Calibration and mixing simulations of fine powders using a coarse-grained model and primitive particle shapes on a Discrete Element Method (DEM) framework

Abstract

Resumo: O Metodo dos Elementos Discretos (DEM) e uma ferramenta para simular e prever o comportamento macroscopico de solidos particulados. Porem, a escala dos processos industriais envolvendo estes solidos implica em custos computacionais proibitivamente altos. Uma forma de se reduzir o numero de particulas e melhorar a viabilidade do DEM em escalas industriais e o Coarse Grain Modeling (CGM), que agrupa particulas em graos maiores mas ainda alcanca resultados realisticos de simulacao. Aqui, o CGM e demonstrado pela calibracao - o processo pelo qual parametros de solidos sao obtidos - para dois pos finos, um deles coesivo, utilizando tanto particulas poliedricas como esfericas. Experimentos que produzem um Angulo de Repouso (AoR) sao realizados e simulados; os parametros que reproduzem AoRs experimentais com sucesso sao tomados como os parametros do material. Dois experimentos sao aqui usados: o ledge test, que produz um angulo de repouso estatico ao deixar material confinado em uma caixa escoar e formar uma pilha; e o rotating drum, que e unico por fornecer AoRs dinamicos. A calibracao foi feita utilizando-se particulas 30x maiores que seu tamanho original e os resultados foram comparados as mesmas simulacoes em escalas variadas, para avaliar os limites do CGM. O ledge test teve um bom comportamento com o redimensionamento, mas na escala de 40x teve um aumento de cerca de cinco graus. Isto e causado por efeitos gravitacionais terem influencia diminuta com particulas mais pesadas. No rotating drum, ha uma pronunciada reducao nos angulos de repouso quando particulas poliedricas sao reduzidas para o tamanho real. Foi proposto que os pesos reduzidos sao mais permissivos ao rearranjo de particulas, reduzindo assim os angulos de repouso pelo intertravamento mais intenso. A inclusao do parametro de coesao amplifica este efeito, pois a lei de contato de coesao varia com a escala; a reducao do tamanho de particulas causa um aumento relativo nas forcas de atracao. Por fim, cinco misturas entre os dois materiais, numa proporcao 70/30 entre o material nao-coesivo (FFM) e coesivo (CM), respectivamente, foram feitas num In-Bin Blender (IBB) com variadas velocidades de rotacao (10 a 20 RPM) e preenchimento (45 a 70% em volume). Quando simuladas estas misturas, os parametros previamente calibrados foram incapazes de reproduzir os resultados experimentais. Entendendo-se os mecanismos de mistura, uma serie de modificacoes aos parametros originais foi proposta; talvez de maior relevancia, um parametro adesivo artificial FFM-CM foi usado para melhor modelar o formato de particulas e a consequente reducao nas taxas de percolacao. Foi demonstrado que, para RPMs baixos, o numero total de revolucoes e o parametro chave que controla a homogeneidade das misturas. Em termos de preenchimento, a mistura com 45% teve a melhor performance entre todas as cinco, em decorrencia do headspace maior aumentar as taxas de mistura - em contrapartida, a quebra de particulas foi maior se comparada a casos com maior preenchimento. Todos os resultados indicam a importancia do formato de particulas ao se modelar misturas com grandes razoes entre tamanhos, pois o AoR e insuficiente para caracterizar solidos nestas circunstancias.

Abstract: The Discrete Element Method (DEM) is a tool to simulate and predict particulate solid bulk behaviour. However, the scale of industrial processes involving these solids means that the computational effort to simulate them is prohibitively high. One approach to reducing particle count and improving the feasibility of DEM at the industrial scale is Coarse Grain Modeling (CGM), which groups individual particles into larger grains but can achieve realistic simulation results. Here, CGM is demonstrated via the calibration - the process by which solid parameters are obtained - of two powdered solids, one of which cohesive, using both polyhedral and spherical particles. Experiments that produce an Angle of Repose (AoR) are performed and then simulated; the parameters that successfully reproduce experimental AoRs are then taken to be the materials' parameters. Two experiments are here used: the ledge test, which produces a static angle of repose by letting material confined in a box flow out and form a pile; and the rotating drum, which is unique in giving a dynamic AoR. Calibration was performed using particles 30x bigger than their original size and results were compared to the same simulations on smaller and bigger scales, to evaluate the limits of CGM. The ledge test performed well upon scaling, but at 40x scaling for the free-flowing material had an increase in AoR of about five degrees. This is due to gravitational effects becoming less dominant with heavier particles. On the rotating drum, there is a pronounced reduction in repose angles for polyhedra when scales are reduced to real-size. It was proposed that reduced particle weights are more permissive to particle rearrangement, thus reducing angles of repose by the more intense interlocking of particles. With the inclusion of a cohesive parameter, this effect is amplified as the cohesion force law is variant with size; as particle sizes are reduced, there is a relative increase in attractive forces. Finally, five mixtures of both materials, at a 70/30 split for the free flowing (FFM) and cohesive (CM) materials, respectively, were performed in a lab-scale In-Bin Blender (IBB) with varying rotational speeds (10 to 20 RPM) and fill percentages (45 to 70% volume). When simulating these mixtures, previously calibrated parameters were unsuccessful in reproducing experimental results. By understanding the underlying mixing mechanisms, a series of modifications to the original parameters were proposed: perhaps more importantly, an artificial FFM-CM adhesive parameter was used to better account for particle shapes and reduce percolation rates. In the RPM-varying cases, it was demonstrated that for low RPM ranges, number of revolutions is the key controlling parameter to mixing quality. In terms of fill percentages, the 45% case had the best performance between all mixtures, due to mixing rates being aided by the larger headspace - although particle breakage was increased if compared to higher fillings. All results point to the importance of considering particle shape when modelling mixtures with high size ratios, as the AoR is not sufficient as a characterization parameter under these circumstances.