Simuler le comportement de matériaux granulaires avec le module Granular Flow

Simulations d'écoulement granulaire

Le module Granular Flow est basé sur la méthode des éléments discrets (DEM), une technique numérique pour la simulation d'écoulements granulaires par le calcul du mouvement des particules individuelles, ou grains, au cours du temps. A la différence des méthodes continues, la DEM résout chaque grain comme une entité discrète ayant ses propres degrés de liberté de translation et de rotation. Leur mouvement est gouverné par les lois de Newton, avec des forces émanant de la gravité, des collisions avec d'autres grains et des interactions avec les frontières environnantes.

Les grains peuvent représenter des poudres, des granulés, ou des solides tels que des pierres, graines ou comprimés. En fonction du système, divers effets physiques peuvent être pris en compte — cela inclut les forces de contact élastiques et viscoélastiques, l'adhérence, la résistance à la rotation, et même le transfert de chaleur entre les grains et les parois — en utilisant les fonctionnalités disponibles dans le module. Les grains sont modélisés comme des particules souples qui se déforment lors d'un contact, et leurs trajectoires sont mises à jour à chaque pas de temps, en prenant en compte les collisions entre grains, et entre grains et parois, ainsi que les forces externes, de façon à prédire le mouvement global du système.

Il est également possible de définir les conditions initiales d'émission, de vitesse, et l'arrangement spatial des grains, ainsi que de spécifier ce qu'il se passe lorsqu'ils interagissent avec des parois ou qu'ils quittent le domaine de simulation.

Ce que permet de modéliser le module Granular Flow

Simuler le comportement de particules en volume sur une large gamme d'applications granulaires

Une vue rapprochée d'un modèle d'écoulement en trémie avec un million de particules.

Ecoulement en trémie

Analyser l'influence du design de la trémie sur les profils de décharge tels que l'écoulement en masse et l'écoulement en entonnoir.

Convoyeur à vis

Simuler l'écoulement granulaire dans des convoyeurs à vis basés sur une géométrie CAO, capturant le comportement des grains dans un équipement industriel.

Une vue rapprochée d'un empilement de grains dont la couleur varie du bleu foncé en haut au gris en bas.

Angle de repos

Caractériser les propriétés d'un matériau en vrac en simulant la formation d'un tas et en mesurant sa stabilité.

Une vue rapprochée d'un modèle de mélangeur à ruban contenant des grains de cinq couleurs différentes.

Mélangeurs à ruban

Analyser la performance du mélange et quantifier l'homogénéité dans des équipements de mélange industriels.

Une vue rapprochée d'un modèle de tambour rotatif lors du mélange de grains.

Tambours rotatifs

Visualiser la séparation et le mélange dans des procédés de culbutage.

Tamis vibrants

Simuler la séparation de particules dans des équipements de tri et de classification.

Une vue rapprochée d'un modèle de lit de poudre avec des grains de couleurs différentes.

Dispersion de poudre

Modéliser des procédés de dépôt de poudre pertinents pour la fabrication additive et les revêtements.

Une vue rapprochée d'un modèle de trémie remplie de grains.

Tassement de grains

Prédire la densité et l'efficacité de tassement de particules de tailles et de forces d'interaction variables.

Une vue rapproché d'un modèle de système de poudre avec les grains montrant la température.

Transfert de chaleur

Simuler l'échange de chaleur entre les grains et les parois pour analyser les procédés granulaires dépendant de la température.

Une vue rapprochée d'un modèle de convoyeur à vis montrant la force de contact.

Pression au niveau des parois

Evaluer les forces exercées par les grains sur les frontières pour prédire les chargements et contraintes sur les parois, voire l'usure de l'équipement.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Granular Flow

Le module Granular Flow fournit des fonctionnalités spécialisées pour simuler le mouvement et l'interaction de matériaux granulaires.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Propriétés du grain mis en évidence et un modèle de tassement de grains dans la fenêtre graphique.

