مطالعه‌ی عددی المان گسسته در شناسایی اثر متغیرهای محرک ارتعاشی بر رفع گرفتگی و تخلیه‌ی سیلوی حاوی مواد دانه‌ای

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسندگان
اکبر جعفری 1
علی ابول قندی 2
آرش قریبی 2
1 دانشیار؛ گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فنی‌ و حرفه‌ای، تهران، ایران.
2 دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سیرجان، سیرجان، ایران.
10.22034/stme.2022.162700
چکیده
رژیم جریان خروجی سیلوها تحت تأثیر متغیر های مختلفی، ازجمله ویژگی‌های هندسی آن، جنس و اندازه‌ی ذرات و تجهیزات تسهیل‌کننده‌ی جریان قرار دارد. در این تحقیق، از روش المان گسسته جهت شبیه‌سازی و مطالعه‌ی اثر ارتعاشات ناشی از نصب ویبراتور بر جریان خروجی سیلوی حاوی مواد دانه‌ای استفاده شده است. جهت اطمینان به دقت محاسبات، آنالیز حساسیت به فاکتورهای حل عددی صورت پذیرفت. همچنین جهت اعتبارسنجی، مقایسه‌هایی با نتایج تجربی و عددی موجود در مراجع انجام شده است. مشاهده‌ی شرایط واقعی نشان می‌دهد که وقتی دهانه‌ی سیلو به اندازه‌ی کافی بزرگ نیست، سیلو دچار انسداد می‌شود. در این تحقیق، با انجام تعدادی شبیه‌سازی، آستانه‌ی اندازه‌ی دهانه که منجر به انسداد می‌شود تعیین گردید و به‌ عنوان اندازه‌ی بحرانی نام‌گذاری شد. اندازه‌های بزرگ‌تر و کوچک‌‌‌تر از آن به‌ترتیب غیربحرانی و فوق‌بحرانی معرفی شدند و مطالعات بر روی این سه حالت صورت پذیرفت. مطالعات عددی تحریک ارتعاشی دیواره‌ی سیلو، به‌ازای فرکانس ها و دامنه‌های مختلف انجام شده است. به‌علاوه، جهت پی‌بردن به تأثیر محل نصب ویبراتور، شبیه‌سازی‌های لازم انجام شد و بر اساس نتایج عددی، وقتی محل آن در محدوده‌ی 20%  از ارتفاع پایین قیف تخلیه بوده، بیشترین تأثیر را داشته است. به‌عنوان نمونه‌ای دیگر از نتایج، مشخص شد که با افزایش فرکانس، ارتعاش میزان اثرگذاری ویبراتور تقویت می‌شود، هرچند با افزایش دامنه‌ی ارتعاش، تفاوت تأثیر فرکانس‌های مختلف کاهش می‌یابد. در رابطه با اثرگذاری هرکدام از متغیرهای مسئله، علاوه‌بر توضیح نظری، به تفسیر و چرایی فیزیکی آن‌ها نیز پرداخته شده است.  
کلیدواژه‌ها
سیلو
انسداد
مواد دانه ای
المان گسسته
موضوعات

عنوان مقاله English

Effects of vibrator characteristics on uncloging and outflow of silo containing granular material-DEM approach

نویسندگان English

Akbar Jafari 1
Ali Abolghandi 2
Arash Gharibi 2
1 Department of Mechanical Engineering, Technical and Vocational University(TVU), Tehran, Iran.
2 Faculty of Mechanical Engineering, Sirjan University of Technology, Sirjan, Iran.
چکیده English

The output flow regime of the silo is influenced by different variables including its geometrical features, type and size of particles and flow aid devices. In this research, the Discrete Element Method (DEM) has been used to simulate and study effects of vibration, caused by installing a vibrator, on the output flow of silos containing granular materials. In order to ensure the accuracy of the simulations, the sensitivity analysis was performed on the numerical solution factors. For validation, comparisons with experimental and numerical results available in the open literature have been made. Observing the real conditions shows that when the opening of the silo is not large enough, the silo becomes blocked. Here, by performing a number of simulations, the opening size threshold at which the silo becomes blocked was determined and named as the critical size. Sizes larger and smaller than that threshold were introduced as non-critical and super-critical respectively, and numerical studies were carried out on these three cases. Numerical studies have been done for different values of the vibration frequency and amplitude. Moreover, to find out effects of the vibrator location, relevant stimulations were conducted, and based on the obtained results, when its location was within 20% of the bottom height of the discharge funnel, it had the greatest effect. As another conclusion, it was found that by increasing the vibration frequency, the impact of the vibrator increases however, the difference in the effects of different frequencies decreases with the increase of the vibration amplitude. Regarding effects of the studied variables, in addition to the theoretical explanation, their physical interpretation and reasoning has also been discussed.

