EDEM APIと連成解析を用いた空気輸送の静電気シミュレーション │ 解析事例　EDEM

粉体を装置から装置へ輸送する際の方法には流体(空気・水)による輸送とベルトコンベアなどの機械による輸送がありますが、軽く水に溶けやすい粉末材料を輸送するには空気輸送が適しており、食品・医薬品・化学工業製品などの原材料で主に導入されています。

以下は空気輸送の輸送管と貯蔵装置(サイロ)の模式図です。高さのあるサイロを粉体で満たすには、このように高い位置から粉体を注入する必要があり、空気輸送により粉体を持ち上げることで実現されます。

吸湿や汚れを避けることができ、飛散による材料のロスもなく、装置が小規模で輸送路の自由度が高いといった利点を持つ空気輸送装置ですが、避けることのできない問題点に、静電気の問題があります。

静電気は火災や爆発、また感電の重大なリスクになるとともに、輸送管の閉塞も引き起こします。そのため、適切な対策をとる必要があり、シミュレーションはその有力な手段です。

空気輸送をシミュレーションする場合、粉体の流れは離散要素法(DEM)の、空気の流れは流体シミュレーション(CFD)の領域です。

このように、異なる物理現象を同時に考慮するシミュレーションのことを、連成解析といいます。

連成解析においては、それぞれの物理現象の相互作用を考慮する必要がありますが、問題設定によっては特定方向の相互作用が無視できるほど小さいことがあり、そうした場合には実際に無視することで計算を高速化することができます。

特に、二つの物理現象の連成に関して、一方向の相互作用のみを考える方法を一方向連成、双方向の相互作用を考える連成を双方向連成といいます。

EDEMは同じAltair社(流体の場合AcuSolve)の製品との連成機能を標準搭載しており、複雑な設定をすることなく一方向連成、双方向連成のいずれでも実行することができます。

EDEMには摩擦帯電と電気相互作用の機能が標準で備わっています。特に、摩擦帯電の帯電量qは次の式で表されます。

(α,βは比例定数、qmaxは表面電荷の最大値)

しかしながら、この摩擦帯電は異なる素材が接触したまま転がるなどの現象、いわゆる接触帯電の数理モデルを実装したものです。

このモデルでは接触時間が短いほど帯電量も短くなります。一方で、壁面に粒子が高速で衝突すると、接触時間が極めて短いため、接触帯電のモデルからはわずかな帯電量が予測されますが、実際の実験では接触モデルによる推定値よりも高い帯電量が計測されています。そのため、このような帯電を衝突帯電と呼び、接触帯電とは区別します。

EDEMでは、考慮したい要素が標準機能にない場合でも、API機能を用いてシミュレーションを実行することができます。

EDEM APIのソースコードはC++を用いて記述され、さまざまな用途に活用できます。たとえば、次のような機能がAPIを用いて実現可能です。

標準の接触モデルが当てはまらない材料の粉体に対し、独自の接触モデルを実装する。
粒子径が均一でない粉体に対し、粒子径分布を任意に指定して生成する。
壊れやすい材料の粉体に対し、衝突による分裂を実装する。
接触や与えられた物理場、または時間経過に応じて電荷などの標準変数や水分量などのカスタム変数を操作し、また変数に応じて剛性、弾性、凝集力、粒子半径などの物性を変化させる。
電荷や磁性を持つ粒子に対し、外部からの電磁場や粒子同士の相互作用による力を作用させる。また、粒子やジオメトリに帯電や磁化を発生させる。
粒子の挙動を標準機能よりも詳しく追跡する。

今回は、衝突の際に帯電を発生させるモデルを作成し、空気輸送のシミュレーションを行いました。