avec une forme plus simple et des performances plus élevées dans le mélange du même fluide visqueux à l'aide du mélangeur pour un petit tube commercial (6,35 mm). Il s'agit essentiellement d'une structure unitaire composée de trois ailes inclinées pour un fractionnement et une combinaison efficaces.

Afin de valider le mélangeur proposé, nous avons mené des expériences et comparé les résultats expérimentaux et analytiques. Pour la visualisation, un fluide (le type de peinture) avec une viscosité relativement élevée (3000 mPa s) a été utilisé dans l'expérience, mais il se trouve également dans la région d'écoulement laminaire. Dans ce travail, l'ensemble des processus a été décrit, de la conception du concept du mélangeur à l'optimisation de la conception, au processus DfAM et aux résultats des tests en utilisant celui fabriqué. Le contenu de cet article est le suivant ; "Conception du mélangeur continu à aile inclinée (TWM)". Conception et validation de l'unité de mélange en tenant compte du processus AM ; "Optimisation du module TWM-FWM". Sélection des variables de conception et optimisation du module de mélange suggéré ; "Expériences et discussion". Fabrication d'échantillons à l'aide de la FA et validation des résultats CFD.

Dans cette étude, les performances de mélange du mélangeur ont été évaluées à l'aide de CFD. Les multiples phénomènes physiques tels que le flux laminaire, le flux de paroi, la turbulence et le mélange doivent être pris en compte pour le modèle CFD du processus de mélange. En particulier, pour évaluer le rapport de mélange d'un mélangeur, il est nécessaire de tracer la fraction volumique de chaque fluide. Flow-3D (Flow Science Inc., USA), spécialisé dans l'analyse du volume de fraction (VOF)32,33, a donc été utilisé pour effectuer des analyses de mélange.

L'analyse a été effectuée sur la base de l'Eq. (1) qui sont les équations de l'équation continue du fluide incompressible ; et Éq. (2) c'est-à-dire l'équation de conservation de la quantité de mouvement d'un fluide incompressible compte tenu des fluides turbulents ; et Éq. (3), qui décrit un écoulement diphasique ; et Éq. (4), qui exprime la technique VOF. Dans ces équations, \(\overrightarrow{\mathrm{v}}\) est la vitesse moyenne, \(\mathrm{P}\) est la pression, \(\uprho\) est la densité du fluide, \( \mathrm{g}\) est l'accélération gravitationnelle, \(\upmu\) est le coefficient visqueux, \(\mathrm{f}\) est la fraction volumique, \(\overrightarrow{{\mathrm{v}}_ {1}}\) est la vitesse du fluide 1, \(\overrightarrow{{\mathrm{v}}_{2}}\) est la vitesse du fluide 2, et \(\overline{\overrightarrow{\mathrm {v}}\overrightarrow{\mathrm{v}}}\) est la contrainte turbulente. \(\mathrm{f}\) a toujours une valeur comprise entre 0 et 1. \(\mathrm{f}=0\) signifie qu'aucun fluide n'existe dans une zone, et \(\mathrm{f}=1\) indique qu'un fluide existe dans toute une zone. Bien que le Re du mélangeur ciblé dans cet article soit de 625, ce qui se situe dans la plage d'écoulement laminaire, un écoulement turbulent local peut se produire en raison de la structure interne. Par conséquent, le modèle de turbulence \(\mathrm{k}-\upomega\) a été adopté36,37.

Comme le montre la figure 1a, la géométrie du canal du modèle d'analyse était en forme de Y avec deux entrées et une sortie. Et les diamètres des pièces d'entrée étaient de 1/8 po (3,18 mm), et la partie de sortie était de 1/4 po (6,35 mm), et l'angle entre les deux entrées était de 90°. Dans ce canal, un modèle de base doté d'un module mélangeur à trois ailes plates (FWM) a été placé sur le canal. L'épaisseur et la longueur totale de la structure de mélange insérée sont de 0,5 mm et 12 mm chacune, et la largeur des trois ailes plates est également de 1/12 po (2,12 mm) à l'échelle millimétrique. Comme illustré dans le module de mélange FWM de la figure 1a, deux unités agencées (unités de mélange ⓐ, ⓑ) sont placées par paires, et chaque unité est tournée à un angle de 90°. La rotation entre chaque unité sert à améliorer les performances de mélange27,32.

