平らな床のサイロからの球状粒子の排出量を制御するために使用される収束オリフィス

Scientific Reports volume 13、記事番号: 669 (2023) この記事を引用

439 アクセス

メトリクスの詳細

モデルサイロ内の収束オリフィス形状が単サイズ球状粒子の排出速度に及ぼす影響を実験的および数値的に研究しました。円筒形の容器には、上底にさまざまな上径の収束放出オリフィスと下底に一定の下径を備えた交換可能なインサートが装備されていました。プラスチック PLA ビーズと農業用粒状材料 (小麦、菜種、亜麻仁) がテストされました。実行された実験に対応する一連の離散要素法シミュレーションは、大幅に拡張された一連の実験放電条件を使用して実行されました。インサートの厚さが一定の場合、吐出量は最初は収束オリフィスの半円錐角の増加に伴って増加し、その後傾向が逆転しました。ほとんどの場合、収束オリフィスを通した排出量は、同じオリフィス直径のホッパーを通した排出量よりも高かった。

水平オリフィスを通る粒状材料の信頼性の高い流れの問題は、粒状力学および技術における関心の焦点です。物理学者や技術者によって長年にわたって調査が行われてきたにもかかわらず、多くの影響は不明のままです1。そのような影響の 1 つは、貯蔵サイロ内の粒状物質の流れパターンと質量排出速度 (MDR) に対する排出ゲート周囲の境界条件の影響です 2、3、4。 MDR は、粒状材料や粉末の流れを伴うプロセスの設計と制御にとって重要なパラメータの 1 つです。多数の分岐で材料の混合物を調製するには、安定した正確に制御された流量が不可欠です。境界条件、つまりオリフィスとその近傍に含まれる容積の形状は、体積分率を決定し、結果としてオリフィスを通過する流量を決定する重要な要素です1、5、6。

水平オリフィスを通る流量は、質量排出量が \(MDR = C\rho_{b} \sqrt g (d - kd_{p} )^{5 として表されることを示す Beverloo の式 7 によって効率的に予測できます。 /2}\)、ここで、d はオリフィス直径、dp は粒子直径、g は重力加速度、ρb は放電材料のかさ密度、C と k はそれぞれ実験的な放電係数と形状係数です。オリフィスが小さい場合と大きい場合では流量が異なり（粒子径に関係する）、オリフィスが小さい場合はベベルルーの関係が崩れることが判明しました。 Gella、Maza、Zuriguel8 は、モデルサイロからの質量流量に対する粒径の影響を実験的に研究しました。著者らは、質量流量と粒子間の接触相互作用、摩擦、単位面積あたりの運動エネルギーの違いの性質との関係は自明ではなく、これらの疑問を解明するにはさらなる研究が必要であると結論づけた。 Beverloo、Leniger、Van de Velde7 は、平底容器のオリフィスを通して粒状固体 (主に植物の種子) を排出する際の MDR を測定しました。このような構成では、オリフィスの周りに停滞した材料が自然なホッパーを形成し、そこで放射状の流れが流出する粒子の緩やかな垂直の流れに変わります。円筒形のオリフィス形状が粒子排出速度に及ぼす影響に関する研究は、Zatloukal と Šklubalová9 によって平底サイロに対して実施されました。著者らは、吐出量とオリフィスサイズの関係を確認しました。しかし、彼らは流量がオリフィスの高さに依存することも発見しました。 Zaki と Siraj10 は、球状ガラスビーズ用の平底円筒サイロに配置された 3 つのオリフィス形状の数値シミュレーションを実行しました。ベベルルー方程式定数が計算され、円形、三角形、正方形のオリフィスの質量排出率間の差異が見出されました。平底サイロから排出される粒子の流れに対する粒子の形状の大きな影響は、Hafez et al.11 によって報告されています。粒子の形状は、粒子間の相互作用と相対的な移動度を定義し、これらによって吐出流量と粒状固体の目詰まり挙動が決まります。

実際の用途では、円錐形のホッパーを備えたサイロがよく使用されます。このサイロではデッドゾーンが形成されず、排出材料が滑らかなホッパー表面に沿って滑ります。ローズとタナカによって提案された、MDR の円錐形ホッパーの半円錐角 α への依存性を予測する最初の経験式の 1 つは、ビバールー方程式への半円錐角の影響と停滞ゾーンの傾斜からなる乗算係数の導入に基づいています。ホッパー内の材料の境界。 Saleh、Golshan、Zarghami4 は、MDR とホッパーの形状を関連付ける 20 以上の経験的モデルを分析しました。著者らが結論したように、ホッパー半角αとMDRの関係については、これまでのところ一般的な規則は確立されていない。

