COMSOL Granular Flow Module 6.4
DESCRIPCIÓN
El módulo de flujo granular, Granular Flow Module, se utiliza para simular el movimiento e interacción de granos sólidos en procesos en masa. Con este complemento del software COMSOL Multiphysics® , es posible modelar cómo fluyen, se compactan y se mezclan polvos, gránulos u otros materiales granulares bajo la influencia de la gravedad, las colisiones y el contacto con las superficies de los equipos.
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Simulaciones de flujo granularEl Módulo de Flujo Granular se basa en el método de elementos discretos (DEM), una técnica numérica para simular el flujo granular mediante el cálculo del movimiento de partículas individuales, o granos, a lo largo del tiempo. A diferencia de los métodos basados en el continuo, el DEM resuelve cada grano como una entidad discreta con grados de libertad de traslación y rotación. Su movimiento se rige por las leyes de Newton, con fuerzas derivadas de la gravedad, las colisiones con otros granos y las interacciones con los límites circundantes. Los granos pueden representar polvos, gránulos o sólidos a granel como rocas, semillas o tabletas. Según el sistema, se pueden considerar diversos efectos físicos —incluidas las fuerzas de contacto elásticas y viscoelásticas, la adhesión, la resistencia a la rotación e incluso la transferencia de calor entre los granos y las paredes— mediante la funcionalidad del módulo. Los granos se modelan como partículas blandas que se deforman al contacto, y sus trayectorias se actualizan en cada paso de tiempo, teniendo en cuenta las colisiones entre granos y entre granos y paredes, así como las fuerzas externas, para predecir el movimiento global del sistema. También es posible definir las condiciones iniciales de liberación, las velocidades y las disposiciones espaciales de los granos, así como especificar qué sucede cuando interactúan con las paredes o abandonan el dominio de simulación. |
CARACTERÍSTICAS
Este módulo proporciona funciones especializadas para simular el movimiento y la interacción de materiales granulares.
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Definir las propiedades y especies del granoCon este módulo, es posible especificar el tamaño de grano, la densidad, la rigidez y los coeficientes de restitución y fricción, así como introducir la resistencia a la rodadura o las fuerzas adhesivas para polvos finos. La forma del grano se trata como esférica en 3D y cilíndrica en 2D, con grados de libertad de traslación y rotación resueltos en cada paso de tiempo. Se pueden definir múltiples tipos de grano en el mismo modelo, ya sea como especies distintas o extraídos de distribuciones de tamaño, lo que permite capturar los efectos de segregación y mezcla en sistemas polidispersos. También se pueden especificar propiedades térmicas como la capacidad calorífica específica y la conductividad al incluir la transferencia de calor. |
Características de entrada y liberación de partículasLos granos pueden introducirse desde superficies o volúmenes, con control total sobre sus posiciones iniciales, velocidades y tasas de liberación. Además de los casos monodispersos, los granos pueden muestrearse a partir de distribuciones definidas de propiedades y tamaños del material o de sus condiciones iniciales. Se pueden simular tanto entradas continuas como liberaciones por lotes, y se pueden combinar múltiples características de liberación para representar diferentes flujos de material. Los generadores de números aleatorios garantizan la variabilidad en la posición, la velocidad o el tamaño, con opciones para la reproducibilidad mediante semillas fijas. Estas opciones permiten replicar condiciones de alimentación realistas en silos, tolvas, mezcladoras y cintas transportadoras. |
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Modelos de colisión y contactoEl módulo ofrece un control detallado sobre la interacción entre granos, permitiendo elegir entre modelos elásticos lineales, de Hertz-Mindlin-Deresiewicz (Hertz-MD) o de Hertz-MD con adhesión. Se pueden añadir fuerzas sin contacto, como las interacciones de van der Waals, para simular la cohesión a larga distancia. La resistencia rotacional se puede modelar mediante opciones de torque constante o dependiente de la velocidad. Tanto para colisiones grano-grano como grano-pared, es posible personalizar los coeficientes de restitución, fricción y amortiguamiento. Esta flexibilidad permite personalizar el comportamiento de contacto para diferentes tipos de materiales, desde gránulos de flujo libre hasta polvos cohesivos. |
Interacciones entre muros y límitesCuando las partículas chocan con las paredes o abandonan un dominio, su comportamiento puede personalizarse: se les puede permitir atravesar las paredes o eliminarlas por completo mediante condiciones de salida. Se pueden establecer coeficientes de restitución y fricción independientes para las paredes, y también se pueden modelar fronteras móviles como tambores giratorios, mezcladores de cinta o tamices vibratorios. Incluso se pueden definir las propiedades de contacto con la pared para cada par grano-pared, lo que permite simular sistemas heterogéneos con diferentes materiales de pared o tratamientos superficiales. |
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Análisis de mezcla, segregación y empaquetadoEl Módulo de Flujo Granular permite modelar la segregación de partículas por tamaño, su mezcla en tambores rotatorios o mezcladores de cinta, y su compactación en lechos o contenedores representados mediante geometrías CAD. Sus funciones de evaluación integradas proporcionan medidas cuantitativas, como el número de coordinación. Además, las opciones de personalización ofrecen la evaluación de la fracción de empaquetamiento, la porosidad y la varianza de la concentración de especies, lo que permite análisis tanto a microescala como a macroescala del comportamiento global. Estas mediciones se pueden utilizar para evaluar la eficiencia de la mezcla, predecir patrones de segregación y caracterizar las propiedades estructurales de los lechos compactados. Al combinar la dinámica detallada de partículas con la evaluación estadística de los resultados, el módulo proporciona métricas valiosas para la optimización del proceso. |
