بخشی از مقاله
چکیده
سیلو از تجهیزات پرکاربرد در صنایع مختلف اعم از معدنی، شیمیایی، دارویی و کشاورزی است. رژیم جریان خروجی سیلو تحت تاثیر متغیرهای مختلفی است که از جمله می توان به ویژگیهای هندسی سیلو، جنس و اندازه ذرات اشاره نمود. در مواردی شرایط به گونهای است که مواد درون سیلو تحت تاثیر وزن خود از آن خارج نشده و دهانه سیلو مسدود میشود. در این مقاله از روش دینامیک ملکولی یا به بیانی دیگر از روش المان گسسته، سیستم ذرات درون سیلو شبیهسازی شده و اثر تحریک ارتعاشی دیواره بر روی جریان مواد دانهای درون سیلو مورد مطالعه عددی قرار گرفته است.
در طی این شبیهسازیها، معادلات تعادل دینامیکی برای هر ذره به صورت مجزا بیان شده و با استفاده از انتگرالگیری عددی، موقعیت هر ذره بر حسب زمان مشخص میشود. نیروی وارد بر هر ذره شامل نیروی ثقل و نیروی تماسی آن با سایر ذرات میشود که برای برآورد آنها مدل ویسکوالاستیک هرتز-کلوین به همراه مدل اصطکاک کلومب مورد استفاده قرار گرفته است. برای انتگرالگیری عددی معادلات دیفرانسیل حرکت ذرات، از روش پیشبینی و اصلاح گیر - Gear - استفاده شده است.
در عمل، برنامههای کامپیوتری لازم برای اجرای شبیهسازیهای مختلف با استفاده از یک کد منبع باز تهیه گردیده و تعداد قابل توجهی اجرا صورت گرفت. تحریک ارتعاشی با فرکانسهای مختلف و همچنین دامنههای گوناگون بر روی یکی از دیوارههای سیلو اعمال و نرخ تخلیه آن به ازای شرایط مختلف محاسبه گردید. به علاوه، تحریک ارتعاشی در محلهای مختلف از دیواره وارد شده و تاثیر آنها مورد مقایسه قرار گرفته است.
نتایج عددی نشان داد که به صورت کلی تحریک ارتعاشی باعث تسهیل تخلیه سیلو میگردد. مشخص شد که افزایش فرکانس ارتعاشات و دامنه آن میتواند باعث افزایش دبی تخلیه شود ولی در صورت افزایش این مقادیر از یک اندازه حدی، تاثیر مثبت آنها کاهش یافته و اثر منفی به دنبال دارد. نتایج شبیهسازیهای عددی نشان داد که محل اعمال تحریک ارتعاشی نیز تاثیر قابل توجهی بر میزان نرخ تحلیه دارد. به طور خلاصه میتوان گفت که هر چه محل تحریک ارتعاشی به دهانه خروجی سیلو نزدیکتر باشد تاثیر آن شدیدتر است. با این حال میزان تاثیر پذیری از محل تحریک ارتعاشی به ازای فرکانس و دامنههای مختلف متفاوت بوده و از الگوی یکسانی تبعیت نمیکند.
1. مقدمه
سیلو یکی از تجهیزات مهم در ذخیره، بازیابی و نگهداری مواد دانهای در صنایع مختلف از جمله معدنی، دارویی، کشاورزی و صنایع غذایی به شمار میرود. اندازه و شکل سیلو و همچنین تجهیزات جانبی آن به مواد مورد ذخیره بستگی دارد و از اندازه های چند متری تا اندازههای چند ده متری ساخته و استفاده میشود. با توجه به حوزه بسیار وسیع کاربردی و همچنین تنوع مسائل پیرامون آنها، تحقیقات گوناگونی در مورد آنها منتشر شده است. با این حال، مرور مراجع نشان میدهد که همچنان مسائل متنوعی در این رابطه وجود دارد که نیازمند تحقیقات بیشتر برای رسیدن به پاسخ آنهاست.
از این رو، تحقیق جاری اجرا گردید که نتایج آن میتواند چه از لحاظ نظری و چه از لحاظ کاربردی مفید واقع شود. یکی از پارامترهای مهم در سیلوها کنترل نرخ خروجیاست که بعضاً با مشکلاتی همراه است. به طور مثال، انسداد مجرای خروجی یک مشکل حاد و مرسوم در این تجهیز است که به دلایل مختلفی احتمال وقوع دارد. در رابطه با دلایل احتمالی پدیده تشکیل قوس در دهانه خروجی، میتوان به کلوخه شدن و چسبندگی مواد به هم و به دیواره اشاره نمود که برای نمونه در شکل - 1 - نشان داده شده است.
در راستای رفع این مشکل، راهکارهای عملی مختلفی در صنعت مورد استفاده قرار میگیرد ولی نمیتوان با قاطعیت در مورد راهکار اساسی و مناسب اظهار نظر قطعی نمود. در بین روشهای مختلف، تحریک ارتعاشی دیوارههای سیلو یک راهکار عملی مناسب به نظر میرسد. به عنوان یک واقعیت، باید متذکر شد که هر چند این روش در عمل مورد استفاده قرار میگیرد ولی هنوز مبانی تئوری و اثبات چگونگی تاثیر آن جای بررسی دارد.