最近、粒状材料の質量排出率を最大化するために、収縮率を変化させてホッパーを設計するための数値的手法を提示するレポートが発表されました。有限要素法 13、14 または実験検証 16 によって効率が裏付けられた離散要素法 15 が最もよく使用されます。いくつかの結果では、同じオリフィスサイズ、ホッパー高さ、サイロ直径を持つ円錐形ホッパーと比較して、湾曲ホッパーでは MDR が 140% 近く増加できることが示されています。適切なサイロの形状により、サイロから排出される粒状材料の流量を正確に制御できる場合があります。ただし、質量排出率を操作する方法を理解するには、さらなる研究が必要です。これは、計量、投与、混合において実際に応用できる可能性があります。

上記の研究結果を考慮して、報告されたプロジェクトの目的は、さまざまな厚さおよび半円錐角を持つ円錐形の収束オリフィスを通る流れの体系的な研究を実行することでした。サイロ内でホッパーの底部を、収束排出オリフィスを備えた平底に置き換える可能性が検討されています。本研究の動機は、さまざまな装置における粉体や粒子の工業的な流れから来ています。溶接ネックフランジなどの収束部品は、液体および粒状固体の輸送および処理に使用される多くの実用的な装置の一般的かつ重要なコンポーネントです17、18。

これまでのところ、さまざまな形状を備えた円錐形の収束オリフィスを通る粒状材料の流量を解析する数値的手法を使用する試みは行われていません。したがって、室内実験によって補足された一連の離散要素法シミュレーションが実行されました。特定のアプライアンスは、そのプロジェクトの目的のために設計されました。

実験用サイロは、質量排出率 MDR の測定に使用されています。円筒形の平底容器 (図 1a) は直径 150 mm、高さ 450 mm でした。コンテナの壁は亜鉛メッキ鋼板でできており、平らな床は合板でできていました。直径 5.95 mm、dp、質量 0.25 g のプラスチック PLA ビーズを参照粒子として使用しました。サンプル中の PLA 粒子の数は 14,000 でした。小麦、菜種、亜麻仁を農業用粒状粒子として試験しました (図 1b、表 1)。粒子の摩擦パラメーターは、傾斜テーブル法を使用して決定されました (表 2)。文献で報告された調査結果によれば、サイロの直径は最大粒子直径の 25 倍大きく、ビンの壁の影響を無視できました 19、20、21。その後のテストでも同様の幾何学的な層構造を維持するために、反復可能な充填手順が採用されました。ふるいをサイロの上面に軸方向に配置した。測定された量の粒子を篩に通した。充填完了後、上部の自由表面を平らにしました。排出ゲートを開け、排出が完了するまで容器から出る粒子の質量を測定した。サイロを支持する 3 つのロードセルの表示を使用して、排出中のサイロと粒子の質量の変化を測定しました。排出された粒子の質量の変化は、受け入れ容器を支持する 1 つのロードセルの表示からも決定されました (図 1a には含まれていません)。この 2 つの測定方法の出力の平均値を使用して、吐出量を計算しました。コンテナには、さまざまな厚さの交換可能な 3D プリントされたプラスチックインサートが装備されていました。モデルサイロの平らな底部の収束オリフィスは、下直径 d0、上直径 d1、およびインサートの厚さ h (つまり、オリフィスの下縁と上縁の間の距離) の 3 つのパラメーターによって定義されました。。 DEM シミュレーションの重要な発見を検証するために、32.5 mm の下側直径 d0 とさまざまな上側直径 d1 を持つ収束オリフィスが選択されました。インサートは合板製の平らな床の円筒形の穴に配置され、底部の上面と位置合わせされました（図1a）。オリフィスの上径 d1 = 32.5 mm、下径 d0 = 52.5 mm、厚さ h = 6 mm のインサートを基準平面オリフィス (α = − 60°) として使用しました。各材料について 3 回の反復実験を実行しました。

(a) 質量排出率のテストに使用される収束オリフィスを収容する交換可能なインセットを備えたモデルビンの概略図、および (b) 実験に使用された PLA 粒子とシード。