Définition des propriétés des grains et des espèces

Avec le module Granular Flow, il est possible de préciser la taille, la densité et la rigidité des grains, ainsi que les coefficients de restitution et de frottement, et d'introduire une résistance au roulement ou des forces d'adhésion pour les poudres fines. La forme de grains est traitée comme étant sphérique en 3D, et cylindrique en 2D, avec des degrés de liberté de translation et de rotation résolus à chaque pas de temps. Plusieurs types de grains peuvent être définis dans le même modèle, soit comme des espèces distinctes, soit tirés de distributions de tailles, ce qui rend possible la capture d'effets tels que la séparation et le mélange dans des systèmes polydispersés. Les propriétés thermiques telles que la capacité thermique spécifique et la conductivité peuvent également être précisées lorsque le transfert de chaleur est inclus.

Une vue rapprochée des paramètres de l'écoulement granulaire et un modèle d'angle de repos dans la fenêtre graphique.

Modèles de collision et de contact

Le module fournit un contrôle détaillé sur l'interaction entre les grains, avec une option permettant de choisir entre linéaire élastique, Hertz–Mindlin–Deresiewicz (Hertz–MD), ou Hertz–MD avec des modèles d'adhésion. Les forces non liées à du contact comme les interactions de van der Waals peuvent être ajoutées pour capturer la cohésion longue distance. La résistance à la rotation peut être modélisée en utilisant des options de couple constant ou dépendant de la vitesse. Pour les collisions grains-grains et grains-parois, il est possible de personnaliser les coefficients de restitution, frottement et amortissement. Cette flexibilité permet un comportement de contact adapté à différents types de matériaux, allant des grains se déplaçant librement aux poudres cohésives.

Une vue rapprochée des paramètres dépendant du temps et un modèle de mélangeur à ruban dans la fenêtre graphique.

Analyse du mélange, de la séparation et du tassement

Le module Granular Flow peut être utilisé pour modéliser la séparation de particules en fonction de leur taille, leur mélange dans des tambours rotatifs ou des mélangeurs à ruban, et leur tassement en lits ou conteneurs représentés par des géométries CAO. Des fonctionnalités prédéfinies d'évaluation permettent des mesures quantitatives telles que le numéro de coordination. En outre, les options de personnalisation permettent d'évaluer la fraction de tassement, la porosité et la variance de la concentration des espèces, ce qui permet d'analyser le comportement tant à l'échelle microscopique qu'à l'échelle macroscopique. Ces mesures peuvent être utilisées pour déterminer l'efficacité du mélange, prédire les schémas de séparation, et caractériser les propriétés structurelles de lits fixes. En combinant la dynamique détaillées des particules à des évaluations statistiques des résulats, le module fournit des mesures précieuses pour l'optimisation des procédés.

Une vue rapprochée des réglages d'un groupe de graphiques 3D et un modèle de tambour en rotation dans la fenêtre graphique.

Evaluation et visualisation des résultats

Les résultats peuvent être visualisés en utilisant la position des grains, leur trajectoire, ou le cheminement complet des particules, avec des options permettant de colorer les grains en fonction de la vitesse, de la force, de l'instant d'émission ou encore du type de particule.

Des outils d'évaluation prédéfinis, complétés par des méthodes définies par l'utilisateur, permettent le calcul et la visualisation de quantités telles que le flux massique, la pression à la paroi, la densité de tassement, la porosité et la fréquence de collision. Ces outils prennent également en charge les analyses statistiques, comme par exemple des histogrammes et des moyennes de mesures dérivées telles que le nombre de coordination et la variance de concentration. Des animations mettent en évidence la dynamique de décharge, de dispersion, de mélange et de séparation, tandis que des graphiques d'isovaleurs et de champ mettent en lumière les propriétés à l'échelle macroscopique telles que la porosité ou la distribution de contrainte.

