Orificio convergente utilizado para controlar la velocidad de descarga de partículas esféricas desde un silo de piso plano.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 669 (2023) Citar este artículo

506 Accesos

Detalles de métricas

Se estudió experimental y numéricamente el efecto de la geometría del orificio convergente en un silo modelo sobre la velocidad de descarga de partículas esféricas monotamaño. El recipiente cilíndrico estaba equipado con insertos intercambiables con orificios de descarga convergentes de varios diámetros superiores en la base superior y un diámetro inferior constante en la base inferior. Se probaron perlas de plástico PLA y materiales granulares agrícolas: trigo, colza y linaza. Se realizó una serie de simulaciones del método de elementos discretos correspondientes a los experimentos realizados con un conjunto ampliamente extendido de condiciones de descarga experimentales. En el caso del espesor constante del inserto, la velocidad de descarga aumentó inicialmente con un aumento en el ángulo del semicono del orificio convergente y luego la tendencia se invirtió. En la mayoría de los casos, la tasa de descarga a través del orificio convergente fue mayor que a través de la tolva con el mismo diámetro de orificio.

Las cuestiones del flujo confiable de materiales granulares a través de orificios horizontales son el foco de interés en la mecánica y la tecnología granulares. A pesar de las largas investigaciones realizadas por físicos e ingenieros, numerosos efectos siguen sin estar claros1. Uno de esos efectos es la influencia de las condiciones límite alrededor de la compuerta de descarga sobre el patrón de flujo y la tasa de descarga másica (MDR) del material granular en un silo de almacenamiento2,3,4. El MDR es uno de los parámetros cruciales para el diseño y control de procesos que involucran flujo de materiales granulares y polvos. Un caudal constante y controlado con precisión es indispensable para preparar mezclas de materiales en numerosos sectores. La condición límite, es decir, la forma del volumen contenido en el orificio y sus alrededores, es un factor crucial que determina la fracción de volumen y, en consecuencia, el caudal a través del orificio1,5,6.

El caudal a través de un orificio horizontal se puede predecir eficientemente mediante la ecuación de Beverloo7, que establece que el caudal másico de descarga se puede expresar como \(MDR = C\rho_{b} \sqrt g (d - kd_{p} )^{5 /2}\), donde d es el diámetro del orificio, dp es el diámetro de la partícula, g es la aceleración de la gravedad, ρb es la densidad aparente del material descargado y C y k son los coeficientes empíricos de descarga y forma, respectivamente. Se ha revelado que el caudal es diferente para orificios pequeños y grandes (en relación con el diámetro de las partículas), y la relación de Beverloo se rompe para orificios pequeños. Gella, Maza y Zuriguel8 estudiaron experimentalmente el efecto del tamaño de las partículas sobre el caudal másico de un silo modelo. Los autores concluyeron que la relación entre el flujo de masa y la naturaleza de las interacciones de contacto entre partículas, la fricción o las diferencias en la energía cinética por unidad de área no es trivial, y es necesaria más investigación para aclarar estas cuestiones. Beverloo, Leniger y Van de Velde7 midieron la MDR durante la descarga de sólidos granulares (principalmente semillas de plantas) a través de un orificio en un recipiente de fondo plano. En tal configuración, el material estancado alrededor del orificio forma una tolva natural donde el flujo radial cambia a una corriente vertical suelta de partículas que fluyen hacia afuera. Zatloukal y Šklubalová9 llevaron a cabo un estudio sobre el efecto de la geometría del orificio cilíndrico en la velocidad de descarga de partículas para silos de fondo plano. Los autores han confirmado una relación entre la tasa de descarga y el tamaño del orificio; sin embargo, también han encontrado una dependencia del caudal de la altura del orificio. Zaki y Siraj10 han realizado simulaciones numéricas para tres formas de orificios colocados en el silo cilíndrico de fondo plano para perlas de vidrio esféricas. Se calcularon las constantes de la ecuación de Beverloo y se encontraron las diferencias entre las tasas de descarga másica para orificios circulares, triangulares y cuadrados. Hafez et al.11 han informado de un alto efecto de la forma de las partículas sobre el flujo de partículas descargadas desde el silo de fondo plano. La forma de las partículas define la interacción entre partículas y la movilidad relativa, lo que determina el caudal de descarga y el comportamiento de obstrucción del sólido granular.

En aplicaciones prácticas, se utilizan con frecuencia silos con tolvas cónicas, donde no se forma zona muerta y el material de descarga se desliza a lo largo de la superficie lisa de la tolva. Una de las primeras ecuaciones empíricas que predicen la dependencia de MDR del ángulo del semicono α de la tolva cónica propuesta por Rose y Tanaka12 se basa en la introducción en la ecuación de Beverloo del factor multiplicativo que comprende el impacto del ángulo del semicono y la inclinación de una zona estancada. Límite del material dentro de la tolva. Saleh, Golshan y Zarghami4 analizaron más de veinte modelos empíricos que relacionan el MDR con la geometría de la tolva. Como concluyeron los autores, hasta el momento no se ha establecido ninguna regla general para la relación entre el medio ángulo de la tolva α y el MDR.