DEM22 シミュレーションは、実験で適用された PLA 球状粒子のサイズを再現するために、直径が 5.94 ～ 5.96 mm の範囲でランダムに分布し、平均 dp が 5.95 mm である 14,000 個の球状粒子の集合体を使用して実行されました。参考資料。数値幾何学は実験設定を模倣しました。インサートの厚さ h は 0 ～ 100 mm の範囲でテストされました。それらの大部分は粒子平均直径の正規多重度でした。下部直径 d0 は 19 ～ 55 mm の範囲、上部直径 d1 は 32.5 ～ 72 mm の範囲で、4 ～ 90 度の範囲の半円錐角を提供します。オリフィスの基準下径ｄ０は３２．５ｍｍであった。 d1 = 32.5 mm (d0 > d1) の平らなオリフィスは、妨げられない排出を提供する基準オリフィスとして機能しました。収束オリフィスと同じ半円錐角を有する円錐形ホッパーからの排出により、質量排出量の追加の参考データが得られました。ホッパーのオリフィス径は３２．５ｍｍ、上部径は１５０ｍｍであった。

Hertz-Mindlin の非スリップ接触モデルは、EDEM ソフトウェアパッケージ 24 で使用されるデフォルトモデルとして、Hertz 理論 23 に従ってシミュレーションに適用されました。粒子の材料パラメータは、PLA 粒子の特性を再現するために取得されました。固体密度 ρ = 2212 kg/m3、ヤング率 E = 8.8 GPa、ポアソン比 ν = 0.2525 です。粒子間の摩擦パラメータ μp-p = 0.47、粒子と壁の間の摩擦パラメータ μp-w = 0.49、粒子と底部 (プラスチックインサート) の間の摩擦パラメータ μp-b = 0.21、および反発係数 e = 0.3 は実験的に決定されました。 EDEM ソフトウェアの転がり摩擦のデフォルト値 0.01 がシミュレーションに適用されました。サイロの壁は、鋼の材料パラメータである密度 ρ = 7800 kg/m3、ヤング率 E = 200 GPa、ポアソン比 ν = 0.25 でモデル化されました。

粒子はモデルサイロ内で生成されました。次に粒子は、中央に配置されたフラットオリフィス、収束オリフィス、または円錐形ホッパーを通して排出されました (図 2)。シミュレーションは、EDEM ソフトウェアパッケージ 24 を使用して、1.6∙10–6 秒のタイムステップで実行されました。

静止時のモデルサイロの中央スライス内の粒子間の接触力の視覚化: (a) 平らなオリフィス、(b) 収束オリフィス、(c) 収束オリフィスと同じ α を持つホッパー。

シミュレーションは、収束オリフィスパラメーターを設定する次のスキームに従って実行されました。

(1) d1 = 変数、α = 変数、d0 = 定数、h = 定数、

(2) d0 = 変数、d1 = d0 + 定数、h = 定数、α = 定数、

(3) d0 = 変数、α = 変数、d1 = 定数、h = 定数。

直径 d1 が 19 ～ 35 mm の範囲のフラットオリフィス (d0 > d1) に対して実行された予備 DEM シミュレーションでは、サイロからの材料の流れを妨げないオリフィスサイズの閾値が 32.5 mm であることが示されました。したがって、さらなる研究では、下側の直径 d0 = 32.5 mm がシミュレーションに適用されました。 d0 = 32.5 mmおよびインサート厚さhのいくつかの値の場合の質量排出率MDRと収束オリフィス上部直径d1の間のDEMシミュレーションによる関係を図3aに示します。フラットオリフィスに適用されたパラメーター C = 0.319 および k = 1.65 を使用して Beverloo の式に従って計算された MDR を比較のために追加しました。インサートのすべての厚さについて、MDR の値は、最初は最大 MDR に達するまで Beverloo の近似に従いました。 MDR および対応する d1 の最大値は、インサートの厚さが増加するにつれて増加しました。それらはベベルルーの近似値に近い位置にありました。次に、最大値を超えた後、MDR は最初はかなり速く減少し、d1 が増加するにつれて水平漸近線に向かう傾向がありました。十分に高い d1 (つまり、α が 90°になる傾向がある) の MDR の漸近値は、d1 = 32.5 mm のフラットオリフィスの MDR です。

(a) 質量排出率 MDR は、d0 = 32.5 mm の場合のオリフィス上部直径 d1 およびオリフィス厚さ h のいくつかの値によって影響されます。 C = 0.54 および k = 1.65 の Beverloo の式で近似されたフラットオリフィスを通した排出、および (b) シミュレートされた MDRnorm。 d1 = d0 = 32.5 mm の平らなオリフィスを通る質量排出率によって、半円錐角 α の関数として正規化されます。

