Modellazione numerica dei meccanismi di segregazione in materiali granulari sfusi

Granular materials are deeply rooted in the long history of science and technology. Furthermore, several industries process granular materials routinely, including chemical, food and pharmaceutical industries. Handling and processing of these materials remain a major challenge in numerous industrial applications. The main difficulty regards the mixing of particles with different properties because of their tendency to segregate spontaneously. Thus, the development of tools for predicting segregation is essential in order to control and minimize the occurrence. This research project is concerned with the numerical modelling of segregation mechanisms in bulk materials for mixtures with varying degrees and types of particle dispersity, in many industrial settings. More specifically, we first study size-driven segregation in diluted binary mixtures. We then tackle segregation due to size differences in multi-component and polydisperse particle systems. In these cases, the segregation equations are fully coupled with the solid flow rheology. Since the coupling is challenging, only a few other studies exist in this area. We then propose a new mathematical model for density-driven segregation in binary mixtures. Unlike the previous models, in this case, we employ a one-way coupling. Furthermore, the velocity field is determined directly from analytic solutions rather than by solving the momentum equation. The inclusion of density differences would have led to compressible velocity fields and hence, to more complex models. An additional chapter describes a new model for particle-size segregation that include the compressibility of the velocity field. Wherever possible, the models are validated in a two-way comparison among experiments and theory. In the other cases, the validation procedure is accomplished with DEM simulations. All theories are capable of reproducing both qualitatively and quantitatively what happens in reality. Thus, the proposed segregation models represent a step towards a complete and accurate description of segregation in a variety of dense granular flows. Furthermore, the models can help engineers in developing mitigation strategies and in rationally designing and scaling equipment, processes, and process control.

I materiali granulari sono profondamente radicati nella lunga storia della scienza e della tecnologia. Essi vengono trattati quotidianamente da numerose industrie tra cui l’industria chimica, l’industria alimentare e l’industria farmaceutica. Tuttavia, la loro manipolazione e la loro lavorazione rimangono un importante problema in numerose applicazioni industriali. Uno dei problemi più rilevanti è quello della miscelazione di particelle aventi proprietà diverse dal momento che tendono a segregare spontaneamente. Pertanto, lo sviluppo di strumenti per prevedere la segregazione è essenziale per controllare e ridurre al minimo il fenomeno. Questo progetto di ricerca riguarda la modellazione numerica dei meccanismi di segregazione in materiali sfusi, per miscele con vari gradi e tipi di dispersione particellare e applicati a diversi contesti industriali. Nello specifico, studieremo dapprima la segregazione per dimensione in miscele binarie diluite. Successivamente tratteremo la segregazione per taglia in sistemi di particelle multicomponenti e polidispersi. In questi casi, le equazioni di segregazione sono accoppiate con la reologia del flusso solido in modo bidirezionale. Poiché l’accoppiamento bidirezionale è piuttosto complesso, esistono solo pochi altri studi a riguardo. Proporremo poi un nuovo modello matematico per descrivere la segregazione per densità in miscele binarie. A differenza dei modelli precedenti, in questo caso utilizzeremo un accoppiamento unidirezionale. Inoltre, il campo di velocità sarà determinato direttamente da soluzioni analitiche piuttosto che risolvendo l’equazione di conservazione della quantità di moto. L’inclusione delle differenze di densità avrebbe portato a campi di velocità comprimibili e quindi, a modelli più complessi. Un ulteriore capitolo descrive un nuovo modello di segregazione per taglia che include la comprimibilità del campo di velocità. Ove possibile, i modelli saranno validati con esperimenti. Negli altri casi, la procedura di validazione si realizzerà con simulazioni DEM. Tutte le teorie sono in grado di riprodurre sia qualitativamente che quantitativamente ciò che accade nella realtà. Pertanto, i modelli di segregazione proposti rappresentano un ulteriore passo avanti verso una descrizione completa e accurata della segregazione in una varietà di flussi granulari densi. Questi modelli possono inoltre aiutare gli ingegneri a sviluppare strategie di mitigazione, a progettare e dimensionare razionalmente apparecchiature e a sviluppare più efficaci sistemi di controllo di processo.