Evaluation of the coefficients of friction of granulated sugar using the discrete element method

Abstract

Resumo: O método dos elementos discretos (DEM) trata-se de uma técnica matemática descritiva do comportamento de partículas. A utilização dele está associada à sua capacidade descritiva de sistemas granulares similarmente a testes reais. Elaborar modelos capazes de descrever e prever as principais influências em sistemas particulados que diminuem o tempo e o custo de novos projetos. Os materiais particulares estão presentes em inúmeros segmentos na indústria como a química, farmacêutica, alimentos, bebidas e entre outras. O entendimento das propriedades e comportamento de misturas granulares são de extrema importância para o desenvolvimento de novos produtos, dessa maneira, podem resultar as melhores condições experimentais para a elaboração do estudo. Neste presente trabalho, será estudado um dos principais commodities da indústria alimentícia, o açúcar, neste caso o granulado (GUARANI®), visando buscar os coeficientes de atrito estático e de rolamento dele. Para a obtenção dos dados experimentais realizou-se um teste experimental em um tambor rotativo, realizando a sua reprodução via simulação (LIGGGHTS®), com base nos modelos propostos pelos estudos de Benchmark, com o modelo de contato de Hertz-Mindlin com histórico de rolamento. Com os estudos realizados, concluiu-se que o software apresenta capacidade de reprodução dos dados de maneira eficaz, desde que as condições de contorno sejam aplicadas corretamente, os coeficientes de fricção do açúcar cristal são caracterizados por uma faixa de valores, sendo 0,75 a 1 para o estático e 1 para o de rolamento.

Abstract: The discrete element method (DEM) is a mathematical technique describing particles’ behavior. Its use is related to its capacity to define granular systems that are similar to real-world testing. Can create models capable of characterizing and forecasting the major impacts on particle systems to reduce project time and cost. Chemicals, pharmaceuticals, food, beverages, and other materials are examples of materials used in the industry. Understanding the physics and behavior of granular mixes is critical in the creation of innovative products. This allows the ideal experimental conditions for the research to be established. This project will look at one of the most important commodities in the food industry: sugar, specifically granulated sugar (GUARANI®), which will be investigated to determine its static and rolling friction coefficients. To obtain the experimental data, an experimental test was performed on a rotating drum, with its reproduction accomplished by simulation (LIGGGHTS®), using the Hertz- Mindlin contact model with rolling history, based on the models presented by the Benchmark studies. The research found that the program can efficiently recreate data if the boundary conditions are implemented appropriately. For crystal sugar, the friction coefficients were characterized between 0.75 and 1 for static and 1 for rolling.