図 3b は、収束オリフィスの円錐半角 α の増加に伴う正規化質量排出率 (MDRnorm.) の変化を示しています。質量排出率は、d1 = 32.5 mm の平坦なオリフィスについて決定された質量排出率によって正規化されました。テストされたすべての厚さについて、MDRnorm. 最初はαの増加とともに増加しました。 αcrit.で最大値に達した後、質量流量は平らな基準オリフィスで得られたMDRまで単調に減少しました(すなわち、MDRnorm.→1)。 MDRnorm の最大値。 αcrit では (> 3) が得られました。 = 4°および高さ = 100 mm。 MDRnorm の最大値。インサートの厚さの減少とともに減少し、より高い半円錐角αcritで注目されました。 αcrit の値が小さい場合。最大MDRnorm。収束オリフィスで得られた最大値は、同じ半円錐角 α と同じオリフィス直径 32.5 mm のホッパーで得られた値より 5% 低かったのに対し、α > 20° の最大値はホッパーで得られた値より約 10% 高かった。

関係の経過 MDRnorm.(α) は、内部摩擦角と α 値に依存する円錐形ホッパー内の流れパターンに関するジェニケ基準に照らして解釈できます 14,24。急勾配のホッパー (α が低い) の場合、質量流が発生します。 αが限界値まで増加すると、流れパターンは漏斗流れに変わります。 αがさらに増加すると、平らな床のサイロに存在するものと同じ収束流を伴う安定したデッドゾーンが形成されます。

DEM シミュレーションで最大の MDR を提供する形状を備えた収束オリフィスから排出される 4 つの粒状材料に対して行われた実験室試験の結果は、同じ形状の収束オリフィスおよびホッパーについて得られた数値結果と比較されました (図 4)。。実験結果と数値結果は合理的に一致しました。どちらもMDRnormの低下傾向は同じでした。 αクリティカルで。増加。実験結果のほとんどは、収束オリフィスに対して実行されたシミュレーションの結果に非常に近いものでした。 MDRnorm の値。菜種の場合は他の材料の場合よりも低かったが、これは種子のサイズに 2 倍以上の差があったためと考えられる。これは、Gella、Maza、Zuriguel が報告した発見と一致しています8。彼らは、同じ材料の球体の集合体におけるオリフィス付近の固体部分のプロファイルが異なり、直径が 4 倍異なることを示しました。ホッパーと収束オリフィスの MDRnorm.(αcrit.) 関係がかなり近い経過を示すことは、排出材料の流量に対する出口付近の形状の重要な役割を示しています。出口から遠いホッパー壁の状態は、流量にわずかな影響しか与えないようです。

正規化された質量放電率 MDRnorm の実験値と DEM シミュレーション値の比較。臨界円錐半角 αcrit のさまざまな値に対して得られます。

d0 = 32.5 mm、およびパラメータ d1 および h のすべてのテスト値について決定された α に対する MDR の依存性の分析により、円錐形の半分の角度の臨界値がオリフィスの厚さ αcrit.(h) に依存することが示されました。 ) は、d0 = 一定の場合の α に対する MDR の依存性に関して、収束オリフィスの形状 (h,α) を 2 つの領域に分割しました: (1) α ≤ αcrit の場合、α の増加に伴って MDR が増加します。 (2) α > αcrit の場合、α の増加に伴って MDR が減少します。 (図5)。

関係 αcrit.(h) は、収束オリフィスの形状 (h,α) を質量排出率 MDR の増加 (α < αcrit.) と減少 (α > αcrit.) の 2 つの領域に分割し、α の増加は d0 = で決定されます。 32.5mm。

図 6 は、インサート厚さ h と半円錐角 αcrit の 2 つの値に対する、質量排出率 MDR を収束オリフィスの上径 d1 の関数として示しています。フラットオリフィスと Beverloo の関係で得られた結果と比較して、最大吐出量が得られます。半円錐角 αcrit の臨界値。インサートの厚さ h のみに依存します。シミュレーションスキーム No. 1 で示された関係 (d0 = 32.5 mm、d1 = var.) (図 4) とは対照的に、スキーム No. 2 を使用して得られた関係 (d1 = var.、d1 = d0 + const.、h) = const.、α = const.) は、ベベルルーの関係を非常によく再現しています。これは、α = const の収束オリフィスに対して得られた関係 MDR(d1) が次のことを意味します。 ≤ αクリティカル。平らなオリフィスに対して得られた Beverloo の関係に従います。

