Симуляція процесу формування бурта і змішування компонентів компостної суміші однобарабанним аератором

Abstract

Найбільше розповсюдження для виконання технологічного процесу виробництва органічних компостів отримали мобільні аератори-змішувачі роторно-барабанного типу. Узагальнюючі дані по аналізу конструкцій технічного забезпечення механізованого компостування, проведених попередніх теоретичних і експериментальних досліджень відомих науковців, власних пошукових досліджень встановлено, що механізоване виробництво компостів потребує додаткового вивчення. Так, аналіз показав, що ефективними є роторні барабанно-лопатеві робочі органи. Однак, недостатньо досліджені залежності зміни висоти бурту при формуванні, показники однорідності і структурності суміші, енергоємності при роботі барабанно-лопатевих робочих органів від частоти обертання, швидкості переміщення робочого органу і геометричних параметрів лопатей. Не досліджені зміни об’ємної маси, структурності суміші, пошарового розподілу температури в бурті під дією робочих органів. Це обумовлювало актуальність проведення досліджень згідно вибраного напрямку. Аналіз розроблених моделей процесу взаємодії робочого органу із компостною сумішшю показав, що їх не можливо використовувати для оцінки якості змішування і формування бурта, так як необхідно розглядати рух системи дискретних часток, з яких складається компостна суміш. В свою чергу математичний опис руху дискретних елементів можливий з використанням сучасних CAE-систем, однією з якої є Simcenter Star-CCM+ За результатами чисельного моделювання технологічного процесу формування бурта і змішування компонентів компостної суміші провести обґрунтування конструктивно-режимних параметрів робочого органу однобарабанного аератора. Для побудови фізико-математичної моделі процесів змішування компостної суміші і формування бурта використані наступні сіткові і фізичні моделі: безсіткова DEM, інтерполяція рішення, Лагранжева багатофазність, нестаціонарний неявний, модель дискретних елементів DEM, багатофазна взаємодія, сила тяжіння, граничні сили DEM. У результаті моделювання процесу змішування компостної суміші однобарабанним лопатевим робочим органом встановлені залежності висоти H` і ширини L` сформованого бурта від частоти обертання n, лінійної швидкості переміщення робочого органу V, кута нахилу лопаті ξ. Складено математичний вираз у вигляді рівнянь регресії другого порядку, який зв’язав коефіцієнт варіації якості змішування δ із факторами досліджень. Вирішуючи компромісну задачу в програмному пакеті Wolfram Cloud отримуємо раціональні параметри робочого органу: частоти обертання n = 237 об/хв, лінійної швидкості переміщення V = 0,15 м/с, кута нахилу лопаті ξ = 15,8 °. При цьому коефіцієнт варіації якості змішування δ = 0,51, ширина сформованого бурту L` = 1,23 м і висота сформованого бурту H` = 1,54 м.

- The most widespread approach for implementing the technological process of organic compost production involves using mobile aerator-mixers of the rotary-drum type. Based on the analysis of various designs of mechanized composting equipment from previous theoretical and experimental studies conducted by renowned scientists, as well as our own research, it has been established that mechanized compost production requires further investigation. The analysis revealed that rotary drum-blade working elements are efficient. However, there is insufficient research on the dependencies of changes in the height of the pile during formation, indicators of homogeneity and structure of the mixture, energy consumption during the operation of drum-blade working elements in relation to the rotation frequency, working element's linear velocity, and geometric parameters of the blades. Additionally, changes in the bulk density, mixture structure, and temperature distribution within the pile under the influence of the working elements have not been investigated. This highlights the relevance of conducting research in the chosen direction. The analysis of developed models for the interaction of the working element with the compost mixture has shown that they cannot be used to assess the quality of mixing and pile formation, as it is necessary to consider the movement of discrete particles that make up the compost mixture. The mathematical description of the movement of discrete elements is achievable using modern CAE (Computer-Aided Engineering) systems, and one such system is Simcenter Star-CCM+. Through numerical simulation of the technological process of pile formation and mixture mixing, an argumentation of the constructive and technological parameters of the working element of a single-drum aerator was conducted. To construct the physical-mathematical model of the compost mixing and pile formation processes, the following mesh and physical models were utilized: meshless DEM (Discrete Element Method), solution interpolation, Lagrangian multiphase, unsteady implicit, DEM, multiphase interaction, gravity force, and boundary forces of DEM.