Partikkelidynamiikkasimulaatioilla mallinnetaan järjestelmiä, joissa käsitellään lukuisista partikkeleista koostuvaa materiaalia. Tällaisissa tapauksissa partikkelimäärä voi olla lukemattoman suuri, mutta massan koostumus ja käyttäytyminen voi kuitenkin olla kaukana nestettä muistuttavasta kontinuumivirtauksesta. Tällaisessa tilanteessa FEM, MBD tai CFD laskennan sijaan tai rinnalle on suositeltavaa ottaa esimerkiksi DEM (Discrete Element Method) lähestymistapa. DEM-analyysillä on mahdollista tarkastella monenlaisia kiintoaineen käsittelyyn liittyviä teollisuuden prosesseja.
Partikkelidynamiikkasimulaatioilla voidaan selvittää partikkelien hajoamista, kulumista ja kuluttavaa vaikutusta rakenteille. Mielivaltaisen muotoisten partikkeleiden simulointi on mahdollista, mutta niin on myös suurien partikkelimäärien yksinkertaistaminen edustaviksi partikkelipaketeiksi. Partikkelidynaaminen malli on kytkettävissä lujuuslaskentamalliin (FEM), jolloin partikkelien aiheuttamat staattiset ja dynaamiset kuormitukset muille rakenteille on ratkaistavissa. Partikkelidynaaminen malli on kytkettävissä myös virtauslaskentamalliin (CFD tai LBM), jolloin partikkelien vaikutus nesteen tai kaasun käyttäytymiseen voidaan huomioida. Partikkelimassan ei tarvitse DEM-mallissakaan olla kuivaa, vaan koheesiovoimien tai SPH-mallin (soft particle hydrodynamics) avulla voidaan mallintaa kosteampaakin materiaalia.
Rakeista massaa voidaan sekoittaa käsittelytarkoituksissa tai muokata ja hajoittaa tasaisemmaksi rummuttamalla. DEM-mallinnus voi tällaisissa prosesseissa vastata mm. kysymyksiin:
Joissakin prosesseissa on tarkoitus lajitella ja erottaa erilaisia partikkelikokoluokkia tai partikkelityyppejä toisistaan. DEM-mallinnuksella voidaan tällöin tarkastella mm.:
Vastaavia tarkasteluja voidaan tehdä myös CFD-laskennan keinoin, mutta DEM tai DEM-CFD kytkentä mahdollistaa paremmin erilaisten partikkeligeometrioiden huomioimisen.
Kovan materiaalin murskaaminen ja lajittelu on kaivosteollisuudessa ja maanrakennuksessa välttämätöntä toimintaa. DEM-mallinnus on kehittynyt kattamaan nykyään myös eri muotoisten partikkelien rikkoutumisen mallintamistakin. On mahdollista:
Rakeinen materiaali tuottaa rakenteille erilaisen kuormituksen kuin neste, koska kuormitus jakautuu partikkelien ketjuttamana. Partikkelipedissä voi tapahtua mm. holviutumista ja kanavoitumista. Vaikka siilojen ja astioiden määrittely on yleistä FEM-analyysinkin keinoin, niin DEM-mallinnus voi avata tarkemmin partikkelipedin aiheuttamia käytännössä toteutuvia kuormituksia. DEM:in avulla voidaan saada:
Kuljettimissa voi kulkea sattumia ja linjastoilla voi tapahtua poikkeavia tapahtumia. Dynaamiset kuormitukset rakenteisiin kytkeytyvät myös kuljetettavaan eri tavoin kasautuvaan partikkelimassaan.
Leijupetejä voidaan hyödyntää poltto- ja kemian prosessitekniikassa. Kytkemällä DEM-tarkasteluja CFD-malleihin voidaan saada tarkempaa tietoa partikkelitason ilmiöistä kuin pelkällä rakeisen materiaalin CFD-mallilla.
Teollisuuden reaktoreissa usein sekoitetaan kiintoainetta nesteeseen ja partikkelien muoto voi vaihdella ideaalisesta selvästi ja muuttua prosessin edetessä. Usein onkin tarpeen pystyä mallinnuksen avulla seuraamaan partikkelien kulkeutumista reaktorissa ja mahdollisia kasautumisia tai vastaavasti tyhjiä alueita. DEM-mallinnus antaa mahdollisuuden määritellä CFD-malliin realistisempia partikkeleja.
Joskus käsiteltävä fluidi on viskositeetiltaan niin kaukana nesteistä, että se alkaa olla jo lähempänä pehmeää rakeista kiintoainetta. DEM-mallinnuksessa voidaan tällaisessa tapauksessa huomioida partikkelien väliset koheesiovoimat, jolloin DEM-malli voidaan saada edustamaan todellisuutta helpommin kuin vaativan viskositeettimallin avulla määriteltävä vastaava CFD-malli. Koheesiovoimien avulla voidaan DEM-mallissa:
Videossa simuloidaan tahmeahkon aineen kulkeutumiseen liittyviä ilmiöitä, mm. tarttumista ja kasaantumista.
Kyseisen analyysin avulla voidaan myös määrittää materiaaliparametreja (kasakulmia, seinämäkitkoja, koheesiota) muissa simulaatioissa käytettäviksi.
Kiinnostuitko palveluistamme? Ota rohkeasti meihin yhteyttä!
Veli Pellikka
p. 040 764 5763
veli.pellikka@stressfield.fimarkuk.fi
Uutiskirjeessä avaamme laskentamaailman saloja helposti ymmärrettävässä muodossa. Tavoitteemme on tuottaa hyödyllisiä tietoiskuja sekä lujuus- että virtauslaskennasta. Uutiskirje julkaistaan noin 2–3 kk välein ja se ovat mahdollista perua milloin tahansa.