フラットオリフィスと、収束オリフィスのオリフィス厚さ h および半円錐角 αcrit の 2 つの値に対して実行された、シミュレーションによる MDR(d1) 関係の比較。 Beverloo の方程式の予測を使用して最大排出量を提供します。

オリフィスパラメータを設定する第 3 のスキームに従って実行されたシミュレーションは、MDR に対する収束オリフィスの上部直径と下部直径の影響の限界を明確に示しています。図 7a は、厚さ h と上部直径 d1 の 3 つの異なる値について、10 瞬間にわたって平均した MDR(d0) 関係を示し、図 7b は MDR(α) 関係を示します。 h = 100 mm の場合、明確な最大 MDR が d0 = 32.5 mm で観察され、続いて d0 > 32.5 mm でプラトーが観察されました。 h = 12 および 6 mm では、依存性はより拡散し、プラトーは 32.5 mm より少し大きい d0 で始まります。 d1 = 一定の場合、MDR は d0 とともに最大/プラトーまで増加し、d0 がさらに増加してもほぼ一定のままでした (図 7a)。 d1 = const.の条件下で、d0 変数を対応する半円錐角 α に置き換えると、α ≤ αcrit の場合、MDR がほぼ一定のままであることが観察できます。 α > αcrit の場合、α の増加とともに減少します。 (図7b)。標準偏差バーとして図 7 に示されている MDR のばらつきは、プラトーを開始する α の正確な決定を妨げます。図３と図４に示される依存関係の過程の違いは次のとおりです。図 3 と図 7 は、異なる独立変数 x を適用した結果です。図 3a の d1 と図 7a の d0 です。さらに、図 3b と図 7b で適用される半円錐角 α は、変数 d0 と d1 (\(\alpha = \tan^{ - 1} {{((d_{1} - d_{ 0} )} \mathord{\left/ {\vphantom {{((d_{1} - d_{0} )} {2h}}} \right. \kern-0pt} {2h}})\))。ＭＤＲ（α（ｄ０））関係は、放電スキームＮｏ．３およびＮｏ．２に従って得られた関係を重ね合わせることにより、ＭＤＲ（α（ｄ１））関係に変換することができる。

質量排出率 MDR 対: (a) オリフィスの下側直径 d0、(b) 収束オリフィスの厚さ h と上側直径 d1 の 3 つの異なる値におけるオリフィスの半円錐角 α は、最大 MDR を提供します。 d0 = 32.5 mm。

図 8 は、インサート厚さ 100 mm (図 8a) および 12 mm (図 8b) の場合の、オリフィスの体積 d0 = 32.5 mm で測定された球状粒子集合体の平均気孔率の変化を示しています。、充填後、および排出の開始中。空隙率は、集合体の体積に対する細孔の体積の比率として定義されます。 α のいくつかの値に対するオリフィスの体積の気孔率の時間変化が示されています。充填後の静的状態での気孔率は約 48% でした。 h = 100 mmのインサートの場合、放電の開始により、気孔率がαに依存する値まで急激に増加しました（図8a）。 α値が 4°未満の場合、増加はほぼ即座に起こりました。 α を 4°にさらに増加すると、p(t) 関係に実質的な変化が生じ、間隙率の切り替えが約 1.4 秒間続きました。収束オリフィスの体積を通って流れる材料の多孔率は、α ≤ 4° の場合は約 83%、α ≥ 5° の場合は 53% でした。 α が 3° から 4°、その後 5° へと一見わずかに増加すると、材料の挙動に大きな変化が生じました。半円錐角の限界値は α = αcrit でした。 = 4°。排出中の半円錐角α = 4°のホッパーの対応する体積内部の気孔率は 53% でした。つまり、α > αcrit の収束オリフィスで得られた密な流れの値と同じでした。気孔率の変化の傾向は、h = 12 mm および αcrit のインサートで観察されました。 = 19.7° (図 8b)。この場合、恋人体積の 8 倍にわたって平均されるプロセスの離散的な性質に起因するデータの比較的大きな分散のため、関係は h = 100 mm の場合ほど明確ではありません。