Recientemente, se han publicado informes que presentan métodos numéricos para diseñar tolvas con una tasa de contracción variable para maximizar la tasa de descarga masiva de material granular. Los más utilizados son el método de elementos finitos13,14 o el método de elementos discretos15 con eficiencia corroborada por verificación experimental16. Algunos resultados han demostrado que la MDR se puede aumentar en casi un 140% en una tolva curva, en comparación con una tolva cónica con el mismo tamaño de orificio, altura de tolva y diámetro de silo. La geometría adecuada del silo puede permitir controlar con precisión el caudal de material granular que descarga el silo; sin embargo, comprender cómo manipular la tasa de descarga masiva requiere más investigación. Esto puede tener aplicaciones prácticas en medición, dosificación o mezcla.

Considerando los resultados de los estudios antes mencionados, el objetivo del proyecto reportado fue realizar un estudio sistemático del flujo a través de un orificio cónico convergente con varios valores de espesor y ángulo de medio cono. Se ha investigado la posibilidad de sustituir el fondo de la tolva por un fondo plano equipado con orificios de descarga convergentes en el silo. La motivación para el presente estudio proviene del flujo industrial de polvos y granos en diversos dispositivos. Las piezas convergentes, por ejemplo, bridas de cuello para soldar, son componentes comunes e importantes de muchos aparatos prácticos utilizados en el transporte y procesamiento de líquidos y sólidos granulares17,18.

Hasta el momento no se ha intentado utilizar un método numérico para analizar el caudal de materiales granulares a través de un orificio cónico convergente con varias geometrías. Por lo tanto, se han realizado series de simulaciones del método de elementos discretos, complementadas con experimentos de laboratorio. El aparato específico fue diseñado para el propósito de ese proyecto.

El silo experimental se ha utilizado para medir la tasa de descarga masiva MDR. El contenedor cilíndrico de fondo plano (Fig. 1a) tenía 150 mm de diámetro y 450 mm de alto. La pared del contenedor era de acero galvanizado, mientras que su suelo plano era de madera contrachapada. Se utilizaron como partículas de referencia perlas de plástico PLA con un diámetro de 5,95 mm, dp y una masa de 0,25 g. El número de partículas de PLA en la muestra era igual a 14.000. Se probaron trigo, semillas de colza y semillas de lino como partículas granulares agrícolas (Fig. 1b, Tabla 1). Los parámetros de fricción de las partículas se determinaron mediante el uso del método de mesa basculante (Tabla 2). El diámetro del silo fue 25 veces mayor que el diámetro mayor de las partículas, lo que, según hallazgos reportados en la literatura, permitió ignorar la influencia de la pared del silo19,20,21. Se adoptó un procedimiento de llenado repetible para mantener una estructura de lecho geométrica similar en pruebas posteriores. Se colocó un tamiz axialmente sobre la superficie superior del silo. La cantidad medida de partículas se vertió a través del tamiz. Una vez finalizado el llenado, se niveló la superficie libre superior. Se abrió la compuerta de descarga y se midió la masa de partículas que salían del contenedor hasta completar la descarga. Se utilizaron indicaciones de tres celdas de carga que soportan el silo para determinar el cambio en la masa del silo y las partículas durante la descarga. El cambio en la masa de las partículas descargadas también se determinó a partir de la indicación de una celda de carga que soporta el contenedor receptor (no incluida en la Fig. 1a). El valor medio de las salidas de estos dos métodos de medición se utilizó para calcular la tasa de descarga. El contenedor estaba equipado con inserciones de plástico impresas en 3D intercambiables de varios espesores, h. El orificio convergente en el fondo plano del silo modelo se definió mediante tres parámetros: el diámetro inferior, d0, el diámetro superior, d1, y el espesor del inserto, h (es decir, la distancia entre el borde inferior y superior del orificio). . Se seleccionaron los orificios convergentes con el diámetro inferior d0 de 32,5 mm y varios diámetros superiores d1 para verificar el hallazgo clave de las simulaciones DEM. El inserto se colocó en el orificio cilíndrico del piso plano de madera contrachapada y se alineó con la superficie superior del fondo (Fig. 1a). El inserto con el diámetro superior del orificio d1 = 32,5 mm, el diámetro inferior d0 = 52,5 mm y el espesor h = 6 mm sirvió como orificio plano de referencia (α = − 60º). Se realizaron tres experimentos replicados para cada material.

