Study of the segregation of granular material in a rotatory drum using a Lagrangian numerical approach

Understanding the behavior of granular flows and particle dynamics is of fundamental importance in designing and optimizing industrial equipments. Among them rotary drums have gained prominence due to their relatively simple geometry, which consists of a horizontal cylindrical structure that rotates about the axis itself. However, the segregation of particles has become one of the recurring problems in the use of this equipment, and may negatively affect the efficiency of the process. In this context, the present work had as objective to study the phenomenon of segregation of particles in a rotatory drum by means of numerical and experimental techniques. In the numerical study, the Lagrangian approach was used, in which each particle is individually monitored with the consequent application of the balance of forces, taking into account the interactions with the other particles through the contact laws. Experimentally, the coefficients of restitution, static friction and rolling friction were measured, based on ASTM standards. As for the Lagrangian approach, the calibration of the coefficients of rolling and static friction were performed. These parameters were evaluated in a Central Composite Design and compared with the values obtained experimentally. Through the technique of image analysis, numerical and experimental segregation indices were determined. Using Lagrangian and experimental approaches, the segregation phenomenon in rotatory drum was studied and the influence of granular physical properties such as size and density, as well as the operational conditions: rotation speed and degree of filling were evaluated. For this purpose, diameter and density ratios of 5.62 and 2.11, respectively, rotation speeds of 0.59, 1.10 and 1.77 rad / s and fill levels of 25 and 50% were used. Both the diameter differences and the density differences promoted the segregation phenomenon in the radial and axial directions. An analysis was performed in relation to the kinetic segregation constant, for which the influence of the operating conditions was evaluated. When comparing the images and the kinetics of segregation obtained experimentally with those generated by the numerical resolver, the similarity between them was observed, allowing to affirm that the tool showed to be promising in the analysis of the phenomenon.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoDissertação (Mestrado)A compreensão acerca do comportamento de escoamentos granulares e da dinâmica de partículas é de fundamental importância no que diz respeito à concepção de projetos e otimização de equipamentos industriais. Dentre eles, os tambores rotatórios têm ganhado destaque devido à sua geometria relativamente simples, que consiste em uma estrutura cilíndrica horizontal que gira em torno do próprio eixo. Entretanto, a segregação de partículas tem se tornado um dos recorrentes problemas na utilização deste equipamento, podendo afetar negativamente a eficiência do processo. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo estudar o fenômeno de segregação de partículas em um tambor rotatório por meio de técnicas numéricas e experimentais. No estudo numérico, foi utilizada a abordagem Lagrangeana, na qual cada partícula é acompanhada, individualmente, com a consequente aplicação do balanço de forças, levando em consideração as interações com as demais partículas através de leis de contato. Experimentalmente, foram mensurados os coeficientes de restituição, atrito estático e atrito de rolamento, baseado nas normas da ASTM. Quanto à abordagem Lagrangeana, realizou-se a calibração dos coeficientes de atrito de rolamento e estático partícula-partícula e partícula-parede. Estes parâmetros foram avaliados em um Planejamento Composto Central e comparados com os valores obtidos experimentalmente. Através de uma técnica de análise de imagens, os índices de segregação numéricos e experimentais foram determinados. Utilizando as abordagens numérica Lagrangeana e experimental, foi estudado o fenômeno de segregação em tambor rotatório e avaliada a influência das propriedades físicas granulares como tamanho e densidade, bem como das condições operacionais: velocidade de rotação e grau de preenchimento. Para isto, foram empregadas razões de diâmetro e densidade de 5,62 e 2,11, respectivamente, velocidades de rotação de 0,59, 1,10 e 1,77 rad/s e níveis de preenchimento de 25 e 50%. Tanto as diferenças de diâmetro quanto as diferenças de densidade promoveram o fenômeno de segregação nas direções radial e axial. Uma análise mais aprofundada foi realizada em relação à constante cinética de segregação, para a qual avaliou-se a influência das condições operacionais. Ao comparar as imagens e as cinéticas de segregação obtidas experimentalmente com as geradas pelo resolvedor numérico, foi observada a similaridade entre as mesmas, permitindo afirmar que a ferramenta se mostrou promissora na análise do fenômeno