d0 = 32.5 mm のオリフィス容積内の顆粒集合体の気孔率と充填、滞留、排出時の時間の関係: (a) h = 100 mm、(b) h = 12 mm。

同じαとd0を持つフラットオリフィス、収束オリフィス、ホッパーの排出時の粒子速度Vzのプロファイルを比較すると（図9）、収束オリフィスによる質量排出量の増加の原因が数値に説明されます。ホッパー用に入手しました。収束オリフィスの場合、オリフィスの下端のレベルでの粒子速度は、オリフィスから出る粒子の速度よりも約 2 倍高かった (図 9a)。図 8a は、収束オリフィスの気孔率もホッパーの気孔率より約 2 倍高いことを示しています。したがって、粒子速度と嵩密度の積である質量排出率は、同じ半円錐角αを有する収束オリフィスとホッパーで同様でした。

d0 = 32.5 mm のオリフィスについて、10 瞬間にわたって平均した垂直速度 Vz のプロファイル: (a) オリフィスの下端のレベルでの半径方向 r、(b) 垂直方向 z (平均オリフィスの断面）。

垂直方向の粒子速度 Vz のプロファイルは、最大の粒子加速が収束オリフィスで発生することを示しています (図 9b)。収束オリフィスを通した放出の開始中に気孔率が増加すると、粒子バルクの構造が柔らかくなり、その結果、重力による粒子の加速が容易になりました。最終的に、オリフィスの下端のレベルでの速度が向上しました。数粒径の厚さを有する収束オリフィスの容積内の粒子のバルク構造を軟化させることにより、ホッパーを通した粒子のバルクの高密度構造の排出と同じ質量排出率が保証される。これは、異なる形状のオリフィスを適用することで、より低い粒子速度でより密に充填された粒子の流れ、またはより高い粒子速度でより緩く充填された粒子の流れによって、同様の質量排出率を達成できることを意味します。

排出量を正確に制御するには、サイロの出口付近の運動学的遷移領域をより深く理解する必要性が重要です1,5。したがって、収束オリフィスを通した排出を研究するための変数としてオリフィスの寸法が選択されました。

収束オリフィスは、平らな床とホッパーの短い部分の 2 つのセグメントに分割された、非常に単純化された湾曲したホッパーと考えることができます。円錐形の収束オリフィスの形状が粒状材料の質量流量に及ぼす影響に関する研究はほとんどありません。したがって、このプロジェクトでは、円錐形ホッパーを備えたサイロで得られた結果を基準点として考慮しました。ほとんどの場合、収束オリフィスを通過する流量は、同じオリフィス直径のホッパーを通過する流量よりも高くなります。したがって、同じ排出量を得るために、円錐形のホッパーをより小さな直径の収束オリフィスを備えた平底に置き換えることができます。収束オリフィスについて得られた MDR の値は、ホッパーによって提供される値に近く、Huang ら 16、26 および Guo ら 14 によって提示された湾曲ホッパーによって提供される値よりもかなり低かった。

この研究の主な新規性は、半円錐角 αcrit 間の双曲線型の関係が示されたことです。 d0 = 一定の場合の α に対する MDR の依存性に関して、収束オリフィスの形状を 2 つの領域に分ける収束オリフィス付きインサートの厚さ h : (1) α ≤ αcrit の場合、α とともに増加する MDR 。 (2) α > αcrit の場合、α の増加に伴って MDR が減少します。この研究の結果は、円錐形の収束オリフィスを通る粒状材料の流れモード (流れのかさ密度と粒子速度) が、その半分に依存するという観察を裏付けました。オリフィスの円錐角。 α < αcrit. の場合、放電の開始により、より高い粒子速度に関連してオリフィスの体積内の材料の多孔率が急速に増加します。 α = αクリティカルを達成する。大きな変化を生み出しました。放電時間に伴う気孔率の増加ははるかに遅く、ほぼ直線的でした。 αクリティカルをわずかに上回る。 (1 度または 2 度) より低い粒子速度でより高密度の流れが可能になりました。

ビンの平らな床にはデッドゾーンが形成され、自然なホッパーが生成されます。この領域では、流れの方向が垂直から収束に変わり、これは材料の構造の軟化に関連しています。ホッパーでは、粒子の移動方向の変化がよりスムーズになり、その結果、粒子の移動の直線に沿った膨張と加速が大幅に低くなります。収束オリフィスとホッパーの間の粒子の動きの特性には大きな違いがあるにもかかわらず、同じ半円錐角と収束オリフィスの高さが適切に調整されていれば、質量排出率は同様になる可能性があります。 Gella、Maza、Zuriguel 8 が結論付けているように、粒子のどの特定の特性が系内で観察される巨視的な変化の原因であるかを明確に述べるのは困難です。これらすべての大きさの関係は自明ではなく、これらの疑問を解明するにはさらなる研究が必要です。大量排出率を操作および制御する方法を理解することは、産業ユニットの運用の生産性と品質にプラスの影響を与える可能性があります。