(a) Esquema del contenedor modelo con un inserto intercambiable que alberga el orificio convergente utilizado para probar la tasa de descarga masiva, y (b) partículas y semillas de PLA utilizadas para los experimentos.

Las simulaciones de DEM22 se han realizado con un conjunto de 14.000 partículas esféricas con diámetros distribuidos aleatoriamente en el rango de 5,94 a 5,96 mm, con una media, dp, de 5,95 mm, para reproducir el tamaño de las partículas esféricas de PLA aplicadas en los experimentos como el material de referencia. La geometría numérica imitó la configuración experimental. Los espesores h de los insertos se ensayaron en un rango de 0 a 100 mm. La mayoría de ellos eran multiplicidades normales del diámetro medio de las partículas. El diámetro inferior d0 osciló entre 19 y 55 mm y el diámetro superior d1 osciló entre 32,5 y 72 mm, proporcionando el ángulo del semicono entre 4 y 90º. El diámetro inferior de referencia d0 del orificio fue de 32,5 mm. El orificio plano con d1 = 32,5 mm (d0 > d1) sirvió como orificio de referencia proporcionando una descarga no perturbada. La descarga a través de tolvas cónicas con el mismo ángulo de semicono que el del orificio convergente proporcionó datos de referencia adicionales de la tasa de descarga másica. El diámetro del orificio de la tolva fue de 32,5 mm y el diámetro superior fue de 150 mm.

Se aplicó el modelo de contacto antideslizante de Hertz-Mindlin para simulaciones siguiendo la teoría de Hertz23 como modelo predeterminado utilizado en el paquete de software EDEM24. Los parámetros materiales de las partículas se tomaron para reproducir las propiedades de las partículas de PLA: densidad sólida ρ = 2212 kg/m3, módulo de Young E = 8,8 GPa y relación de Poisson ν = 0,2525. Los parámetros de fricción entre partículas μp-p = 0.47, entre partícula y pared μp-w = 0.49, y entre partícula y fondo (inserto de plástico) μp-b = 0.21, así como el coeficiente de restitución e = 0.3 se determinaron experimentalmente. Para las simulaciones se aplicó un valor predeterminado de fricción de rodadura de 0,01 del software EDEM. Las paredes del silo se modelaron con densidad ρ = 7800 kg/m3, módulo de Young E = 200 GPa y relación de Poisson ν = 0,25, que fueron parámetros materiales del acero.

Las partículas se generaron dentro del silo modelo. Luego, las partículas se descargaron a través de un orificio plano ubicado centralmente, un orificio convergente o una tolva cónica (Fig. 2). Las simulaciones se realizaron con un paso de tiempo de 1,6∙10–6 s con el uso del paquete de software EDEM24.

Visualización de las fuerzas de contacto entre partículas en la porción media del silo modelo en reposo: (a) orificio plano, (b) orificio convergente, (c) tolva con el mismo α que el del orificio convergente.

Las simulaciones se realizaron según el siguiente esquema de configuración de los parámetros del orificio convergente:

(1) d1 = var., α = var., d0 = const., h = const.,

(2) d0 = var., d1 = d0 + const., h = const., α = const.,

(3) d0 = var., α = var., d1 = const., h = const.

Las simulaciones DEM preliminares realizadas para el orificio plano (d0 > d1) con el diámetro d1 en el rango de 19 a 35 mm indicaron que el tamaño umbral del orificio que proporcionaba un flujo ininterrumpido de material desde el silo era de 32,5 mm. Por lo tanto, en el estudio posterior se aplicó para las simulaciones el diámetro inferior d0 = 32,5 mm. La relación simulada por DEM entre la tasa de descarga de masa MDR y el diámetro superior del orificio convergente d1 para d0 = 32,5 mm y varios valores del espesor del inserto h se muestran en la Fig. 3a. Para comparar, se añadió el MDR calculado según la ecuación de Beverloo con los parámetros C = 0,319 y k = 1,65 aplicados al orificio plano. Para todos los espesores del inserto, los valores de MDR inicialmente siguieron la aproximación de Beverloo hasta que se alcanzó el MDR máximo. Los máximos de MDR y el d1 correspondiente aumentaron con el aumento del espesor del inserto. Estaban ubicados cerca de la aproximación de Beverloo. A continuación, después de superar el máximo, el MDR disminuyó inicialmente bastante rápido y con un d1 creciente que tiende a una asíntota horizontal. El valor asintótico del MDR para d1 suficientemente alto (es decir, para α que tiende a 90º) es el MDR para el orificio plano de d1 = 32,5 mm.