Condition d'analyse du mélange. (a) Conditions aux limites et géométries de l'analyse de mélange. Le modèle d'analyse de base consistait en deux entrées (chaque diamètre de 3,18 mm) et 1 sortie (diamètre de 6,25 mm) avec un module de mélange à ailes plates (module FWM) placé et (b) les résultats de la convergence du maillage en fonction de diverses conditions de maillage à point α représenté en (a); condition de convergence est le nombre de mailles supérieur à 5 × 105.

Les conditions aux limites pour l'analyse mixte ont été présentées sur la Fig. 1a, la pression de sortie (qui signifie limite continue dans FLOW-3D) à la sortie a été sélectionnée et le frottement de la paroi négligé. Le modèle d'analyse a une accélération gravitationnelle dans la direction z. Compte tenu de la taille du modèle de mélange, la zone d'analyse a été fixée à 8 × 20 × 40 mm (direction x × y × z). Le mur a été supposé être dans un état antidérapant, et les effets du transfert de chaleur et de la rugosité de surface ont été ignorés. La taille de la zone d'analyse dans la direction z a été modifiée de manière appropriée en fonction du nombre d'unités de mélange. Pour vérifier la qualité du maillage, une analyse a été effectuée dans différentes conditions de maillage sur la base des conditions d'analyse ci-dessus. Il a été supposé que les deux fluides mixtes (Fluide 1, 2) avaient les propriétés matérielles de l'eau (viscosité et densité de 1000 kg/m3 et 1 mPa s, respectivement, ont donc une excellente compatibilité) et la tension superficielle est ignorée. Et le débit de chaque entrée était de 0,1 L/min.

Par conséquent, l'écoulement du canal a Re de 668 qui est une région d'écoulement laminaire. Comme le montre la Fig. 1b, il a été confirmé qu'au même point α à la Fig. 1a (sortie) convergeait à un nombre de mailles de 5 × 105 ou plus en régime permanent. Par conséquent, une taille de maille de 5 × 105 a été choisie pour tenir compte du temps d'analyse.

Un mélangeur passif continu général à l'échelle millimétrique réalise le mélange en pliant et en étirant les fluides en les divisant et en les recombinant. C'est ce qu'on appelle le processus de pliage de Baker38. De même, en raison de la géométrie du FWM, une division et une recombinaison du flux se produisent pour obtenir un mélange (Fig. 2a). Dans le mélange à deux fluides, avec un fluide passant par le FWM, le schéma de mélange selon CFD dans la section transversale du canal est illustré en ①, ②, ③ et ④ sur la Fig. 2a26,27,32,34. La couleur de la section signifie fraction volumique de mélange, qui est le rapport du volume occupé par chaque fluide et du volume de la maille unitaire.

Mécanisme de mélange et forme de l'unité de mélange. (a) Mécanisme de mélange pour l'unité FWM et la section ; le contour coloré de la section montre une fraction volumique de mélange. Le processus de pliage de Baker (division et recombinaison) est effectué en raison de la turbulence causée par les ailes de l'unité de mélange, et (b) cocrison des performances de mélange de l'unité FWM et de l'unité d'aile inclinée (unité TWM), qui a \({\theta} _ {T}\) (degré entre les ailes inclinées) pour augmenter la fonction de recombinaison afin d'améliorer les performances de mélange.

