Результати чисельного моделювання y-подібного змішувача кормових преміксів

Abstract

У роботі проведено комплексне чисельне моделювання процесу змішування кормових преміксів у Y-подібному змішувачі з використанням методу дискретних елементів (DEM) у поєднанні з обчислювальною гідродинамікою (CFD–DEM) у програмному середовищі Simcenter Star-CCM+. Метою дослідження було встановлення закономірностей впливу геометричних параметрів змішувача (кут злиття гілок, діаметр і довжина гілок) та режимних факторів (частота обертання змішувача) на швидкість досягнення заданої однорідності суміші, характер потоків частинок і енергетичні витрати. Для моделювання використано тривимірну постановку задачі, де тверді частинки преміксу розглядалися як сферичні тіла з урахуванням пружності, тертя та відновлення при контактах між частинками та стінками змішувача за моделлю Герца–Міндліна. Візуалізація процесу дозволила простежити формування багатопоточних траєкторій, локальні прискорення та уповільнення частинок, а також динаміку поступового вирівнювання концентрацій компонентів преміксу. Дослідження проводилося за повнофакторним планом експерименту з чотирма факторами на трьох рівнях, а критерієм ефективності процесу обрано час τ досягнення однорідності суміші h = 0,95. За результатами моделювання побудовано рівняння регресії другого порядку та проведено статистичну оцінку значущості факторів за критеріями Стьюдента та Фішера. Аналіз показав, що найбільший вплив на швидкість досягнення однорідності мають частота обертання змішувача та кут злиття гілок, що обумовлено активною циркуляцією потоків, турбулентністю та ефективним перетином компонентів преміксу. Діаметр і довжина гілок проявляють менший нелінійний вплив: надмірне збільшення цих параметрів може створювати «мертві зони» і знижувати інтенсивність змішування. Перехресні взаємодії факторів підтверджують комплексний характер впливу геометрії та режиму на ефективність процесу. За умов компромісної оптимізації, спрямованої на мінімізацію часу досягнення однорідності та одночасне збільшення об’єму змішувача, визначено раціональні параметри Y-подібного змішувача: довжина гілок L = 371 мм, діаметр D = 186 мм, кут злиття γ = 46°, частота обертання n = 22 об/хв. При цьому час досягнення однорідності складає 69 с. A comprehensive numerical simulation of the mixing process of feed premixes in a Y-shaped mixer was carried out using the Discrete Element Method (DEM) combined with Computational Fluid Dynamics (CFD–DEM) in the Simcenter Star-CCM+ software environment. The aim of the study was to establish the patterns of influence of the mixer’s geometric parameters (branch convergence angle, branch diameter, and branch length) and operating factors (mixer rotation speed) on the rate of achieving the target mixture uniformity, the flow behavior of particles, and energy consumption. The simulation was performed in a three-dimensional setting, where solid premix particles were modeled as spherical bodies, taking into account elasticity, friction, and restitution during particle-to-particle and particle-to-wall contacts using the Hertz–Mindlin model. Visualization of the process made it possible to trace the formation of multi-stream trajectories, local accelerations and decelerations of particles, as well as the dynamics of the gradual leveling of premix component concentrations. The study was conducted according to a full-factorial experimental design with four factors at three levels, with the process efficiency criterion defined as the mixing time τ required to achieve mixture uniformity h = 0.95. Based on the simulation results, a second-order regression equation was obtained, and statistical evaluation of factor significance was carried out using Student’s t-test and Fisher’s F-test. The analysis showed that the mixer rotation speed and branch convergence angle have the greatest influence on the rate of achieving uniformity, which is explained by active flow circulation, turbulence, and effective intermixing of premix components. Branch diameter and length exhibited a smaller nonlinear effect: excessive increases in these parameters can create “dead zones” and reduce mixing intensity. Cross-factor interactions confirmed the complex nature of the influence of geometry and operating conditions on process efficiency. Through compromise optimization aimed at minimizing the mixing time while simultaneously increasing mixer capacity, the following rational parameters of the Y-shaped mixer were determined: branch length L = 371 mm, diameter D = 186 mm, convergence angle γ = 46°, and rotation speed n = 22 rpm. Under these conditions, the mixing time to reach uniformity was 69 seconds.