(a) Tasa de descarga de masa MDR influenciada por el diámetro superior del orificio d1 para d0 = 32,5 mm y varios valores del espesor del orificio h. Descarga a través del orificio plano aproximado por la ecuación de Beverloo para C = 0,54 y k = 1,65, y (b) norma MDR simulada. normalizado por la velocidad de descarga de masa a través del orificio plano con d1 = d0 = 32,5 mm en función del ángulo del semicono α.

La Figura 3b muestra un cambio en la tasa de descarga de masa normalizada (MDRnorm.) con el aumento del ángulo del medio cono α del orificio convergente. Las tasas de descarga masiva se normalizaron mediante la tasa de descarga masiva determinada para el orificio plano de d1 = 32,5 mm. Para todos los espesores probados, la norma MDR. inicialmente aumentó con el aumento de α. Después de alcanzar el máximo en αcrit., el caudal másico disminuyó monótonamente hasta el MDR obtenido para el orificio de referencia plano (es decir, MDRnorm. → 1). El máximo más alto de la norma MDR. (> 3) se obtuvo para αcrit. = 4º y h = 100 mm. Los valores máximos de MDRnorm. disminuyeron con la disminución en el espesor del inserto y se observaron por el mayor ángulo de medio cono αcrit. Para valores pequeños de αcrit. la máxima norma MDR. Los valores obtenidos para el orificio convergente fueron un 5% inferiores a los obtenidos para la tolva con el mismo ángulo de medio cono α y el mismo diámetro de orificio de 32,5 mm, mientras que los máximos para α > 20º fueron aproximadamente un 10% superiores a los de la tolva.

El curso de las relaciones MDRnorm.(α) puede interpretarse a la luz del criterio de Jenike para el patrón de flujo en una tolva cónica como dependiente del ángulo de fricción interna y del valor α14,24. En el caso de una tolva empinada (α baja), se produce un flujo másico. Después de un aumento de α hasta un valor límite, el patrón de flujo cambia a un flujo en embudo. Un aumento adicional de α conduce a la formación de una zona muerta estable con un flujo convergente idéntico al presente en un silo de piso plano.

Los resultados de las pruebas de laboratorio realizadas para cuatro materiales granulares descargados desde el orificio convergente con una geometría que proporciona el máximo MDR en las simulaciones DEM se compararon con los resultados numéricos obtenidos para la misma geometría del orificio convergente y para la tolva (Fig. 4). . Los resultados experimentales y numéricos coincidieron razonablemente. Ambos mostraron la misma tendencia de disminución de MDRnorm. con el αcrit. aumentar. La mayoría de los resultados experimentales se ubicaron muy cerca de los resultados de las simulaciones realizadas para el orificio convergente. Los valores de MDRnorm. para las semillas de colza fueron menores que para los demás materiales, lo que debería atribuirse a la diferencia en el tamaño de las semillas, más del doble. Esto concuerda con los hallazgos reportados por Gella, Maza y Zuriguel8, quienes señalaron diferentes perfiles de la fracción sólida en las proximidades del orificio en conjuntos de esferas del mismo material y una diferencia de diámetro cuatro veces mayor. Los cursos bastante cercanos de las relaciones MDRnorm.(αcrit.) para la tolva y para el orificio convergente indican un papel crucial de la geometría de la proximidad de la salida para el caudal del material de descarga. Las condiciones en la pared de la tolva más alejada de la salida parecen tener sólo una influencia débil en el caudal.

Comparación de los valores experimentales y simulados DEM de la tasa de descarga de masa normalizada MDRnorm. obtenido para diferentes valores del ángulo crítico del semicono αcrit..

El análisis de la dependencia del MDR de α determinado para d0 = 32,5 mm y para todos los valores probados de los parámetros d1 y h ha demostrado que la dependencia del valor crítico del ángulo del semicono del espesor del orificio αcrit.(h ) separó la geometría del orificio convergente (h,α) en dos regiones con respecto a la dependencia del MDR de α para d0 = const.: (1) el MDR aumenta con el aumento de α para α ≤ αcrit. y (2) la MDR disminuye con el aumento de α para α > αcrit. (Figura 5).

Relación αcrit.(h) que separa la geometría del orificio convergente (h,α) en dos regiones de aumento (α < αcrit.) y disminución (α > αcrit.) de la tasa de descarga de masa MDR con α aumento determinado para d0 = 32,5 milímetros.