Pendant le passage parallèle à deux fluides de la première unité FWM, la section ① montre que le fluide 1 passe l'aile centrale et la section ② affiche que le fluide 1 s'écoule des parties centrales de l'aile vers la section latérale de l'aile et génère un vortex. Contrairement aux flux de fluide-1 et de fluide-2 dans la direction opposée (de l'aile latérale à l'aile centrale) comme illustré dans LSM26,27,32,39. Il s'agit de deux tourbillons rotatifs qui provoquent la séparation du fluide et créent un pliage basé sur deux axes de pliage sur la figure 2a et se recombinent pendant la rotation. De même, alors que le mélange traverse le deuxième FWM, la division et la recombinaison du mélange se produisent en générant quatre axes de repliement17,25,27,32.

Compte tenu du mécanisme de mélange décrit ci-dessus, les performances de mélange de l'unité FWM peuvent être améliorées en faisant tourner les ailes latérales, comme illustré dans l'unité de mélangeur à ailes inclinées (TWM) de la figure 2b. Dans ce travail, un mélangeur à ailes latérales inclinées est appelé TWM pour le distinguer de FWM, l'angle de positionnement entre deux ailes inclinées est θT. L'aile inclinée induit un écoulement dans le sens transversal et renforce la fonction de recombinaison. Pour confirmer le mécanisme de mélange de l'unité TWM, les schémas d'écoulement des types de base d'unités FWM et d'unités TWM ont été comparés. La figure 3 montre la distribution de vitesse au niveau des sections de l'unité FWM et de l'unité TWM. Dans les sections A – A ', pour l'unité TWM, un écoulement directionnel transversal à plus grande vitesse se produit devant l'aile inclinée. Comme le montre la figure 3, cela induit un élargissement d'environ 47% de la zone à haute vitesse dans l'unité TWM par rapport à l'unité FWM au centre du canal dans la section-B '. Et cette grande zone centrale à grande vitesse signifie que l'unité TWM peut renforcer le mélange des fluides en augmentant la recombinaison des fluides par le biais d'un écoulement directionnel transversal.

Distribution de vitesse de l'unité FWM et de l'unité TWM ; en comparant chaque section ② de l'unité FWM et de l'unité TWM, une zone à haute vitesse apparaît dans la partie médiane de l'unité TWM (47 % plus grande que celle de l'unité FWM). Cela signifie que l'unité TWM a une fonction de recombinaison plus élevée que l'unité FWM.

Pour vérifier l'effet du TWM sur la conception du module de mélange, les performances de mélange de celui-ci doivent être évaluées quantitativement. En particulier, comme mentionné ci-dessus, le module FWM a couplé deux unités FWM qui ont 90° entre chaque unité. Par conséquent, il est nécessaire de mélanger les performances des modules appariés des unités FWM et TWM.

Les performances de mélange peuvent être évaluées par quantification à l'aide de l'écart type de la fraction volumique de mélange (\({\upsigma}_{\mathrm{VF}}\)) dans l'équation. (5)38,39. La fraction volumique peut être appelée la concentration de chaque fluide. Par conséquent, \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) signifie un écart type de concentration, qui est directement lié aux performances de mélange. Cela signifie que \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) peut être utilisé comme indice pour quantifier les performances de mélange. Le processus de calcul de \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) est le suivant. Dans l'éq. (5), \({\mathrm{N}}_{\mathrm{t}}\) est le nombre de points de mesure (nœuds), \({\mathrm{C}}_{\mathrm{i}} \) est la fraction volumique du fluide 1 au ième point, et \({\mathrm{C}}_{\mathrm{moyenne}}\) est la moyenne de la fraction volumique de tous les points. Plus \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) est proche de 0, meilleures sont les performances de mélange car chaque fluide est présent dans une proportion similaire au volume unitaire.

