Rocky DEM позволил инженерам научно-исследовательского центра химической технологии откалибровать параметры кукурузных зерен
Институт химических исследований Chemical Engineering Pilot Plant (PLAPIQUI) использует программное обеспечение Rocky DEM для моделирования частиц. PLAPIQUI – центр исследований, образования и технологического развития, поддерживаемый Южным национальным университетом (UNS) и Национальным советом по научно-техническим исследованиям (CONICET), расположенными в Аргентине. С 2018 года в PLAPIQUI выполняют расчеты частиц с использованием Rocky DEM. Большинство расчетов предназначены для пищевой и фармацевтической промышленности.
Rocky DEM позволил откалибровать и определить параметры кукурузных зерен
Анализ динамики твердых частиц необходим во многих отраслях производства, однако традиционные методы не позволяют проводить подобные расчеты. Именно поэтому метод дискретных элементов (Discrete Elements Method, DEM) играет важную роль в решении задач динамики твердых частиц. В рамках данного исследования свойства зерен кукурузы (угол откоса и коэффициент восстановления) определялись экспериментально, а коэффициент сопротивления качению был откалиброван с помощью ПО Rocky DEM путем моделирования частиц двумя различными способами – в виде сфер и в виде многогранников.
«Мы смоделировали экспериментальную систему с заданным углом откоса, чтобы откалибровать коэффициент качения, сравнивая данные реальных частиц и моделирования с использованием сфер и многогранников. Это позволило нам добиться максимального соответствия между реальными частицами и моделью» – говорит Ивана Котабаррен (Ivana Cotabarren), одна из профессоров, курировавших исследование.
Коэффициент сопротивления качению у зерен вычислялся в Rocky DEM с учетом угла откоса. Условия эксперимента были максимально приближены к реальным. Значение параметра итеративно изменялось до тех пор, пока полученный при моделировании результат не совпадал с результатами натурных тестов. На рисунке 1 показана система, смоделированная в Rocky DEM.
Рисунок 1. Расчет поведения частиц в Rocky DEM
Результаты калибровки параметров кукурузных зерен в Rocky DEM
По словам профессора Котабаррен, результаты расчетов демонстрируют, что благодаря возможности моделировать частицы нестандартной формы в Rocky DEM можно получить более точные данные, чем в других DEM-инструментах, где доступны только сферические частицы. Именно многогранная форма частиц позволила при расчетах достичь значений, полученных экспериментальным путем.
Кроме того, следует заметить, что длительность расчета во многом зависит от формы частиц. Чем больше трение качения, тем больше времени занимает расчет. Решение задачи с частицами-многогранниками заняло в 20 раз больше времени, чем со сферическими частицами. Однако при использовании сфер не удалось достичь экспериментальных значений угла откоса. В таблице ниже представлено время расчетов с многогранными частицами.
Таблица 1. Значения длительности расчета и смоделированного процесса
| Коэффициент трения качения | Время выполнения расчета (мин) | Длительность смоделированного процесса (с) |
|
0,13 |
580 | 11 |
| 0,15 | 930 | 17,45 |
| 0,18 | 1420 | 18,6 |
| 0,2 | 1667 | 20 |
| 0,23 | 1430 | 20 |
| 0,25 | 1080 | 20 |
Исследователи заметили, что в предшествующих моделях с многогранными частицами длительность моделирования необходимо было увеличить, поскольку частицы продолжали двигаться в течение нескольких секунд после падения, изменяя форму насыпи и, следовательно, угол откоса. Это связано с коэффициентом трения качения частиц.
На рисунках 2 и 3 видно, как при моделировании частиц-многогранников образовалась насыпь с коэффициентом сопротивления качению 0,25 в разные моменты времени. Через несколько секунд форма насыпи заметно изменяется. Именно поэтому длительность моделирования была увеличена таким образом, чтобы в конце моделирования частицы перестали двигаться.
(а) (б)
Рисунок 2. Форма насыпи в 7,5 с (а) и 10 с (б)
(а) (б)
Рисунок 3. Форма насыпи в 12,5 с (а) и 17,5 с (б)
Другие важные результаты исследования
- Моделировать системы с твердыми частицами сложно, поэтому часто необходимо прибегать к упрощению расчета.
- Зерна кукурузы имеют неправильную форму, которую нужно соответствующим образом отобразить при выполнении DEM-расчетов.
- Результаты расчета с многогранными частицами оказались более точными, чем результаты, полученные со сферическими частицами, поскольку форма многогранника ближе к реальной форме зерен.
Как работает Rocky DEM?
Rocky DEM позволяет быстро и точно моделировать поведение сыпучих материалов со сложной формой частиц и распределением по размерам. Являясь универсальным программным инструментом для любых отраслей производства, Rocky DEM позволяет моделировать процессы, отображая свойства материала и варьируя параметры расчета.
Благодаря методу дискретных элементов в Rocky можно добиться максимальной точности расчетов. DEM – это, в сущности, единственный метод, позволяющий спрогнозировать динамику каждой частицы по отдельности. Каждая частица имеет свои собственные форму и размер, а также взаимодействует с другими частицами и стенками оборудования.
Данное программное обеспечение от компании ESSS может с высокой точностью оценивать контактные взаимодействия каждой частицы, используя различные физические модели. При расчете учитываются все силы, действующие на частицу, и вычисляется ее ускорение. Это позволяет пользователю визуализировать и прогнозировать положение частиц в пространстве и времени.
Кроме того, Rocky предоставляет инновационные инструменты обработки результатов моделирования, помогающие визуализировать и оценивать широкий спектр различных параметров, рассчитывая поля скоростей, давлений и деформаций, интенсивность всасывания пыли, разрушение материала, поверхностный износ и изменение температуры. Все это помогает инженерам получить более глубокое представление о производственных процессах и соответствующим образом оптимизировать оборудование.