La Figura 6 presenta la tasa de descarga de masa MDR como función del diámetro superior d1 del orificio convergente para dos valores del espesor del inserto h y el ángulo del medio cono αcrit. proporcionando la máxima tasa de descarga, en comparación con los resultados obtenidos para el orificio plano y la relación de Beverloo. El valor crítico del ángulo del semicono αcrit. dependía sólo del espesor del inserto h. Contrariamente a las relaciones mostradas por el esquema de simulación No. 1 (d0 = 32,5 mm, d1 = var.) (Fig. 4), las relaciones obtenidas usando el esquema No. 2 (d1 = var., d1 = d0 + const., h = const., α = const.) siguió muy bien la relación de Beverloo. Esto significa que la relación MDR(d1) obtenida para el orificio convergente con α = const. ≤ αcrit. siguió la relación de Beverloo obtenida para el orificio plano.

Comparación de relaciones MDR(d1) simuladas realizadas para el orificio plano y dos valores del espesor del orificio h del orificio convergente y el ángulo del medio cono αcrit. proporcionando la tasa de descarga máxima con predicciones de la ecuación de Beverloo.

Las simulaciones realizadas según el tercer esquema de ajuste de los parámetros del orificio ilustran claramente los límites de la influencia del diámetro superior e inferior del orificio convergente sobre el MDR. La Figura 7a presenta la relación MDR(d0) y la Fig. 7b muestra la relación MDR(α), promediada durante diez momentos de tiempo, para tres valores diferentes del espesor h y el diámetro superior d1. En el caso de h = 100 mm, el MDR máximo claro se observó para d0 = 32,5 mm seguido de la meseta para d0 > 32,5 mm. Para h = 12 y 6 mm, la dependencia fue más difusa y la meseta comenzó en d0 un poco más grande que 32,5 mm. Para d1 = const., el MDR aumentó con d0 hasta su máximo/meseta y permaneció casi constante con el aumento adicional de d0 (Fig. 7a). Sustituyendo la variable d0 por el correspondiente ángulo del semicono α bajo la condición d1 = const., se puede observar que el MDR se mantuvo casi constante para α ≤ αcrit. y disminuyó con el aumento de α para α > αcrit. (Figura 7b). La dispersión del MDR ilustrada en la Fig. 7 cuando las barras de desviación estándar perturbaron la determinación precisa de α que inicia la meseta. La diferencia en el curso de las dependencias presentada en las Figs. 3 y 7 resultan de aplicar las diferentes variables x independientes: d1 en la Fig. 3a y d0 en la Fig. 7a. Además, el ángulo del semicono α aplicado en la Fig. 3b y la Fig. 7b depende de manera diferente de las variables d0 y d1 (\(\alpha = \tan^{ - 1} {{((d_{1} - d_{ 0} )} \mathord{\left/ {\vphantom {{((d_{1} - d_{0} )} {2h}}} \right. \kern-0pt} {2h}})\)). La relación MDR(α(d0)) se puede convertir en relación MDR(α(d1)) aplicando la superposición de relaciones obtenidas según los esquemas de Descarga N° 3 y N° 2.

Tasa de descarga de masa MDR versus: (a) el diámetro inferior del orificio d0, (b) el ángulo de medio cono del orificio α para tres valores diferentes del espesor h del orificio convergente y el diámetro superior d1 que proporciona el MDR máximo para d0 = 32,5 mm.

La Figura 8 muestra cambios en la porosidad media del conjunto de partículas esféricas determinada en el volumen del orificio de d0 = 32,5 mm, para espesores de inserción de 100 mm (Fig. 8a), y 12 mm (Fig. 8b), en el momento de la detención. , después del llenado y durante el inicio de la descarga. La porosidad se define como la relación entre el volumen de poros y el volumen del conjunto. Se ha mostrado la variación temporal de la porosidad en el volumen del orificio para varios valores de α. Después del llenado, la porosidad fue aproximadamente del 48% en condiciones estáticas. Para el inserto con h = 100 mm, el comienzo de la descarga produjo un fuerte aumento en la porosidad a un valor dependiente de α (Fig. 8a). Para valores de α inferiores a 4°, el aumento fue casi inmediato. Un aumento adicional de α a 4° produjo un cambio sustancial en la relación p(t) con un cambio en la porosidad que duró aproximadamente 1,4 s. La porosidad del material que fluye a través del volumen del orificio convergente fue aproximadamente del 83% para α ≤ 4° y del 53% para α ≥ 5°. El aparentemente ligero aumento de α de 3° a 4° y posteriormente a 5° produjo cambios sustanciales en el comportamiento del material. El valor límite del ángulo del semicono fue α = αcrit. = 4°. La porosidad dentro del volumen correspondiente de la tolva del ángulo del semicono α = 4° durante la descarga fue del 53%, es decir, fue igual a los valores de flujo denso obtenidos para el orificio convergente con α > αcrit. Lo mismo Se observó una tendencia a cambios en la porosidad para el inserto con h = 12 mm y αcrit. = 19,7º (Figura 8b). En este caso, las relaciones no fueron tan claras como para h = 100 mm debido a la dispersión relativamente grande de datos resultante de la naturaleza discreta del proceso con un promedio de ocho veces el volumen del amante.