کلیدواژه‌ها English

Silo
Blockage
granular material
DEM
[1].Janssen, H.A., Versuche uber Getreidedruck in Silozellen. Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure, 1895. 39: p. 1045-1049.
[2].Beverloo, W.A., H.A. Leniger, and J. van de Velde, The flow of granular solids through orifices. Chemical Engineering Science, 1961. 15(3–4): p. 260-269.
[3].Walker, D.M., An approximate theory for pressures and arching in hoppers. Chemical Engineering Science, 1966. 21(11): p. 975-997.
[4].Walters, J.K., A theoretical analysis of stresses in silos with vertical walls. Chemical Engineering Science, 1973. 28(1): p. 13-21.
[5].Arnold, P.C. and A.S. Kaaden, Reducing hopper wall friction by mechanical vibration. Powder Technology, 1977. 16(1): p. 63-66.
[6].Jarrett, N.D., A study of the influence of wall flexibility on pressure in rectangular silos, in School of Engineering and Design. 1991, Brunel University.
[7].To, K., P.-Y. Lai, and H.K. Pak, Jamming of Granular Flow in a Two-Dimensional Hopper. Physical Review Letters, 2001. 86(1): p. 71-74.
[8].Zuriguel, I., et al., Jamming during the discharge of grains from a silo described as a percolating transition. Physical Review E, 2003. 68(3): p. 030301.
[9].Uñac, R.O., et al., Experimental study of discharge rate fluctuations in a silo with different hopper geometries. Powder Technology, 2012. 225: p. 214-220.
[10]. Mellmann, J., T. Hoffmann, and C. Fürll, Mass flow during unloading of agricultural bulk materials from silos depending on particle form, flow properties and geometry of the discharge opening. Powder Technology, 2014. 253: p. 46-52.
[11]. Wilson, T.J., et al., Reply to the commentary on granular discharge rate for submerged hoppers. 2014. Vol. 6. 2014.
[12]. Huang, W., et al., Discharge characteristics of cohesive fine coal from aerated hopper. Powder Technology, 2009. 194(1–2): p. 126-131.
[13]. Lu, H., et al., Study on the fluidization and discharge characteristics of cohesive coals from an aerated hopper. Powder Technology, 2011. 207(1–3): p. 199-207.
[14]. Jafari, A. and R. Abbasi Hattani, Investigation of parameters influencing erosive wear using DEM. Friction, 2019.
[15]. Jafari, A., M. Javaheri, and G. Baradaran, Computer simulation to optimize roller screen settings providing higher efficiency in green pellets classification. Computers & Chemical Engineering, 2022. 161: p. 107767.
[16]. Goda, T.J. and F. Ebert, Three-dimensional discrete element simulations in hoppers and silos. Powder Technology, 2005. 158(1–3): p. 58-68.
[17]. Langston, P., et al., Vibration induced flow in hoppers: continuum and DEM model approaches. Granular Matter, 2009. 11(2): p. 99-113.
[18]. Fraige, F.Y., et al., Vibration induced flow in hoppers: DEM 2D polygon model. Particuology, 2008. 6(6): p. 455-466.
[19]. Matchett, A.J., A Theoretical Model of Vibrationally Induced Flow in Conical Hopper Systems. Chemical Engineering Research and Design, 2004. 82(1): p. 85-98.
[20]. González-Montellano, C., et al., Validation and experimental calibration of 3D discrete element models for the simulation of the discharge flow in silos. Chemical Engineering Science, 2011. 66(21): p. 5116-5126.
[21]. Kobyłka, R. and M. Molenda, DEM simulations of loads on obstruction attached to the wall of a model grain silo and of flow disturbance around the obstruction. Powder Technology, 2014. 256(0): p. 210-216.
[22]. Jafari, A. and V. Saljooghi Nezhad, Employing DEM to study the impact of different parameters on the screening efficiency and mesh wear. Powder Technology, 2016. 297: p. 126-143.
[23]. Johnson, K.L. and K.L. Johnson, Contact mechanics. 1987: Cambridge university press.
[24]. Brilliantov, N.V., et al., Model for collisions in granular gases. Physical Review E, 1996. 53(5): p. 5382-5392.
[25]. Yan-hua, C. and T. Xin, Application of the DEM to screening process: a 3D simulation. Mining Science and Technology, 2009. 19: p. 0493-0497.
[26]. Guifeng, W. and T. Xin, Screening efficiency and screen length of a linear vibrating screen using DEM 3D simulation. Mining Science and Technology (China), 2011. 21: p. 451–455.
[27]. Gear, C.W., Numerical initial value problems in ordinary differential equations 1971: Prentice-Hall, Englewood Cliffs.
[28]. Christoph Kloss, et al., Models, algorithms and validation for opensource DEM and CFD-DEM. Progress in Computational Fluid Dynamics, An Int. J., 2012. 12(2/3): p. 140-152.
[29]. Nedderman, R.M., et al., The flow of granular materials—I: Discharge rates from hoppers. Chemical Engineering Science, 1982. 37(11): p. 1597-1609.
 

  • تاریخ دریافت 30 مرداد 1401
  • تاریخ بازنگری 13 مهر 1401
  • تاریخ پذیرش 20 آذر 1401
  • تاریخ اولین انتشار 20 آذر 1401
  • تاریخ انتشار 01 اسفند 1401