Considérant l'unité FWM et l'unité TWM, il existe quatre combinaisons : FWM-TWM (module combiné avec l'unité FTM à l'avant et l'unité TWM à l'arrière), TWM-FWM, FWM-FWM et TWM-TWM. Le \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) de chaque combinaison au niveau de la partie de sortie est répertorié dans le tableau 1. Sur la base du tableau 1, deux observations peuvent être faites. Tout d'abord, lorsque l'unité TWM est placée à l'avant, le rapport de mélange augmente (comparez la section ⑤ de FWM-FWM et TWM-FWM), et lorsque TWM est placé à l'arrière, le rapport de mélange diminue (comparez la section ⑤ de FWM-FWM et FWM -TWM). En effet, l'unité TWM améliore la recombinaison des fluides plutôt que la séparation des fluides. Deuxièmement, le rapport de mélange de l'unité TWM diminue immédiatement après le mélange, mais il s'améliore à une certaine distance du mélangeur (comparer la section④ de FWM-FWM, TWM-TWM et la section⑤ de FWM-FWM, TWM-TWM). Ceci est la preuve que l'écoulement dans le sens transversal se produit à cause de l'unité TWM.

Pour vérifier le mécanisme et la conception de la structure de mélange, les schémas de mélange de FWM-TWM et TWM-FWM ont été comparés, comme le montre la Fig. 4. Dans la Fig. 4, la couleur de la partie transparente où la ligne de courant apparaît indique le flux vitesse, et la zone rouge dans les coupes transversales de la Fig. 4 indique la zone entièrement occupée par le fluide 1, et la zone bleue indique la zone entièrement occupée par le fluide 2. Si les zones rouges et bleues sont mélangées, le jaune ou le vert la superficie augmente. Les valeurs indiquées ci-dessous pour chaque section représentent le \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) évalué pour chaque section. Comme mentionné ci-dessus, par rapport à l'unité FWM, l'unité TWM augmente le débit de la direction transversale et de la zone à grande vitesse, ce qui améliore les performances de mélange. Cependant, comme le montre la Fig. 4, juste derrière l'unité TWM, une "zone faible" est formée. Dans cette zone, le mélange n'est pas bien effectué car la quantité de mouvement n'est pas transmise. Cette zone faible peut également être confirmée par le fait que la ligne de courant apparaît à peine immédiatement après l'unité TWM ("Dilute Streamline" sur la Fig. 4). Par conséquent, le module FWM-TWM, qui est une unité TWM, est placé à l'arrière et les performances de mélange sont inférieures à celles du module FWM-FWM. Cependant, le module TWM-FWM a un meilleur rapport de mélange que le module FWM-FWM, ce qui signifie que l'unité FTM placée à l'arrière supprime la zone faible de l'unité TWM. En d'autres termes, bien que l'unité TWM augmente les performances de mélange dans une certaine zone, il y a une limite à l'amélioration car une zone faible est partiellement générée derrière l'unité TWM. Cependant, l'unité FWM derrière l'unité TWM supprime la zone faible. C'est pourquoi les meilleures performances de mélange sont obtenues avec le module TWM-FWM. En conséquence, le module TWM-FWM a été sélectionné comme combinaison optimale du module de mélange. La forme du module TWM-FWM est optimisée dans "Optimisation du module TWM-FWM".

Rationalise et mélange les performances du module FWM-TWM (combinaison de l'unité FWM à l'avant et de l'unité TWM à l'arrière) et du module TWM-FWM ; un écoulement dans le sens transversal se produit dans l'unité TWM. Par conséquent, en plaçant l'unité TWM à l'arrière, les performances de mélange augmentent de 16 % dans le mélangeur avec le module TWM-FWM.

Les variables de conception pour le module TWM-FWM, y compris le TWM, étaient les suivantes : premièrement, l'angle entre les parties d'aile de l'unité TWM (θT), deuxièmement, le rapport de largeur de l'aile latérale (α) et la demi-largeur de l'aile centrale (β) de l'unité FWM et de l'unité TWM (rapport de largeur). Ensuite, le rapport de mélange en fonction du nombre de modules a été évalué pour le module TWM-FWM optimisé.

