Tesis:
Aplicaciones del método de los elementos discretos al almacenamiento de materiales granulares en silos y tolvas.
- Autor: GONZALEZ MONTELLANO, Carlos
- Título: Aplicaciones del método de los elementos discretos al almacenamiento de materiales granulares en silos y tolvas.
- Fecha: 2010
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AGRONOMOS
- Departamentos: CONSTRUCCION Y VIAS RURALES
- Acceso electrónico:
- Director/a 1º: AYUGA TELLEZ, Francisco
- Resumen: Los silos son estructuras de almacenamiento ampliamente utilizadas para el almacenamiento y manejo de materiales granulares en procesos productivos propios de numerosas industrias (agraria, alimentaria, minera, química o farmacéutica). Su correcto diseño implica garantizar su seguridad estructural (algo que está directamente ligado a una buena predicción de los valores de las presiones ejercidas sobre las paredes del silo) y su adecuado funcionamiento dentro del proceso en el que participa (lo que habitualmente requiere atender a cuestiones relativas al patrón de flujo, a la tasa de descarga o a fenómenos de segregación o arqueo). La predicción de los valores de presión no siempre es una tarea fácil ya que su valor es dependiente del estado del silo (llenado o vaciado). Además, tales valores de presión pueden experimentar incrementos locales y aleatorios como consecuencia de asimetrías accidentales producidas durante los procesos de carga y descarga del silo o de la presencia de imperfecciones en la pared del silo. Habitualmente estos valores de presión son obtenidos en la práctica mediante el uso de procedimientos analíticos basados en las clásicas ecuaciones de Janssen o Reimbert donde, adicionalmente, se adoptan medidas especiales para tener en cuenta la situación de llenado o de vaciado en la que se encuentra el silo. Por otro lado, el patrón de flujo desarrollado en el interior del silo durante su descarga (habitualmente clasificado en dos tipos: flujo másico y flujo en canal) es función de las características geométricas del silo (ángulo de inclinación y forma de la tolva, tamaño del orificio de salida...) así como de los valores de rozamiento (interno y con la pared) característicos del material almacenado. En función de algunas de estas variables, algunos autores, tales como Jenike (1964), desarrollaron diferentes diagramas de cálculo que permiten al predicción del patrón de flujo en condiciones prácticas. Sin embargo, los métodos analíticos indicados anteriormente no siempre son capaces de predecir correctamente los valores de la distribución de presiones o el carácter del patrón de flujo presente en ciertos casos. Debido a ello, con objeto de alcanzar un mayor y más real conocimiento de estos fenómenos, se empezaron a emplear diferentes técnicas numéricas, El método de los elementos finitos (MEE) es una de ellas y ha permitido obtener resultados satisfactorios para algunas situaciones. Sin embargo, debido a la naturaleza continua inherente al MEE, esta técnica no resulta adecuada para la simulación de situaciones dinámicas, como puede ser la descarga del silo, Por esta razón, otras técnicas numéricas alternativas, tales como el Método de los Elementos Discretos (Cundal and Strack (1979)), han tomado importancia en los últimos años, La principal desventaja de este método es que la simulación de una situación real no siempre es posible, debido los grandes requisitos computacionales de esta técnica. Sin embargo, aún así, el DEM es una técnica prometedora para el estudio de materiales granulares, pues es capaz de describir su comportamiento al nivel de partícula Este hecho hace de esta técnica un método apropiado para la simulación de los muy diversos fenómenos que tienen lugar en el campo de los silos, tanto por motivos profesionales como de investigación. El método de los elementos discretos ha sido empleado ampliamente por numerosos investigadores para estudiar diferentes fenómenos relacionados con el campo de los silos, tales como las distribuciones de presiones, el patrón de flujo o los procesos de segregación. Sin embargo, muchas de las simulaciones generadas tenían un carácter bidimensional, simplificación que no es siempre perfectamente representativa de una situación tridimensional real. En otros casos, los modelos numéricos no fueron validados experimentalmente o bien las propiedades del material empleadas en su definicion no fueron adecuadamente mediadas Debido a ello, todavía sigue existiendo una gran necesidad de establecer procedimientos adecuados para la generación de modelos DEM suficientemente representativos de la realidad, Además, muchos procedimientos de simulación ampliamente considerados en muchos modelos necesitan investigarse más en profundidad para poder ser considerados como universalmente válidos, El presente trabajo pretende arrojar algo de luz sobre algunas de estas cuestiones. Para ello, en él se han elaborado diferentes modelos de elementos discretos que permiten la simulación realista del llenado y el vaciado de un silo a escala para dos materiales diferentes (canicas de cristal y granos de maíz). Con objeto de que estos modelos fueran lo más representativos de la realidad, los parámetros intervinientes en ellos han sido medidos experimentalmente de la forma más precisa que ha sido posible y, adicionalmente, se han validado experimentalmente los modelos con objeto de verificar su adecuada representación de la realidad. Tras ello, los resultados numéricos obtenidos en los diferentes modelos han sido analizados y estudiados de modo que se han podido encontrar importantes conclusiones acerca del comportamiento del material granular durante la fase de llenado y vaciado de los silos. Adicionalmente, se ha podido evaluar, a través de la comparación de los diferentes modelos realizados para un mismo material, la influencia de los parámetros de rozamiento en los resultados numéricamente obtenidos. Del mismo modo, mediante la comparación de los resultados obtenidos para diferentes materiales, se han puesto de manifiesto algunas diferencias notables en los resultados obtenidos debidas al material. Finalmente se han analizado las implicaciones de algunas cuestiones procedimentales habitualmente empleadas en la definición de los modelos (tales como al generación de la distribución del tamaño de partículas, el sistema de llenado o la determinación del nivel de promediado temporal óptimo) y se han propuesto algunas recomendaciones prácticas al respecto.