Porosidad del conjunto granular dentro del volumen del orificio de d0 = 32,5 mm vs. tiempo durante el llenado, detención y descarga para: (a) h = 100 mm, (b) h = 12 mm.

La comparación de los perfiles de velocidad Vz de las partículas durante la descarga para el orificio plano, el orificio convergente y la tolva con los mismos α y d0 (Fig. 9) explica la causa del aumento en la tasa de descarga másica a través del orificio convergente a valores obtenido para la tolva. Para el orificio convergente, al nivel del borde inferior del orificio, la velocidad de las partículas era aproximadamente dos veces mayor que la velocidad de las partículas que salían del orificio (Fig. 9a). La Figura 8a muestra que la porosidad en el orificio convergente también fue aproximadamente dos veces mayor que en la tolva. Por lo tanto, la tasa de descarga de masa, el producto de la velocidad de las partículas y la densidad aparente, fue similar para el orificio convergente y la tolva con el mismo ángulo de semicono α.

Perfiles de la velocidad vertical Vz promediados en diez momentos de tiempo, para el orificio de d0 = 32,5 mm: (a) en dirección radial r al nivel del borde inferior del orificio, (b) en dirección vertical z (promediada en la sección transversal del orificio).

Los perfiles de la velocidad de las partículas Vz en la dirección vertical han demostrado que la mayor aceleración de las partículas se produjo en el orificio convergente (Fig. 9b). El aumento de la porosidad durante el inicio de la descarga a través del orificio convergente suavizó la estructura de la mayor parte de las partículas y, en consecuencia, facilitó la aceleración de las partículas debido a la gravedad. Finalmente, resultó en una mayor velocidad al nivel del borde inferior del orificio. El ablandamiento de la estructura de la masa de partículas en el volumen del orificio convergente con un espesor de unos pocos diámetros de partícula garantiza la misma velocidad de descarga en masa que la descarga de la estructura densa de la masa de partículas a través de la tolva. Esto significa que, aplicando diferentes geometrías del orificio, se puede lograr una velocidad de descarga másica similar mediante una corriente de partículas más densamente empaquetadas con una velocidad de partícula más baja o una corriente de partículas más sueltas con una velocidad de partícula más alta.

La necesidad de una comprensión más profunda de la región de transición cinemática cerca de la salida del silo es importante para una tasa de descarga controlada con precisión1,5. Por lo tanto, se seleccionaron las dimensiones del orificio como variables para estudiar la descarga a través del orificio convergente.

El orificio convergente puede considerarse como una tolva curva extremadamente simplificada reducida a dos segmentos: un fondo plano y una parte corta de la tolva. Los estudios sobre el efecto de la geometría de un orificio cónico convergente sobre el caudal másico de material granular son escasos. Por ello, en este proyecto se consideró como punto de referencia los resultados obtenidos para silos con tolvas cónicas. En la mayoría de los casos, el caudal por el orificio convergente es mayor que por la tolva con el mismo diámetro de orificio. Por tanto, la tolva cónica se puede sustituir por una de fondo plano equipada con un orificio convergente de menor diámetro para obtener el mismo caudal de descarga. Los valores del MDR obtenidos para el orificio convergente se ubicaron cercanos a los proporcionados por la tolva y considerablemente más bajos que los valores proporcionados por la tolva curva, presentados por Huang et al.16,26 y Guo et al.14.

La principal novedad del estudio es la indicación de la relación de tipo hiperbólico entre el ángulo del semicono αcrit. y el espesor del inserto con orificio convergente h que separa la geometría del orificio convergente en dos regiones con respecto a la dependencia del MDR de α para d0 = const.: (1) el MDR aumenta con el aumento de α para α ≤ αcrit. y (2) la MDR disminuye con el aumento de α para α > αcrit. Los resultados de este estudio corroboraron la observación de que el modo de flujo (densidad aparente de la corriente y velocidad de las partículas) de material granular a través de un orificio convergente cónico depende de la mitad Ángulo cónico del orificio. Para α < αcrit., el inicio de la descarga produce un rápido aumento de la porosidad del material en el volumen del orificio asociado con la mayor velocidad de las partículas. Alcanzar α = αcrit. produjo un cambio sustancial. El aumento de la porosidad con el tiempo de descarga fue mucho más lento y casi lineal. Ligeramente superando el αcrit. (en uno o dos grados) permitió un flujo más denso con una velocidad de partícula más baja.