Comme expliqué dans "Conception d'un mélangeur continu à aile inclinée (TWM)", le θT conduit à la génération d'une quantité de mouvement dans la direction transversale, mais une zone faible est également générée. Il est donc nécessaire de générer simultanément une zone faible appropriée qui peut suffisamment distribuer le flux vers l'unité FWM et une impulsion élevée dans la direction transversale à travers un θT approprié pour qu'un rapport de mélange élevé soit réalisé. En conséquence, une analyse du module TWM-FWM avec divers θT a révélé que \({\upsigma}_{\mathrm{VF}}\) était de 0,0804 pour θT à environ 115 °, montrant le rapport de mélange minimum (voir Fig. .5a). C'est environ 21,6% supérieur au 0,1025 du FWM-FWM simple. Sur la figure 5a, lorsque θT est supérieur à 115°, la quantité de mouvement dans la direction transversale est à peine générée. Par conséquent, la région montrant une distribution à haute vitesse diminue à θT de 150°. En conséquence, l'effet d'amélioration du rapport de mélange de l'unité TWM est réduit, et \({\upsigma}_{\mathrm{VF}}\) est réduit à 0,0967 à θT de 150°. Il s'agit d'une amélioration de 5 % par rapport au rapport de mélange FWM-FWM, mais il est inférieur de 16 %p au résultat optimal.

(a) Performance de mélange selon θT ; Comme θT est éloigné de 115°, une petite zone de distribution à grande vitesse apparaît et (b) rationalise en fonction de la variation de θT ; lorsque θT diminue, la zone faible augmente (à θT = 60°).

Au contraire, si θT est inférieur à 115°, la zone faible augmente excessivement et ne peut pas être égalisée par l'unité FWM, et le rapport de mélange diminue. Par conséquent, sur la figure 5b, la ligne de courant au point où θT est de 60°, la ligne de courant se produit à peine (ligne de courant diluée) en raison de la petite θT de l'unité TWM. Dans le cas du rapport de mélange θT à 60° est de 0,0826, ce qui est 19 % supérieur à FWM-FWM, mais il est inférieur de 2,6 % p au résultat optimal. De plus, le rapport de mélange réagit de manière plus sensible aux variations de θT lorsque θT est grand que lorsque θT est faible par rapport à 115°. Cela suggère que la diminution des performances de mélange dans le cas où θT est inférieur à la valeur optimale provient de l'échec de la suppression de la zone faible à travers l'unité FWM.

Le α/β est le rapport de la largeur de l'aile latérale (α) à la demi-largeur de l'aile médiane (β) basé sur la section transversale projetée sur le chemin d'écoulement. Étant donné que α / β affecte le rapport de mélange, pour sélectionner un α / β approprié, le rapport de mélange a été évalué en fonction de α / β comme sur la figure 6a. Sur la Fig. 6a, l'unité TWM a θT de 115° comme conçu dans "Angle θT du module TWM-FWM". Comme le montre la figure 6a, le rapport de mélange est le meilleur lorsque α/β de l'unité FWM et de l'unité TWM est de 1,4, et le rapport de mélange diminue lorsque α/β s'écarte de 1,4. Lorsque la surface de la partie d'aile augmente (lorsque α/β augmente), le débit au-delà de l'aile centrale diminue. Cela peut également être confirmé par l'apparition d'une petite région à grande vitesse au point α/β élevé (α/β de 3.1) sur la figure 6a. De plus, dans le cas de l'unité TWM, de grands α/β augmentent excessivement la zone faible. Ceci peut être confirmé sur la figure 6b, où la ligne de courant à α/β est de 3,1, et la ligne de courant se produit à peine (ligne de courant diluée) en raison de la valeur élevée de α/β.

Performances de mélange selon le rapport α/β ; comme le α/β est égal à 1,4, une petite zone avec une distribution à grande vitesse est générée ; (b) rationalise selon le rapport α/β. Lorsque α/β augmente, la taille de la zone faible augmente également (à α/β = 3,1).