Ces fonctionnalités rendent possible l'interprétation du mouvement à l'échelle des particules et le comportement global de façon qualitative et quantitative.

Une vue rapprochée des réglages de l'entrée et un modèle d'écoulement en trémie dans la fenêtre graphique.

Emission de particules et fonctionnalités d'entrée

Les grains peuvent être introduits à partir de surfaces ou de volumes, avec un contrôle total sur leurs positions initiales, vitesses et taux d'émission. Outre les cas de monodispersion, les grains peuvent être échantillonnés à partir de distributions de propriétés matériau et de tailles définies, ou à partir de leurs conditions initiales. Des émissions par flux entrants continus ou par batch peuvent être simulées, et plusieurs fonctionnalités d'émission peuvent être combinées pour représenter les différents flux de matière. Des générateurs de nombres aléatoires assurent la variabilité de la position, vitesse ou taille, avec des options permettant de reproduire ces distributions en utilisant des graines fixées. Ces options rendent possible la reproduction de conditions réalistes pour l'alimentation de silos, trémies, mélangeurs et convoyeurs.

Une vue rapprochée des réglages de la paroi et un modèle de convoyeur à vis dans la fenêtre graphique.

Interaction avec les parois et les frontières

Lorsque des particules entrent en collision avec des parois ou quittent un domaine, leur comportement peut être personnalisé: elles peuvent être autorisées à traverser une paroi ou être complètement retirées avec des conditions de sortie. Des coefficients de restitution et de frottement distincts peuvent être définis pour les parois. Des frontières en mouvement telles que dans les tambours rotatifs, les mélangeurs à rubans ou encore les tamis vibrants peuvent aussi être modélisées. Les propriétés de contact avec les parois peuvent même être définies par paire grain-paroi, ce qui permet de simuler des systèmes hétérogènes avec différents matériaux ou traitements de surface pour les parois.

Une vue rapprochée des réglages de l'écoulement granulaire et un modèle de transfert de chaleur dans la fenêtre graphique.

Transfert de chaleur entre grains et parois

En plus des interactions mécaniques, le module prend en charge la modélisation du transfert de chaleur entre les grains et les parois environnantes ou les champs externes. La température des grains est calculée comme une variable additionnelle, en supposant que la température est uniforme à l'intérieur de chaque grain. Le transfert de chaleur inclut la conduction par les contacts, la convection avec le milieu environnant, et les sources de chaleur externes. La validité peut être évaluée en utilisant le nombre de Biot, pour s'assurer que l'hypothèse de l'uniformité de la température dans les grains est valide pour des particules petites et conductives. Ces capacités permettent d'étudier des procédés basés sur la température, tels que la dispersion de poudre en fabrication additive ou le traitement thermique de solides en vrac.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Données et un modèle de tassement de grains dans la fenêtre graphique.

Export et import de données

Le module Granular Flow fournit une gamme d'options d'import et d'export des données pour faciliter à la fois la configuration du modèle et l'analyse des résultats. Les grains peuvent être initialisés à partir de fichiers de données tabulées définissant les positions et vitesses des particules, avec des options de mise à l'échelle, translation et rotation. Les distributions initiales peuvent également être importées à partir de grilles structurées ou automatiquement positionnées dans des domaines définis par la CAO selon des conditions d'alimentation ou de tassement réalistes.

Suite à la simulation, les jeux de données de résultats fournissent un accès complet à l'historique des particules, comprenant leurs positions, vitesses, rayons et quantités dérivées telles que la porosité, fraction de tassement ou statistiques de collision. Les résultats traités tels que les débits massiques et pressions aux parois, ainsi que la visualisation de trajectoires, champs de couleurs et histogrammes, peuvent être exportés sour forme d'images, d'animations ou de données numériques brutes pour une utilisation ultérieure dans des outils tiers.

Module Granular Flow

Simulations d'écoulement granulaire