以下の詳細な結論が導かれました。

材料は、インサートの厚さ h と収束オリフィスの母線の傾斜角 α に応じて、高密度 (α > αcrit.、気孔率 ≈ 60%) または疎 (α ≤ αcrit.、気孔率 ≈ 80%) フローモードで排出されます。。最大正規化質量排出率 MDRnorm。 h = 100 mm、α = 4°の場合は 3.2 から、h = 1.5、α = 55°の場合は 1.2 に減少しました。ほとんどの場合、収束オリフィスを通過する流量は、同じオリフィス直径のホッパーを通過する流量よりも高くなります。

d0 = 定数の場合。半円錐角αcritの臨界値。インサートの厚さ h のみに依存します。 α ≤ αcrit の場合。質量排出率は、フラットオリフィスについて得られたベベルルーの関係に従いました。半円錐角αcritの臨界値の双曲線型依存性。インサートの厚みに応じて、収束オリフィスの形状 (h,α) が、α 増加に対する質量排出率 MDR の逆反応の 2 つの領域に分離されました: (1) α < αcrit の場合、α 増加に伴う MDR の増加。 (2) α > αcrit の場合、α の増加に伴う MDR の減少。

球状粒子の単分散集合体で観察された傾向は、小麦、亜麻仁、菜種の敷料を試験したときにも維持されました。ただし、実験とシミュレーションの結果をより厳密に収束するには、シミュレーションパラメーターを微調整する必要があります。実際の粒子の幾何学的および機械的パラメータは完全な球のパラメータからは程遠いため、この不一致が生じます。

報告された研究の結果は、適切なオリフィス形状を適用することで、サイロから排出される粒状物質の流量を正確に制御できる可能性があることを示しています。実験測定の結果とシミュレーションがかなり厳密に一致していることは、DEM を粒状流が関与するシステムの機器の設計に使用できることを示しています。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。現在の研究中に精緻化されたデータセットに関するさらに詳細な情報は責任著者から入手でき、合理的な要求に応じて提供できます。

Xiao、Y.ら。平底サイロの出口付近の粒状流遷移の実験的研究。バイオシスト。工学 202、16-27。 https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2020.11.013 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Murray, A. & Alonso-Marroquin, F. 障害物がある場合の粒状流量の増加。パプ。物理学。 8(1)、080003 (2016)。

記事 Google Scholar

Zheng、QJ、Xia、BS、Pan、RH、Yu、AB 弾塑性モデルを使用した円錐形ホッパー内の質量排出率の予測。パウダーテクノロジー。 307、63–72。 https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.11.037 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Saleh, K.、Golshan, S.、Zarghami, R. サイロ内の自由流動粒状固体の重力流に関するレビュー - 基本と実践的側面。化学。工学科学。 192、1011–1035。 https://doi.org/10.1016/j.ces.2018.08.028 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Zuriguel, I. et al. 障害物の存在によるサイロの詰まりの軽減。物理学。レット牧師。 107、278001。https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.278001 (2011)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ロペス・ロドリゲス、D. 他粒状詰まりに対するホッパー角度の影響。物理学。 Rev. E 99、032901。https://doi.org/10.1103/PhysRevE.99.032901 (2019)。

記事 ADS Google Scholar

ワシントン州 Beverloo、HA 州 Leniger および J. Van de Velde。オリフィスを通る粒状固体の流れ。化学。工学科学。 15、260–269。 https://doi.org/10.1016/0009-2509(61)85030-6 (1961)。

記事 CAS Google Scholar

Gella, D.、Maza, D.、Zuriguel, I. サイロの流れの運動学的特性における粒子サイズの役割。物理学。 Rev. E 95、052904。https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.052904 (2017)。

記事 ADS Google Scholar

Zatloukal, Z. & Šklubalová, Z. 平底円筒形ホッパーの粒子排出速度に対するオリフィスの形状の影響。一部。科学。テクノロジー。 30、316–328。 https://doi.org/10.1080/02726351.2011.573839 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