Par conséquent, les diminutions du rapport de mélange, dans ce cas, sont essentiellement dues à la réduction de la fonction de division en raison d'un écoulement déséquilibré au centre et dans l'aile latérale. C'est pourquoi l'unité TWM est plus sensible à α/β que l'unité FWM (lorsque le α/β augmente de 0,1 (de 1,4 à 1,5), le \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) de l'unité FWM augmente de 0,001 (de 0,0804 à 0,0814), tandis que celle de l'unité TWM augmente de 0,0018 de plus (de 0,0804 à 0,0822)). Dans le cas de petits α/β, un effet similaire est observé. Lorsque la surface de la partie d'aile diminue (lorsque α/β diminue), le débit au-delà de l'aile latérale diminue, la fonction de division diminue également. Cependant, une diminution de α/β génère une petite zone de faiblesse, une diminution de α/β est moins prononcée pour le rapport de mélange qu'une augmentation.

Généralement, le mélangeur est constitué de plusieurs modules de mélange agencés25,26,27,39. Par conséquent, le numéro d'agencement du module de mélange commercial est sélectionné en tenant compte de la fabricabilité et de la maintenance. Cependant, comme AM est utilisé, contrairement au mélangeur existant, le nombre de modules de mélange n'affecte pas la fabricabilité du module TWM-FWM, tant que la taille de construction de l'équipement le permet. Cependant, comme il est important de sélectionner le nombre approprié de mélangeurs en termes de maintenance et de réparation, les performances de mélange en fonction du nombre de modules de mélange ont été analysées à la Fig. 7 sur la base du cas optimal dans "Optimisation du module TWM-FWM " (θT vaut 115° et le rapport de largeur (α/β) vaut 1,4).

Performances de mélange en fonction du nombre de modules TWM-FWM optimisés ; à mesure que le nombre de modules TWM-FWM augmente, \({\sigma }_{VF}\) diminue de façon exponentielle. Lorsque le numéro de module TWM-FWM est trois, \({\sigma }_{VF}\) diminue de 98,19 %.

Comme le montre la Fig. 7, \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) du tuyau lorsque le module de mélange n'était pas installé était de 0,328, et lorsqu'un module TWM-FWM était installé, \({\ upsigma }_{\mathrm{VF}}\) a été réduit de 75,5 %. Au fur et à mesure que le nombre de modules TWM-FWM augmentait, le \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) diminuait. Lorsque quatre modules TWM-FWM ont été installés, \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) était de 0,00168, soit une réduction de 99,5 %, et lorsque six modules TWM-FWM ont été disposés, \({\upsigma } _{\mathrm{VF}}\) était de 0,000136, soit une réduction de 99,96 %. Cela implique que le rapport de mélange en fonction du nombre de modules TWM-FWM peut être exprimé sous la forme d'une fonction exponentielle comme les LSM25,26,27,39. Par conséquent, il est possible d'estimer le rapport de mélange sur la base du nombre de modules de mélange avec un module de mélange.

