Experimental investigation and numerical simulation of the particle motion in flighted rotating drums

Abstract

The particle motion in flighted rotating drum (FRD) is still a challenge due to the uncertain parameters and complicated particle movement. The number of particles in the dilute phase and the distribution of particles in the cross-section of the drum continuously change as the drum rotates. This information is essential to improve the performance of the drum and the product quality, but are not clearly understood by experimental or numerical approaches so far. In this thesis, the experimental techniques of magnetic particle tracking (MPT) and particle tracking velocimetry (PTV) are applied to track the movement of particles in FRD. Besides, the discrete element method (DEM) is used to simulate the dynamic characteristics of the granular system in the drum. In an FRD, the MPT technology is utilized to measure the particle motion. The movement of plastic balls and soybeans in a laboratory flighted rotating drum is investigated with 5 % filling degree at various rotating speeds. On the basis of tracer trajectories, translational and rotational velocity distributions of particles are evaluated. Further, the falling time of particles in the dilute phase is investigated in dependence on the discharge angle. In addition, the movement dynamics of curtains are evaluated in the equatorial region of the drum. As the measurements revealed, the particle motion in FRD is strongly influenced by the drum rotating speed and slightly affected by particle size and shape within the scope of this work. The PTV method, combining the segmentation and tracking processes, is applied to simultaneously track many particles in an FRD with a satisfactory recovery ratio. The particle motion in the cross-section of the drum is systematically analyzed based on changes in correlated particle trajectories. DEM simulations are performed in correspondence to the experimental measurements. The simulations are in agreement with PTV measurements in terms of the holdup ratio and cascading rate of a single flight, the falling time of dilute phase, the distribution of particles among the three phases, the average velocities and granular temperatures of the particle system in FRD. The effect of flights on the transverse particle motion in FRD is investigated by installing different numbers of flights on the drum. The loading and unloading profiles of the single flight and active flights, and the particle ratio of dilute phase are investigated on the basis of PTV measurements and DEM simulations. Besides, previous literature models are used to calculate the particle ratios in the flight phase and the dilute phase, respectively. A detailed comparison is represented and shows DEM simulations to agree well with PTV measurements, whereas literature models show significant deviations.

Die Partikelbewegung in einer Drehtrommel mit Schaufeleinbauten (FRD) ist aufgrund der unsicheren Parameter und ihrer komplizierten Natur immer noch eine Herausforderung. Die Anzahl der Partikel in der Partikel-Gas-Phase und die Verteilung der Partikel über den Querschnitt der Trommel ändern sich kontinuierlich während der Trommeldrehung. Informationenen darüber sind entscheidend, um die Leistung der Trommel und die Produktqualität zu verbessern. Jedoch werden diese durch experimentelle oder numerische Ansätze bisher nicht ausreichend beschrieben. In dieser Arbeit werden die experimentellen Methoden der magnetischen Partikelverfolgung (MPT) und der Particle Tracking Velocimetry (PTV) angewendet, um die Bewegung von Partikeln in einer Drehtrommel mit Rechteck-Hubschaufeln zu verfolgen. Außerdem wird die Diskrete Elemente Methode (DEM) verwendet, um das dynamische Verhalten eines Schüttgutes in der Trommel zu simulieren. Die MPT-Technologie wird verwendet, um die Bewegung von Plastikkugeln und Sojabohnen in einer Labor-Drehtrommel mit Schaufeleinbauten zu analysieren. Die Partikelbewegung wird mit 5 % Füllgrad bei verschiedenen Drehzahlen untersucht. Auf der Basis von Tracer-Trajektorien werden Translations- und Rotationsgeschwindigkeitsverteilungen von Partikeln ausgewertet. Ferner wird die Fallzeit von Partikeln in der Partikel-Gas-Phase in Abhängigkeit vom Abwurfwinkel untersucht. Zusätzlich wird die Bewegungsdynamik von Partikelschleiern in der Äquatorialebene der Trommel ausgewertet. Wie die Messungen im Rahmen dieser Arbeit zeigten, wird die Partikelbewegung in FRD stark von der Rotationsgeschwindigkeit der Trommel und nur geringfügig von der Partikelgröße und -form beeinflusst. Die PTV-Methode, welche die Segmentierungs- und Verfolgungsprozesse kombiniert, wird angewendet, um gleichzeitig viele Partikel in einer FRD mit einer zufriedenstellenden Reproduktionsrate verfolgen zu können. Die Partikelbewegung im Querschnitt der Trommel wird systematisch anhand von Änderungen der korrelierten Partikelbahnen analysiert. DEM-Simulationen werden entsprechend den experimentellen Messungen durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulationen stimmen überein mit den Ergebnissen der PTV-Messungen hinsichtlich des Füllungsgrades und der Kaskadenrate einer Einzelschaufel, der Fallzeit in der Partikel-Gas-Phase, der Verteilung der Partikel auf die drei Bewegungsphasen, der Durchschnittsgeschwindigkeiten und der granularen Temperatur des Partikelsystems in FRD. Um den Einfluss der Hubschaufelanzahl auf die transversale Partikelbewegung zu untersuchen, werden Drehtrommeln mit unterschiedlichen Anzahlen von Schaufeln präpariert. Die Lade- und Entladeprofile von Einzelschaufeln und aktiven Schaufeln sowie der Partikelanteil in der Partikel-Gas-Phase werden anhand von PTV-Messungen und DEM-Simulationen untersucht. Außerdem werden frühere Literaturmodelle verwendet, um die Partikelanteile in den Schaufeln bzw. der Partikel-Gas-Phase zu berechnen. Ein detaillierter Vergleich wird angestellt und zeigt, dass die DEM-Simulationen mit den PTVMessungen gut übereinstimmen, während Literaturmodelle signifikante Abweichungen zeigen.