Transferencia de calor entre los granos y las paredesAdemás de las interacciones mecánicas, el módulo permite modelar la transferencia de calor entre los granos y las paredes circundantes o campos externos. La temperatura del grano se calcula como una variable adicional, asumiendo una temperatura uniforme en su interior. El intercambio de calor incluye la conducción a través de los contactos, la convección con el medio circundante y las fuentes de calor externas. La validez se puede evaluar mediante el número de Biot, lo que garantiza que la suposición de temperatura uniforme del grano se mantenga para partículas conductoras pequeñas. Estas capacidades permiten estudiar procesos dependientes de la temperatura, como la dispersión de polvo en la fabricación aditiva o el tratamiento térmico de sólidos a granel. |
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Evaluar y visualizar los resultadosLos resultados pueden visualizarse como posiciones de los granos, trayectorias o recorridos completos de las partículas, con opciones para colorear los granos según la velocidad, la fuerza, el tiempo de liberación, la temperatura o la especie de partícula. Las herramientas de evaluación integradas, complementadas con métodos definidos por el usuario, permiten el cálculo y la visualización de magnitudes como el caudal másico, la presión en la pared, la densidad de empaquetamiento, la porosidad y la frecuencia de colisión. También facilitan análisis estadísticos, incluyendo histogramas y promedios de medidas derivadas como el número de coordinación y la varianza de la concentración. Las animaciones resaltan la dinámica de descarga, dispersión, mezcla y segregación, mientras que los diagramas de contorno y de campo ilustran propiedades a nivel macroscópico como la porosidad y la distribución de tensiones. Estas características permiten interpretar el movimiento a escala de partículas y el comportamiento macroscópico tanto en términos cualitativos como cuantitativos. |
Exportación e importación de datosEl módulo de flujo granular ofrece diversas opciones para importar y exportar datos, lo que facilita tanto la configuración del modelo como el análisis de resultados. Los granos se pueden inicializar a partir de archivos de datos tabulares que definen las posiciones y velocidades de las partículas, con opciones para escalar, trasladar y rotar. También se pueden importar distribuciones iniciales desde mallas estructuradas o colocarlas automáticamente dentro de dominios definidos por CAD para simular condiciones de empaquetamiento o alimentación realistas. Tras ejecutar una simulación, los conjuntos de datos de resultados proporcionan acceso al historial completo de las partículas, incluyendo posiciones, velocidades, radios y cantidades derivadas como porosidad, fracción de empaquetamiento o estadísticas de colisión. Los resultados procesados, como caudales másicos y presiones en la pared, así como visualizaciones como trayectorias, campos de color e histogramas, se pueden exportar como imágenes, animaciones o datos numéricos sin procesar para su posterior uso en herramientas de terceros. |
SECTORES
Ingenieros e investigadores pueden utilizar este módulo para estudiar la descarga de tolvas, el almacenamiento en silos, el transporte por conductos, la dispersión de polvo y los procesos de mezcla, así como la densidad de empaquetamiento y los efectos de segregación. Al analizar el movimiento de los granos individuales, el módulo ayuda a predecir el comportamiento del material a granel, como la eficiencia de la mezcla, las obstrucciones y el flujo irregular, lo que lo convierte en una herramienta valiosa para industrias como la farmacéutica, la química, la agrícola y la minera.
VERSIONES
6.4
El módulo Granular Flow se ha introducido en la Suite de módulos de COMSOL Multiphysics, en su versión 6.4. Se trata de un complemento para simular el movimiento y la interacción de partículas sólidas en procesos a granel. Basado en el método de elementos discretos (MDE), el módulo calcula el movimiento de granos individuales, como polvos, pellets o tabletas, para predecir comportamientos a gran escala como el flujo, el empaquetamiento y la mezcla.
El Módulo de Flujo Granular permite a ingenieros e investigadores analizar una amplia gama de procesos granulares, como la descarga de tolvas, el almacenamiento en silos, el transporte por canaletas, la mezcla, la segregación y la distribución de polvo. Al resolver interacciones a escala de partículas, como colisiones, adhesión, resistencia rotacional y transferencia de calor, el módulo proporciona información sobre la dinámica de partículas a microescala y el comportamiento de las partículas a granel a macroescala.
Con un control detallado de las propiedades de las partículas, las condiciones de liberación y las interacciones con las paredes, el módulo puede predecir resultados como la uniformidad del flujo, la densidad de empaquetamiento, la eficiencia de la mezcla, la segregación, las tensiones en las paredes y los efectos térmicos. Sus resultados ayudan a identificar problemas como obstrucciones, flujo irregular y desgaste de los equipos, lo que facilita las mejoras de diseño y la optimización de procesos.
El módulo de flujo granular es aplicable a industrias como la farmacéutica, el procesamiento químico, la agricultura, la minería y la fabricación aditiva, donde comprender el comportamiento de los sólidos a granel es fundamental para realizar operaciones eficientes y confiables.
COMSOL Multiphysics 6.4