Pour fabriquer la géométrie TWM-FWM proposée, un changement de forme a été effectué afin que la FA puisse être utilisée. Deux points sont à considérer pour AM40,41. Tout d'abord, toutes les pièces doivent être connectées en volume, et non par des contacts de surface ou de bord. Les pièces non connectées peuvent causer des problèmes de fabrication, tels que le pelage et l'affaissement pendant l'AM. De plus, pour obtenir un mélangeur à rapport élevé, chaque unité de mélange doit être connectée pour maintenir un angle constant. Cela augmente la nécessité de connecter toutes les structures. Deuxièmement, les soutiens doivent être minimisés40,41. Les supports sont une structure qui est imprimée avec une pièce pendant la FA pour empêcher l'effondrement structurel et augmenter la dissipation de la chaleur. Cependant, les supports affectent négativement le produit, par exemple en réduisant la rugosité de surface du produit et en altérant l'esthétique. De plus, étant donné que la taille de la structure de mélange suggérée est à l'échelle millimétrique, il existe un risque que l'échantillon soit endommagé pendant le processus de retrait des supports. La conception de la forme a donc été modifiée comme le montre la figure 8a. Sur la figure 8a, les parties de contact de bord et de surface de chaque TWM et FWM sont connectées, et l'unité FWM et l'unité TWM sont connectées à une structure liée. Le TWM-FWM de fabrication additive (AMed TWM-FWM) qui est modifié par ce processus peut être fabriqué sans supports s'il prend une position appropriée. L'AMed TWM-FWM a été imprimé à l'aide d'un équipement de type photopolymérisation en cuve sélective (Z-rapid, Chine, SLA300) et d'un matériau "ABS-like". Comme le montre la figure 8b, toutes les parties de l'échantillon sont bien imprimées et l'épaisseur fabriquée était comprise entre 0, 48 et 0, 51 mm. Par rapport à leur épaisseur de conception de 0,5 mm, une erreur dimensionnelle atteint environ 4 %. De plus, la longueur conçue de l'unité TWM-FWM était de 12 mm, ce qui est identique à la conception. Par conséquent, il peut être confirmé que la forme conçue et le spécimen sont imprimés correctement sans différence significative.

(a) Modification de la conception pour la fabrication additive. Les structures de liaison entre les unités sont ajoutées, (b) la géométrie de conception et les spécimens fabriqués de TWM-FWM fabriqués par additif (AMed TWM-FWM).

Des expériences de mélange ont été menées en utilisant les échantillons de mélangeur imprimés, comme indiqué sur la figure 9a. Ce système expérimental se composait de deux pompes intelligentes (FLOM, Japon, UI-22, deux fluides, un mamelon en forme de Y, une caméra (Cannon, Japon, EOS 20D) et un contrôleur (PC). Le spécimen imprimé a été inséré dans un tube en téflon transparent permettant d'observer une rationalisation de l'écoulement de la paroi pendant le mélange Les fluides utilisés dans l'expérience étaient des peintures à l'huile de deux couleurs (bleu et jaune) qui avaient une densité et une viscosité de 1000 kg/m3 et 3000 mPa s. Les lignes de courant apparaissant pendant le processus de mélange ont été visualisées et photographiées. Avec des pompes intelligentes, chaque fluide s'écoulait à un débit de 2 ml/min, et le mélange a été effectué à l'aide d'un mélangeur installé à l'intérieur. Après une nouvelle analyse a été effectuée en tenant compte de la conditions expérimentales, ils ont été vérifiés en les comparant sur la Fig. 9b.

(a) Configuration expérimentale pour mélanger la visualisation ; se composait de deux pompes, d'un module de mélange dans le tuyau en téflon transparent, d'une caméra de surveillance et d'un contrôleur, et (b) de la comparaison des résultats d'analyse numérique et de l'expérience ; quatre points caractéristiques (entrée α, module mélangeur β, γ, sortie δ) montrent des modèles similaires dans l'analyse numérique et les résultats expérimentaux.

La figure 9b montre la distribution de la concentration du fluide. Les parties rouges sont des zones où la concentration de fluide-1 est de 100 % et les parties bleues sont des zones où la concentration de fluide-2 est de 100 %. Sur la figure 9b, à l'entrée du mélangeur, la partie où le flux est courbé en raison de l'unité TWM (α) montre le même schéma à la fois dans l'analyse numérique et dans l'expérience. Dans la zone de mélange, où AMed TWM-FWM est inséré dans le tube (β, γ), le modèle de ligne de courant correspond bien. En particulier, une zone faible et un mauvais mélange peuvent être observés dans la partie β. Enfin, si l'on considère la région après l'unité FWM où le flux n'est pas mélangé, comme cette région est étendue (δ), on peut conclure que l'analyse et l'expérience sont bien cohérentes.