En el fondo plano del contenedor se forma una zona muerta generando una tolva natural. En esta zona, la dirección del flujo cambia de vertical a convergente, lo que está asociado con el ablandamiento de la estructura del material. En una tolva, el cambio en la dirección del movimiento de las partículas es mucho más suave, lo que resulta en una dilatación y aceleración mucho menores a lo largo de la línea recta del movimiento de las partículas. A pesar de una diferencia tan grande en las características del movimiento de partículas entre el orificio convergente y la tolva, la tasa de descarga de masa puede ser similar para el mismo ángulo de medio cono y la altura apropiadamente ajustada del orificio convergente. Como concluyen Gella, Maza y Zuriguel8, es difícil afirmar definitivamente qué propiedad específica de las partículas es responsable de los cambios macroscópicos observados en el sistema. La relación entre todas estas magnitudes no es trivial y es necesaria más investigación para aclarar estas cuestiones. Comprender cómo manipular y controlar la tasa de descarga masiva puede tener un impacto positivo en la productividad y la calidad de las operaciones de las unidades industriales.

Se extrajeron las siguientes conclusiones detalladas:

El material se descarga en modo de flujo denso (α > αcrit., porosidad ≈ 60%) o suelto (α ≤ αcrit., porosidad ≈ 80%) dependiendo del espesor del inserto h y del ángulo de inclinación de la generatriz del orificio convergente α . La tasa máxima de descarga masiva normalizada MDRnorm. disminuyó de 3,2 para h = 100 mm y α = 4º a 1,2 para h = 1,5 y α = 55º. En la mayoría de los casos, el caudal por el orificio convergente es mayor que por la tolva con el mismo diámetro de orificio.

Para d0 = constante. el valor crítico del ángulo del semicono αcrit. dependía sólo del espesor del inserto h. Para α ≤ αcrit. la tasa de descarga masiva siguió la relación de Beverloo obtenida para el orificio plano. La dependencia de tipo hiperbólico del valor crítico del ángulo del semicono αcrit. en el espesor del inserto separó la geometría del orificio convergente (h, α) en dos regiones de reacción opuesta de la tasa de descarga de masa MDR al aumento de α: (1) aumento del MDR con aumento de α para α < αcrit. y (2) disminución del MDR con aumento de α para α > αcrit.

Las tendencias observadas para el ensamblaje monodisperso de partículas esféricas se conservaron cuando se probaron lechos de trigo, semillas de línea y colza. Sin embargo, una mayor convergencia de los resultados de los experimentos y simulaciones requeriría un ajuste fino de los parámetros de simulación. Los parámetros geométricos y mecánicos de las partículas reales están lejos de los de una esfera perfecta, lo que da lugar a esta discrepancia.

Los resultados del estudio informado muestran que la aplicación de una geometría de orificio adecuada puede permitir un control preciso del caudal de material granular descargado del silo. La correspondencia bastante estrecha entre los resultados de las mediciones experimentales y las simulaciones muestra que DEM se puede utilizar para diseñar equipos en sistemas que involucran flujo granular.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado. El autor correspondiente puede proporcionar más información detallada sobre los conjuntos de datos elaborados durante el estudio actual y se puede proporcionar a pedido razonable.

Xiao, Y. et al. Estudio experimental de transición de flujo granular cerca de la salida en un silo de fondo plano. Biosistema. Ing. 202, 16-27. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2020.11.013 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Murray, A. & Alonso-Marroquin, F. Aumento del caudal granular con obstrucciones. Papilla. Física. 8(1), 080003 (2016).

Artículo de Google Scholar

Zheng, QJ, Xia, BS, Pan, RH y Yu, AB Predicción de la tasa de descarga masiva en tolvas cónicas utilizando un modelo elastoplástico. Tecnología en polvo. 307, 63–72. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.11.037 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Saleh, K., Golshan, S. y Zarghami, R. Una revisión sobre el flujo por gravedad de sólidos granulares de flujo libre en silos: aspectos básicos y prácticos. Química. Ing. Ciencia. 192, 1011–1035. https://doi.org/10.1016/j.ces.2018.08.028 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Zuriguel, I. et al. Reducción de la obstrucción del silo por presencia de un obstáculo. Física. Rev. Lett. 107, 278001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.278001 (2011).

Artículo ADS CAS Google Scholar

López-Rodríguez, D. et al. Efecto del ángulo de la tolva sobre la obstrucción granular. Física. Rev. E 99, 032901. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.99.032901 (2019).

ADS del artículo Google Scholar

Beverloo, WA, Leniger, HA y Van de Velde, J. El flujo de sólidos granulares a través de orificios. Química. Ing. Ciencia. 15, 260–269. https://doi.org/10.1016/0009-2509(61)85030-6 (1961).

Artículo CAS Google Scholar

Gella, D., Maza, D. & Zuriguel, I. Papel del tamaño de las partículas en las propiedades cinemáticas del flujo del silo. Física. Rev. E 95, 052904. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.052904 (2017).

