Resolved CFD-DEM simulations of the hydraulic conveying of coarse grains through a very-narrow elbow

• DOI: 10.1016/j.powtec.2021.10.022
• Publication Date: 2021-10-22T11:46:06Z
• Authors: Elmar Anton Schno...; Nicolao Cerqueira...; Erick M. Franklin
• Keywords: Fluid-Structure Interaction; Computational Mechanics; Particle-Laden Flows; 0211 other engineering and technologies; FOS: Physical sciences; Ocean Engineering; 02 engineering and technology; Condensed Matter - Soft Condensed Matter; Computational fluid dynamics; Mechanics; Oceanography; Discrete element method; Dynamics of Granular Flow Systems; Engineering; Tracking (education); Fluid dynamics; Elbow; Psychology; Turbulent Interactions with Dispersed Particles and Droplets; Volumetric flow rate; Physics; Pedagogy; Fluid Dynamics (physics.flu-dyn); Paleontology; Geology; Physics - Fluid Dynamics; FOS: Earth and related environmental sciences; CFD-DEM; Computer science; Materials science; FOS: Psychology; Algorithm; Geotechnical engineering; Particle (ecology); Physical Sciences; DEM Modeling; Computation; Soft Condensed Matter (cond-mat.soft); Medicine; Surgery; Sediment; Sedimentation; Flow (mathematics); Lattice Boltzmann Method for Complex Flows

Cet article étudie numériquement le transport hydraulique des solides à travers un coude de 90 $^{\circ}$ qui change la direction d'écoulement de l'horizontale à la verticale, dans le cas très étroit où le rapport du diamètre du tuyau au diamètre des particules est inférieur à 5. Nous avons effectué des calculs CFD-DEM (computational fluid dynamics - discrete element method) résolus, dans lesquels nous avons utilisé la méthode IB (immersed boundary) du code open-source CFDEM. Nous étudions les effets du débit d'eau et de la vitesse d'injection des particules sur la vitesse de transport et la sédimentation en suivant les structures granulaires apparaissant dans le tuyau, le mouvement des particules individuelles et le réseau de contact des particules sédimentées. Nous avons trouvé le taux de transport saturé pour chaque vitesse de l'eau et qu'un grand nombre de particules se déposent dans la région du coude pour des vitesses plus petites, formant un réseau cristallin qui persiste dans le temps, et nous proposons une procédure pour atténuer le problème.<br/>Este documento investiga numéricamente el transporte hidráulico de sólidos a través de un codo de 90 $^{\circ}$ que cambia la dirección del flujo de horizontal a vertical, en el caso muy estrecho donde la relación de los diámetros de tubería a partícula es inferior a 5. Realizamos cálculos resueltos CFD-DEM (dinámica de fluidos computacional - método de elementos discretos), en los que utilizamos el método IB (límite inmerso) del código abierto CFDEM. Investigamos los efectos del flujo de agua y la velocidad de inyección de partículas sobre la velocidad de transporte y la sedimentación mediante el seguimiento de las estructuras granulares que aparecen en la tubería, el movimiento de las partículas individuales y la red de contacto de las partículas sedimentadas. Encontramos la tasa de transporte saturado para cada velocidad del agua y que un gran número de partículas se asientan en la región del codo para velocidades más pequeñas, formando una red cristalina que persiste en el tiempo, y proponemos un procedimiento para mitigar el problema.<br/>This paper investigates numerically the hydraulic conveying of solids through a 90$^{\circ}$ elbow that changes the flow direction from horizontal to vertical, in the very-narrow case where the ratio of pipe to particle diameters is less than 5. We performed resolved CFD-DEM (computational fluid dynamics - discrete element method) computations, in which we made use of the IB (immersed boundary) method of the open-source code CFDEM. We investigate the effects of the water flow and particle injection rate on the transport rate and sedimentation by tracking the granular structures appearing in the pipe, the motion of individual particles, and the contact network of settled particles. We found the saturated transport rate for each water velocity and that a large number of particles settle in the elbow region for smaller velocities, forming a crystal-like lattice that persists in time, and we propose a procedure to mitigate the problem.<br/>تبحث هذه الورقة عدديًا في النقل الهيدروليكي للمواد الصلبة من خلال مرفق بقيمة 90 $^{\ circ }$ يغير اتجاه التدفق من الأفقي إلى الرأسي، في الحالة الضيقة جدًا حيث تكون نسبة الأنبوب إلى أقطار الجسيمات أقل من 5. أجرينا حسابات CFD - DEM (ديناميكيات الموائع الحسابية - طريقة العناصر المنفصلة) التي تم حلها، والتي استخدمنا فيها طريقة IB (الحدود المغمورة) لرمز CFDEM مفتوح المصدر. نقوم بالتحقيق في تأثيرات تدفق الماء ومعدل حقن الجسيمات على معدل النقل والترسيب من خلال تتبع الهياكل الحبيبية التي تظهر في الأنبوب، وحركة الجسيمات الفردية، وشبكة الاتصال للجسيمات المستقرة. وجدنا معدل النقل المشبع لكل سرعة ماء وأن عددًا كبيرًا من الجسيمات يستقر في منطقة الكوع لسرعات أصغر، مما يشكل شبكة تشبه البلورة تستمر في الوقت المناسب، ونقترح إجراءً للتخفيف من المشكلة.<br/>