Parce qu'il est difficile de mettre en œuvre le mélange en utilisant la turbulence dans un petit tuyau qui a plusieurs mm de diamètre, la conception du mélangeur dans cet article n'a pas pris en compte l'écoulement de la région d'écoulement turbulent. Cependant, en général, les performances de mélange sont améliorées lorsque des turbulences se produisent, on pense donc qu'une discussion sur la région d'écoulement laminaire suffira. De plus, la stratégie de conception présentée dans cet article est significative en ce qu'elle peut être appliquée sans modifications importantes à la conception du mélangeur existant et améliore efficacement les performances de mélange en tenant compte de la conception pour la fabrication additive.

Dans cette étude, la conception a été réalisée sur la base de la structure FWM la plus basique, une structure à trois barres, mais ce concept de conception de mélangeur peut être appliqué à la forme d'un mélangeur existant avec un plus grand nombre de barres en inclinant la barre extérieure. Par conséquent, en combinant la conception du mélangeur, il sera possible de concevoir un mélangeur adapté à divers environnements tels que le débit avec un Re plus élevé. Cependant, lorsque deux fluides avec des viscosités significativement différentes sont mélangés, la force de l'écoulement dans la direction transversale peut changer à mesure que le modèle de mélange change. En conséquence, dans le cas du mélange de fluides de viscosités différentes, une optimisation des paramètres de conception doit être effectuée.

Un mélangeur continu millimétrique à haute efficacité de forme simple (nommé TWM) a été développé avec une conception basée sur la fabrication additive (AM). La nouvelle unité de mélange a trois ailes inclinées qui se croisent qui peuvent augmenter le rapport de mélange en améliorant la division et la recombinaison. En combinant l'unité FWM et TWM, nous avons optimisé le meilleur module de mélange (avant TWM - arrière FWM). Le mécanisme de mélange et les performances du mélangeur combiné ont été élucidés à l'aide d'analyses et d'expériences CFD. Pendant le mélange dans le TWM, il existe des zones de vitesse d'écoulement élevée et faible, et la distribution de la vitesse d'écoulement est modifiée dans le FWM, de sorte que le rapport de mélange est rapidement augmenté grâce à la combinaison de deux unités.

En optimisant le module TWM-FWM en tenant compte de paramètres de conception tels que le rapport de largeur d'une aile et l'angle de positionnement entre deux unités (\({\theta }_{T}\)), l'efficacité de mélange a augmenté d'environ 21 % par rapport au Module FWM uniquement. Le module TWM-FWM suggéré a été fabriqué à l'aide du processus AM et a évalué les performances de manière expérimentale. Les états de mélange locaux ont été comparés et les résultats ont montré un bon accord entre l'analyse CFD et l'expérience. Grâce à ce travail, un mélangeur simple et efficace pouvant être utilisé dans divers processus de mélange chimique avec une petite quantité de produits chimiques a été développé pour réduire les pertes de matière et les contaminants. Plus tard, l'optimisation de la forme proposée en tenant compte de la viscosité de divers fluides et la vérification dans diverses plages de débit seront effectuées à l'avenir.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Ce travail a été soutenu par le programme d'innovation technologique (n ° 20011243) financé par le ministère du Commerce, de l'Industrie et de l'Énergie (MOTIE, Corée), il a également été soutenu par la subvention de la National Research Foundation of Korea (NRF) financée par le gouvernement coréen (N° 2020R1F1A1069374) et (N° 2021R1A6C101A449).

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Parc Sang Hu

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S.-HB a contribué à la rédaction d'une première version du manuscrit, J.-HY et C.-WH ont réalisé des analyses FE, PYS et SY ont géré ce projet, S.-HP a révisé et modifié le manuscrit.

Correspondance avec Sang-Hu Park.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Baek, SH., Yang, JH., Ha, CW. et coll. Conception et évaluation d'un mélangeur continu de type aile inclinée hautement efficace fabriqué par additif. Sci Rep 12, 19477 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23809-2

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Reçu : 18 juin 2022

Accepté : 06 novembre 2022

Publié: 14 novembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-23809-2

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