Granular Flow Module

Definizione delle proprietà e delle specie dei granuli

Con il Granular Flow Module è possibile specificare la dimensione, la densità e la rigidità dei grani, nonché i coefficienti di restituzione e attrito, e introdurre la resistenza al rotolamento o le forze adesive per le polveri fini. La forma dei grani è considerata sferica in 3D e cilindrica in 2D, con gradi di libertà traslazionali e rotazionali risolti a ogni passo temporale. È possibile definire più tipi di grani nello stesso modello, sia come specie distinte che ricavate dalle distribuzioni granulometriche, permettendo di catturare gli effetti di segregazione e miscelazione nei sistemi polidispersi. È inoltre possibile specificare proprietà termiche come la capacità termica specifica e la conducibilità quando si include il trasferimento di calore.

Modelli di collisione e contatto

Il modulo offre un controllo dettagliato sull'interazione tra i grani, con la possibilità di scegliere tra modelli elastici lineari, Hertz-Mindlin-Deresiewicz (Hertz-MD) o Hertz-MD con adesione. È possibile aggiungere forze senza contatto, come le interazioni di van der Waals, per catturare la coesione a lungo raggio. La resistenza alla rotazione può essere modellata utilizzando opzioni di coppia costante o dipendente dalla velocità. Sia per le collisioni grano-grano che grano-parete, è possibile personalizzare i coefficienti di restituzione, attrito e smorzamento. Questa flessibilità consente di personalizzare il comportamento di contatto per diversi tipi di materiali, dai pellet a flusso libero alle polveri coesive.

Analisi di miscelazione, segregazione e compattazione

Il Granular Flow Module può essere utilizzato per modellare il modo in cui le particelle si separano in base alle dimensioni, si mescolano in barili rotanti o miscelatori a nastro e vengono compattate in letti o contenitori rappresentati da geometrie CAD. Le funzioni di valutazione integrate forniscono misure quantitative come il numero di coordinazione. Inoltre, le opzioni di personalizzazione offrono la valutazione della frazione di impaccamento, della porosità e della varianza della concentrazione delle specie, consentendo analisi sia su microscala che su macroscala del comportamento del materiale sfuso. Queste misurazioni possono essere utilizzate per valutare l'efficienza di miscelazione, prevedere i modelli di segregazione e caratterizzare le proprietà strutturali dei letti impaccati. Combinando la dinamica dettagliata delle particelle con la valutazione dei risultati statistici, il modulo fornisce metriche preziose per l'ottimizzazione dei processi.

Valutazione e visualizzazione dei risultati

I risultati possono essere visualizzati come posizioni dei grani, traiettorie o percorsi completi delle particelle, con opzioni per colorare i grani in base alla velocità, alla forza, al tempo di rilascio, alla temperatura o al tipo di particella.

Gli strumenti di valutazione integrati, affiancati da metodi definiti dall'utente, consentono il calcolo e la visualizzazione di grandezze quali portata massica, pressione sulle pareti, densità di impaccamento, porosità e frequenza di collisione. Supportano anche analisi statistiche, inclusi istogrammi e medie di misure derivate come il numero di coordinazione e la varianza di concentrazione. Le animazioni evidenziano le dinamiche di scarico, diffusione, miscelazione e segregazione, mentre i grafici di contorno e di campo mettono in luce proprietà a livello macro come la porosità e la distribuzione delle sollecitazioni.

Queste caratteristiche consentono di interpretare il movimento su scala particellare e il comportamento complessivo in termini sia qualitativi che quantitativi.

Rilascio di particelle e caratteristiche di alimentazione

I grani possono essere introdotti da superfici o volumi, con controllo completo sulle loro posizioni iniziali, velocità e velocità di rilascio. Oltre ai casi monodispersi, i grani possono essere campionati da distribuzioni definite di proprietà e dimensioni dei materiali o dalle loro condizioni iniziali. È possibile simulare sia flussi continui che rilasci in batch, e combinare più caratteristiche di rilascio per rappresentare diversi flussi di materiale. I generatori di numeri casuali garantiscono la variabilità in termini di posizione, velocità o dimensione, con opzioni di riproducibilità che utilizzano dei semi fissi. Queste opzioni consentono di replicare condizioni di alimentazione realistiche in silos, tramogge, miscelatori e trasportatori.

Interazioni con pareti e contorni

Quando le particelle entrano in collisione con le pareti o escono da un dominio, è possibile personalizzarne il comportamento: si può consentire loro di attraversare le pareti o rimuoverle completamente tramite delle condizioni di uscita. È possibile impostare coefficienti di restituzione e attrito separati per le pareti ed è anche possibile modellare contorni mobili quali barili rotanti, miscelatori a nastro o setacci vibranti. È persino possibile definire le proprietà di contatto delle pareti per ogni coppia grano-parete, consentendo simulazioni di sistemi eterogenei con materiali a parete o trattamenti superficiali diversi.

Trasferimento di calore tra grani e pareti

Oltre alle interazioni meccaniche, il modulo supporta la modellazione del trasferimento di calore tra i grani e le pareti circostanti o i campi esterni. La temperatura dei grani viene calcolata come variabile aggiuntiva, ipotizzando una temperatura uniforme all'interno di ciascun grano. Lo scambio termico include la conduzione attraverso i contatti, la convezione con i mezzi circostanti e le fonti di calore esterne. La validità può essere valutata utilizzando il numero di Biot, garantendo che l'ipotesi di temperatura uniforme dei grani sia valida per particelle piccole e conduttive. Queste funzionalità consentono di studiare processi dipendenti dalla temperatura, come la diffusione della polvere nella produzione additiva o il trattamento termico di solidi sfusi.

Esportazione e importazione dei dati

Il Granular Flow Module offre una serie di opzioni per l'importazione e l'esportazione dei dati, utili sia per la configurazione del modello che per l'analisi dei risultati. I grani possono essere inizializzati da file di dati tabulari che definiscono le posizioni e le velocità delle particelle, con opzioni di ridimensionamento, traslazione e rotazione. Le distribuzioni iniziali possono anche essere importate da griglie strutturate o posizionate automaticamente all'interno di domini definiti dal CAD per condizioni di impaccamento o alimentazione realistiche.

Dopo l'esecuzione di una simulazione, i set di dati dei risultati forniscono l'accesso alla cronologia completa delle particelle, comprese le posizioni, le velocità, i raggi e le quantità derivate come la porosità, la frazione di impaccamento o le statistiche di collisione. I risultati elaborati quali le portate massiche e le pressioni sulle pareti, quali le visualizzazioni come traiettorie, campi colorati e istogrammi, possono essere esportati come immagini, animazioni o dati numerici grezzi per un ulteriore utilizzo in strumenti di terze parti.