Zaki, M. & Siraj, MS さまざまなオリフィス形状を備えた平底円筒形サイロの研究。パウダーテクノロジー。 354、641–652。 https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.06.041 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

ハーフェズ、A.ら。粒子形状が吐出や詰まりに及ぼす影響。科学。議員 11、3309。https://doi.org/10.1038/s41598-021-82744-w (2021)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ローズ、HF & タナカ、T. ビンとホッパーからの粒状物質の排出速度。エンジニア 208、465–469 (1959)。

Google スカラー

Huang, YJ, Nydal, OJ & Yao, B. 時間駆動法シミュレーションにおける非線形高密度粒状材料の時間ステップ基準。パウダーテクノロジー。 253、80-88。 https://doi.org/10.1016/j.powtec.2013.10.010 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Guo, Ch.、Ya, M.、Xu, Y.、Zheng, J. 有限要素法に基づく円錐形ホッパーと双曲形ホッパーの排出特性の比較。パウダーテクノロジー。 394、300–311。 https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.08.064 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Liu、H.ら。湾曲ホッパーの収縮率がサイロ排出の流れ特性に及ぼす影響の数値解析。パウダーテクノロジー。 356、858–870。 https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.09.033 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Huang, X.、Zheng, Q.、Yu, A.、Yan, W. 最大質量排出率を備えた最適化された湾曲ホッパー - 実験研究。パウダーテクノロジー。 377、350-360。 https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.08.084 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

https://www.landeeflange.com/an-introduction-to-the-welding-neck-flange.html (2022)。

ラムズデン、S. & ブラック、I. アメリカ石油協会の海底パイプラインの溶接ネックフランジ設計。 J. プロセスメカ。工学 224、23–33。 https://doi.org/10.1243/09544089JPME279 (2010)。

記事 Google Scholar

Nedderman, RM、Tüzün, U.、Savage, SB & Houlsby, GT 粒状物質の流れ - I: ホッパーからの排出速度。化学。工学科学。 37、1597–1609。 https://doi.org/10.1016/0009-2509(82)80029-8 (1982)。

記事 CAS Google Scholar

Hirshfeld, D.、Radzyner, Y. & Rapaport, DC 開口部を通る粒状流の分子動力学研究。物理学。 Rev. E 56(4)、4404–4415。 https://doi.org/10.1103/PhysRevE.56.4404 (1997)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Zuriguel, I.、Garcimartin, A.、Maza, D.、Pugnaloni、LA、Pastor, JM サイロから粒状物質を排出する際のジャミング。物理学。 Rev. E 71(5)、051303。https://doi.org/10.1103/PhysRevE.71.051303 (2005)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Cundall、PA & Strack、OD 粒状アセンブリの離散要素モデル。 Géotechnique 29(1)、47–65 (1979)。

記事 Google Scholar

Timoshenko, SP & Goodier, JN 弾性理論 (McGraw-Hill、1970)。

数学 Google Scholar

Horabik, J. et al. DEM シミュレーション用のシードの反発係数と粘弾性ヘルツ接触モデルの係数の決定。バイオシスト。工学 161、106–119。 https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2017.06.009 (2017)。

記事 Google Scholar

Huang, X.、Zheng, Q.、Yu, A.、Yan, W. 大量排出率を高めるための円錐形ホッパーの形状の最適化。パウダーテクノロジー。 361、179–189。 https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.09.043 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

農業物理学研究所、ポーランド科学アカデミー、Doświadczalna 4、20-290、ルブリン、ポーランド

ジョアンナ・ヴィエンチェク、ユゼフ・ホラビク、マレク・モレンダ、ピョートル・パラフィニウク、マチェイ・バンダ、マテウシュ・スタシアク

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

MM、PP、MB が開発し、実験を実施しました。数値シミュレーションは JH によって実行されました結果は MM、JH、および JW によって分析されました原稿は JH および JW によって執筆されましたすべての著者が結果について議論し、原稿についてコメントしました。

ジョアンナ・ヴィエンチェクへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープンアクセスこの記事はクリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブコモンズライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれています。素材が記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Wiącek、J.、Horabik、J.、Molenda、M. 他。平らな床のサイロからの球状粒子の排出速度を制御するために使用される収束オリフィス。 Sci Rep 13、669 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-27431-8

引用をダウンロード

受信日: 2022 年 10 月 28 日

受理日: 2023 年 1 月 2 日

公開日: 2023 年 1 月 12 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27431-8

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティガイドラインに従うことに同意したことになります。虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。