Simulação de máquinas de limpeza de trigo por meio de DEM-CFD

Este conteúdo é baseado em uma tese apresentada na Universidade de Engenharia e Tecnologia – UTEC, Peru, por mim, Luiguie Sagastegui em parceria com Helard Álvarez. Esta tese preenche uma lacuna em pesquisas na área de simulação de partículas, devido à falta de estudos fundamentais usando técnicas computacionais.

O objetivo principal do estudo é desenvolver um modelo acoplado DEM-CFD para simular uma máquina aerodinâmica de limpeza de trigo.

Background e Motivação

Faltam estudos fundamentais em simulações acopladas como entre DEM e CFD (Método dos Elementos Discretos e Fluido Dinâmico Computacional, respectivamente). Essas simulações explicam a teoria e os aspectos técnicos do processo de limpeza aerodinâmica de uma máquina de limpeza de trigo e, além disso, evitam testes e otimizações experimentais tradicionais, que antes eram executados apresentando problemas de baixo desempenho de limpeza e exigiam uma alta demanda de energia do motor de ventilador centrífugo da máquina.

Segundo a literatura que temos, as causas desses problemas são atribuídas a fatores operacionais ineficientes. Os mais comuns entre estes são a fraca calibração dos fluxos de partículas de ar e as dimensões do conduto pneumático.

Através das simulações acopladas CFD-DEM, os fatores operacionais e de projeto podem ser variados livremente para melhor entender o comportamento das partículas sob a influência de um fluxo de ar forçado dentro da máquina de limpeza de trigo e, assim, obter parâmetros otimizados em uma fração do custo e esforço em relação aos testes convencionais.

Modelo de Simulação

Para entender melhor o comportamento das partículas de trigo e palha, foram realizadas três simulações DEM-CFD entre Rocky DEM e ANSYS Fluent para simular o processo de limpeza da máquina de limpeza de trigo para três direções de fluxo de ar (0°, 22,5° e 45°).

A simulação de CFD foi iniciada primeiro e configurada com uma velocidade de fluxo de ar de 7,5 m/s (velocidade terminal do trigo) e um diâmetro hidráulico da área de entrada de 0,25 m para as três direções: Velocidades do fluxo de ar direcionadas em 0°, 22,5° e 45° em relação à horizontal.

O campo de fluxo obtido a partir dessas soluções de CFD foi exportado para o Rocky DEM e nele, o comportamento dos grãos de trigo sob o campo de fluxo foi estudado.

Para iniciar as simulações de DEM, as propriedades físicas e mecânicas das partículas de trigo e palha foram configuradas (ver Tabela 1: Propriedades necessárias para a configuração das partículas no Rocky DEM.), A taxa de alimentação para ambas as partículas (ver Tabela 2: Motivo da entrada de partículas de trigo e palhas no Rocky DEM). E finalmente a simulação unidirecional foi iniciada com um intervalo de tempo de 0,05 segundos para uma duração de 2 segundos para cada uma das três direções.

Os resultados

Os resultados das simulações do DEM-CFD foram obtidos diretamente no Rocky DEM e foram, basicamente, o monitoramento da velocidade de translação de partículas de trigo e de palha em cada um dos três fluxos, que são mostrados na Figura 2.

Além disso, o deslocamento final das partículas, obtido das simulações, foi validado e comparado por meio de ensaios experimentais realizados em bancada de testes em escala configurada sob os mesmos parâmetros de operação e margem de erro de 5% para trigo e 10% para o joio.

Figura 2: Velocidade de translação das partículas de trigo e palha para fluxos de ar horizontal e direcionado de 22,5 ° e 45 ° a 7,5 m/s com um intervalo de tempo de 0,05s e uma taxa de entrada de 1 t/h.

Após os resultados das simulações realizadas, a velocidade de translação do trigo e do pincel na entrada e saída da zona de interação situou-se entre 0.5-1.5 m/s e 3-4.5 m/s, respectivamente (ver Figura 3), e para os três fluxos 0°, 22,5° e 45° foram apresentados desempenhos de limpeza de 99%, 98% e 96%.

Figura 3: Comparação real e virtual do deslocamento das partículas de palha e trigo, respectivamente, em cada intervalo de tempo (margem de erro 10% palha e 4% trigo).

Além do mais, a configuração do CFD para a bancada de teste é mostrada em escala (ver Figura 4), o que exigiu 3 entradas circulares para simular os fluxos gerados pelos 3 secadores de cabelo durante os testes experimentais. Os resultados das simulações da bancada de teste na Figura 5 são mostrados.

Figura 4: Teste experimental de simulação DEM-CFD com acoplamento unidirecional sob as mesmas condições.

Figura 5: Simulação de 1-via DEM-CFD em escala nas mesmas condições. (validação de trigo e joio)

Conclusões

Uma simulação de acoplamento CFD-DEM em 1-via experimentalmente validada foi criada para simular os processos de limpeza de trigo e identificar os parâmetros críticos de projeto e processo. O modelo computacional previu o comportamento real das partículas de trigo e palha com uma precisão de 5% e 10%, respectivamente.

Para mais detalhes ou para ler o estudo completo, você pode baixá-lo no banner abaixo.