Theoretical modeling of granular-fluid hopper flows

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-11-07
Department
Major/Subject
Physics of Advanced Materials
Mcode
SCI3057
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
6+48
Series
Abstract
Sands, slurries and powders represent systems that consist of granular particles and are ubiquitous both in nature and in the industrial environment. Their flow behavior is of particular interest, since these materials are able to both bear external stress as solids and flow like fluids. These attributes are particularly conspicuous in a hopper flow, which is regularly encountered in industrial settings, where granular media is stored and tranported in these hoppers/silos. In this type of flow, the orifice of a hopper filled with granular particles is opened, and the granular particles exit the hopper via the orifice under the stress imposed by gravitation. As a result, the hopper empties. Theoretically, these flows have been primarily modeled in dry conditions, and typically, any interactions between the granular particles and the surrounding air are ignored. In such a setting, the Beverloo equation has great predictive power over the granular discharge rate. However, in recent experimental work involving hoppers submerged in a liquid, the Beverloo equation is unable to account for the observed results. Therefore, this work aims to provide theoretical results matching the ones produced in these experiments and offer a coherent description of the surge (acceleration) of the granular discharge rate that is retrieved in the experimental work. The approach adopted here is to model the submerged, filled hopper as a two-phase system, in which the liquid phase is modeled on a continuum level using Computational Fluid Dynamics (CFD), while the granular phase is described as discrete particles by the Discrete Element Method (DEM). By modifying and applying a fluid-particle interaction term to the underlying equations in these methods, the experimental results are well matched by the simulations. Additionally, it is demonstrated that the surge is a result of an effective pumping induced by the exiting granular particles, which is a direct consequence of the condition imposed by the first Navier-Stokes equation on the flow fields.

Rakeisista partikkeleista koostuvat kokonaisuudet ovat monella tapaa läsnä arkipäiväisessä ympäristössämme ja niihin lukeutuvat niin luonnon hiekka kuin myös ruokateollisuuden erinäiset jauheet sekä pulverit. Näiden aineiden virtauskäyttäytyminen on erityisen rikasta, sillä ne voivat olosuhteista riippuen käyttäytyä joko kiteisen aineen tai nesteen tavoin. Tämä käytös tulee esille erityisesti ns. siilovirtauksissa, jotka ovat yleisiä teollisuuden sovelluksissa, joissa rakeisia aineita sekä säilytetään että siirretään erilaisten siilojen välityksellä. Kyseisessä virtaustyypissä täytetyn siilon pohjassa oleva oleva sulkuaukko avataan, jolloin rakeinen aine poistuu painovoiman vaikutuksesta sulkuaukon läpi, ja siilo tyhjenee. Teoreettisesti näitä virtauksia on mallinnettu tyypillisesti kuivissa olosuhteissa, jolloin rakeisen aineen mahdolliset vuorovaikutukset ympäröivän ilman kanssa jätetään usein huomiotta. Tällöin rakeisen aineen purkausnopeus on ennustettavissa ns. Beverloo-yhtälön mukaisesti. Viimeaikaiset kokeelliset tulokset ovat kuitenkin osoittaneet, että siilovirtauksen tapahtuessa ilman sijaan nesteessä ei Beverloo-yhtälö kykene selittämään havaittuja tuloksia tyydyttävästi. Tässä työssä tarkoituksena onkin toistaa laskennallisesti nämä kokeelliset tulokset sekä tarjota selitys tuloksissa havaitulle purkausnopeuden sysäykselle (kiihdytykselle). Työn mallinnuksen lähtökohtana nesteeseen upotettua, täytettyä siiloa kuvataan kaksifaasisysteeminä, jossa nestettä kuvataan jatkumotasolla laskennallisen nestedynamiikan (CFD) keinoin, ja rakeista faasia diskreetteinä partikkeleina (DEM). Näiden menetelmien perusyhtälöitä muokkaamalla voidaan rakeisen aineen ja nesteen vuorovaikutukset ottaa luontevasti huomioon, ja kokeelliset tulokset saadaan jäljiteltyä simulaatioissa hyvin. Lisäksi purkausnopeuden sysäyksen osoitetaan johtuvan pumppausvaikutuksesta, jonka siilosta poistuvat rakeiset partikkelit kohdistavat nestefaasiin, mikä on suora seuraus ensimmäisen Navier-Stokes-yhtälön asettamasta vaatimuksesta virtausolosuhteille.
Description
Supervisor
Alava, Mikko
Thesis advisor
Puisto, Antti
Keywords
granular media, multiphase flow, hopper, CFD, DEM
Other note
Citation