ADS del artículo Google Scholar

Zatloukal, Z. & Šklubalová, Z. El efecto de la geometría del orificio en la tasa de descarga de partículas para una tolva cilíndrica de fondo plano. Parte. Ciencia. Tecnología. 30, 316–328. https://doi.org/10.1080/02726351.2011.573839 (2012).

Artículo CAS Google Scholar

Zaki, M. & Siraj, MS Estudio de un silo cilíndrico de fondo plano con diferentes formas de orificios. Tecnología en polvo. 354, 641–652. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.06.041 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Hafez, A. et al. El efecto de la forma de las partículas sobre la descarga y la obstrucción. Ciencia. Rep. 11, 3309. https://doi.org/10.1038/s41598-021-82744-w (2021).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Rose, HF y Tanaka, T. Tasa de descarga de materiales granulares de contenedores y tolvas. Ingeniero 208, 465–469 (1959).

Google Académico

Huang, YJ, Nydal, OJ y Yao, B. Criterios de paso de tiempo para materiales granulares compactos densos no lineales en simulaciones de métodos basados en el tiempo. Tecnología en polvo. 253, 80–88. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2013.10.010 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Guo, Ch., Ya, M., Xu, Y. & Zheng, J. Comparación de las características de descarga de tolvas cónicas e hiperbólicas según el método de elementos finitos. Tecnología en polvo. 394, 300–311. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.08.064 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Liu, H. y col. Análisis numérico del efecto de la tasa de contracción de la tolva curva sobre las características de flujo de la descarga del silo. Tecnología en polvo. 356, 858–870. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.09.033 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Huang, X., Zheng, Q., Yu, A. y Yan, W. Tolvas curvas optimizadas con tasa de descarga de masa máxima: un estudio experimental. Tecnología en polvo. 377, 350–360. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.08.084 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

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

Lumsden, S. & Black, I. Diseño de brida de cuello de soldadura del American Petroleum Institute para tuberías submarinas. J. Mecánico de procesos. Ing. 224, 23–33. https://doi.org/10.1243/09544089JPME279 (2010).

Artículo de Google Scholar

Nedderman, RM, Tüzün, U., Savage, SB & Houlsby, GT El flujo de materiales granulares—I: Tasas de descarga de tolvas. Química. Ing. Ciencia. 37, 1597–1609. https://doi.org/10.1016/0009-2509(82)80029-8 (1982).

Artículo CAS Google Scholar

Hirshfeld, D., Radzyner, Y. & Rapaport, DC Estudios de dinámica molecular del flujo granular a través de una apertura. Física. Rev.E 56(4), 4404–4415. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.56.4404 (1997).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Zuriguel, I., Garcimartín, A., Maza, D., Pugnaloni, LA & Pastor, JM Atasco durante la descarga de material granular de un silo. Física. Rev.E 71(5), 051303. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.71.051303 (2005).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Cundall, PA y Strack, OD Un modelo de elementos discretos para ensamblajes granulares. Géotechnique 29(1), 47–65 (1979).

Artículo de Google Scholar

Timoshenko, SP & Goodier, JN Teoría de la elasticidad (McGraw-Hill, 1970).

MATEMÁTICAS Google Scholar

Horabik, J. y col. Determinación del coeficiente de restitución de semillas y coeficientes de modelos de contacto viscoelásticos de Hertz para simulaciones DEM. Biosistema. Ing. 161, 106-119. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2017.06.009 (2017).

Artículo de Google Scholar

Huang, X., Zheng, Q., Yu, A. y Yan, W. Optimización de la forma de tolvas cónicas para aumentar la tasa de descarga masiva. Tecnología en polvo. 361, 179–189. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.09.043 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Descargar referencias

Instituto de Agrofísica, Academia Polaca de Ciencias, Doświadczalna 4, 20-290, Lublin, Polonia

Joanna Wiącek, Józef Horabik, Marek Molenda, Piotr Parafiniuk, Maciej Bańda y Mateusz Stasiak

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

MM, PP y MB desarrollaron y realizaron los experimentos. Las simulaciones numéricas fueron realizadas por JH. Los resultados fueron analizados por MM, JH y JW. El manuscrito fue escrito por JH y JW. Todos los autores discutieron los resultados y comentaron sobre el manuscrito.

Correspondencia a Joanna Wiącek.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado al autor(es) original(es) y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Wiącek, J., Horabik, J., Molenda, M. et al. Orificio convergente utilizado para controlar la velocidad de descarga de partículas esféricas de un silo de piso plano. Representante científico 13, 669 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27431-8

Descargar cita

Recibido: 28 de octubre de 2022

Aceptado: 02 de enero de 2023

Publicado: 12 de enero de 2023

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

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.