離散要素法を用いた付着性粉体の凝集過程の数値計算と実験による検証

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本研究では従来の離散要素法に新たに付着力の概念を導入し、粒子どうしの各接触点での付着力が接触反力(分離力)を上回った場合には並進運動と回転運動が相手粒子によって拘束されることを考慮した数値解析プログラムを開発した。本研究では付着性粉体が凝集するときの力学的挙動を数値計算によって明らかにするため、まず実験結果との比較が容易な貯槽(ホッパー)における閉塞現象に着目して解析を行った。まず二次元で作成したプログラムを三次元に拡張し、密度や付着力等の粒子物性およびホッパー角や出口幅等の貯槽の幾何学的条件を種々変化させたときに起こる粉体の凝集に起因する貯槽出口の閉塞現象を約1万個の粒子を用いた数値計算によって求めた。計算によって得られた閉塞現象の発生限界は、炭酸カルシウムやデンプン等の実際の付着性粉体を用いて行った実験結果とよく一致し、本研究で開発した付着性粉体の数値解析プログラムが実際の現象の予測に有効であることを示した。次に容器内で攪拌される粒子の運動を対象とした数値解析を行った。円筒形容器内に充填した約1万7千個の粒子を4枚の平板翼で攪拌する場合の運動を数値解析した結果は実際の粒子群の運動をよく表現した。さらに本研究ではより複雑な場合として、気泡流動層(二次元)中の約10万個の粒子の運動も数値解析した。気流の運動は粒子の抗力と回転揚力による相互干渉を考慮したNavier-Stokes式と連続の式を解き、粒子の運動は多体接触による粒子間相互作用を離散要素法によって計算し抗力と回転揚力を考慮したLagrangian形運動方程式を解いて求めた。この場合の計算結果も実際の現象の可視化実験結果ならびに速度特性値の測定結果等とよく一致し、本研究の計算手法が非常に複雑な粒子の運動にも適用できることが明らかになった。