با توجه به نبود شناخت نظری کافی پیرامون این قضیه، برخی اوقات نه تنها این روش تاثیر مثبتی ندارد بلکه آثار مخربی را نیز به جای میگذارد. برای مثال میتوان به تصاویر خرابی و شکست دیوارههای سیلو در شکل - 2 - اشاره نمود که در اثر ارتعاش دیواره حادث شده است. با این اوصاف میتوان به اهمیت شناخت دقیقتر از تاثیر ارتعاشات بر روی تسهیل تخلیه سیلو پی برد. در واقع ارتعاشات باید به صورت موثر اعمال گردد تا بیشترین تاثیر را بر تخلیه داشته و حداکثر کارایی را به دنبال داشته باشد.
در رابطه با روشهای ممکن برای تحلیل این مسئله، روشهای مختلفی قابل پیادهسازی است که آنها را میتوان در سه گروه اصلی شامل: روش تجربی و آزمایشگاهی، روش تحلیلی بر مبنای مکانیک محیطهای پیوسته و روش المان گسسته قرار داد. هر چند مطالعه آزمایشگاهی روشی مناسب و قابل اعتماد است ولی مستلزم صرف هزینه زیاد بوده و محدودیتهای خاص خود را دارد و در مطالعه اثر برخی پارامترها دارای محدودیت است. از طرفی دیگر، مهمترین مزیت روشهای بر مبنای مکانیک محیط پیوسته، امکان دستیابی به روابط تحلیلی پارامتری برای پیشبینی رفتار سیستم است.
با اینحال، با توجه به ماهیت پیچیده مسئله و انحراف وضعیت مواد دانهای درون سیلو از یک سیستم واقعاً پیوسته، این روش نمیتواند راهکارکاملاً مناسبی برای پیشبینی رفتار مواد درون سیلو باشد هر چند برای برآوردهای اولیه قابل استفاده است. از این رو، راهکار مدل سازی ذرات با روش دینامیک ملکولی یا به بیانی دیگر المان گسسته میتواند رویکرد موثر و قابل قبولی برای این منظور باشد که در تحقیق جاری از آن استفاده میشود.
البته باید متذکر شد که مهمترین محدودیت روش المان گسسته حجم زیاد محاسبات عددی است که برای اجرای آن به سخت افزار کامپیوتری پرقدرت نیاز است. از این رو با گسترش صنعت کامپیوتر و پیشرفت فناوری مربوطه، استفاده از این روش نیز رو به گسترش است. در ادامه خلاصای از برخی مراجع مرتبط که در گروههای معرفی شده قرار میگیرند ارائه میگردد تا بتوان جای خالی تحقیقات ضروری را شناسایی نموده و همچنین در موارد ممکن مقایسههای لازم را انجام داد.
تحقیق منتشر شده در سال 1961 توسط بورلو - Beverloo - و همکاران از مراجع اولیه در زمینه پیش بینی جریان خروجی سیلو است که با روش تجربی انجام شده است .[1] در سال 1966، واکر - Walker - روابطی تقریبی برای تعیین فشار وارد بر دیوارههای سیلو و پایداری قوس درون آن ارائه کرد .[2] پس از آن در سال 1973، والترز - Walters - با رویکردی تحلیلی به بررسی تنش و فشار وارد بر دیوارههای قائم سیلو پرداخت .[3]
شاید بتوان مطالعه تجربی آرنولد - Arnold - و کادن - Kaaden - درسال 1977 را از اولین مواردی شناخت که به مطالعه اثر ارتعاشات مکانیکی بر اصطکاک مؤثر بین دو جسم پرداخته است .[4] نتایج تحقیق یاد شده نشان داده که ارتعاشات باعث تضعیف اثر اصطکاک شده و حرکت را تسهیل مینماید. همانگونه که قبلا نیز بیان شد، با وجود توسعه روشهای تئوری، روشهایآزمایشگاهی اهمیت خود را دارند و از جمله تحقیقات نسبتاً جدید در این رابطه میتوان به به تحقیق یوناک - Unac - و همکاران اشاره نمود که با روش تجربی و همچنین روش تئوری انجام و در سال 2012 منتشر شده است .[5]
در تحقیق یاد شده، دو نوع هندسه شامل دهانه تخت و دهانه مخروطی برای سیلو در نظر گرفته شده و ذرات درون آنها از جنس کوارتز در دو اندازه مختلف بوده است. در مطالعه مذکور، اثر شیب، اندازه ذرات و قطر خروجی مورد بررسی قرار گرفته و نتایج نشان داده است که با افزایش قطر خروجی نرخ تخلیه نیز افزایش مییابد و هرچه قطر ذرات کوچکتر باشد این نرخ تقویت میشود. آنها همچنین به این نتیجه رسیدند که هر چه شیب قیف افزایش پیدا کند نرخ خروجی نیز افزایش مییابد. نتایج تجربی حاصل با فرمول کلاسیک بورلو [1] - Beverloo - نسبتاً مطابقت داشته است.
