造粒操作のIndustry4.0を実現する粉体シミュレーション技術の開発

开发粉末模拟技术，实现造粒作业工业4.0

• 批准号: 22H01852
• 负责人: 仲村 英也
• 金额: $ 11.32万
• 依托单位: Osaka Metropolitan University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01852/
• 关键词: 粉体工学; 数値計算; 造粒; 離散要素法; シミュレーション

2022年度は、個々の粒子運動を計算する離散要素法(DEM)と、粒子凝集現象の速度論的数理モデルであるポピュレーションバランスモデル(PBM)を組み合わせたDEM－PBM法に着目した。DEM-PBM法では、まず、DEMで造粒機内部の粉粒体流れを計算し、これを元に凝集確率関数を算出する。そして、これを主関数としたPBM計算を行い、粒度分布の時間変化を算出する。更新された粒度分布を入力値としたDEMシミュレーションを再び行い、以降は同じ手順を繰り返す。これにより、造粒機内部の粒度変化とそれに伴う粉粒体流れの変化が双方向に計算される。この手法の最大の特長は、凝集確率関数に造粒機内部の粉粒体流れ場が反映される点にある。しかし、現状のDEM-PBM法では、DEMの結果から凝集確率関数の一部しか算出できず、方程式を閉じるためにはadjustableな実験定数を含む経験式を導入しなければならなかった。2022年度はこの課題を克服すべく、この凝集確率関数をDEMの結果から直接算出する “DAK”(Deterministically calculated Aggregation Kernel)を考案した。DAKは、凝集した2粒子間の相対速度は無視小になることに着目し、DEMで計算される粒子間相対速度データ群から相対速度が無視小と見なせる割合を抽出して、凝集確率関数を算出する手法である。これにより、PBMの凝集確率項をDEMの結果から直接求めることができ、パラメータフィッティングに頼らずに、造粒物粒度変化を計算できる。DEM-DAK-PBM法で造粒プロセスにおける粒子径分布を計算し、これを実験結果と比較したところ良好な一致を示したことから、提案手法の有効性を実証することができた。

在2022财年中，我们重点关注DEM-PBM方法，该方法结合了离散元素方法（DEM），该方法计算单个粒子运动和种群平衡模型（PBM），这是粒子聚集现象的动力学数学模型。在DEM-PBM方法中，首先使用DEM计算颗粒内的粉末和颗粒流，并基于此计算聚集概率函数。然后，使用该计算作为计算粒度分布的时间变化的主要函数进行PBM计算。将DEM模拟再次执行，以更新的粒度分布作为输入值，并且从现在开始重复相同的过程。这允许两个方向颗粒内部粒径变化以及粉末和颗粒流的相关变化。该技术的最大特征是聚集概率函数反映了颗粒内的粉末和颗粒流场。但是，在当前的DEM-PBM方法中，只能从DEM的结果中计算出内聚概率函数的一部分，并且为了关闭方程，必须引入包含可调节实验常数的经验方程。在2022年，为了克服这一挑战，我们设计了一个“ dak”（确定性计算的聚合内核），该内核直接从dem的结果中直接计算了此汇总概率函数。 DAK是一种侧重于以下事实：两个团聚粒子之间的相对速度较小，并通过提取可以认为可以认为是从DEM计算的植物间相对速度数据组中忽略的比例来计算聚集概率函数。这允许可以从DEM的结果直接确定PBM的聚合概率项，并且可以在不依赖参数拟合的情况下计算颗粒状颗粒大小的变化。使用DEM-DAK-PBM方法计算了颗粒过程中的粒度分布，当将其与实验结果进行比较时，它显示出良好的一致性，表明可以证明该方法的有效性。