Flow and clogging in a granular silo discharged with a conveyor belt

Resumen

El flujo de medios granulares en la descarga de silos es un problema ampliamente estudiado desde hace años debido a sus aplicaciones en la industria o la agricultura. Recientemente, el estudio de los atascos, que dan lugar a la detención del flujo como consecuencia de la formación de arcos encima del orificio, ha recibido también la atención de la comunidad científica. A lo largo de los años, los dos problemas se han investigado en silos en los que el material es descargado únicamente por medio de la gravedad, régimen que llamamos “descarga libre”. En ese caso, la velocidad de las partículas está determinada por el tamaño del agujero de salida. Con el objetivo de investigar el efecto de ambas variables por separado, se ha utilizado una cinta transportadora que descarga el material, permitiendo controlar la velocidad de las partículas de forma independiente al tamaño de agujero. La caracterización del flujo se ha determinado a partir del análisis de grabaciones en alta velocidad de las descargas en la zona del orificio. Variando el tamaño de agujero y la velocidad de extracción de la cinta, los patrones de flujo en el agujero se han comparado con el régimen de descarga libre. De hecho, inicialmente, las dependencias del flujo y de los perfiles de densidad y velocidad con el tamaño de agujero para el caso de la descarga libre, jan sido interpretados a la luz de las expresiones propuestas recientemente. En los experimentos con la cinta se observa un comportamiento diferente, caracterizado por i) un incremento y posterior saturación de la velocidad de las partículas con la velocidad de la cinta; y ii) una reducción de la velocidad de las partículas con el tamaño de agujero si la velocidad de la cinta se mantiene constante. Estas dependencias se explican por medio de un modelo basado en la conservación de la masa. Además, tanto los valores del flujo como los de las velocidades de las partículas se han relacionado con la dinámica que se observa en el interior del silo, gracias al análisis de la micromecánica. Asimismo, la introducción de la cinta ocasiona un movimiento intermitente de las partículas que es especialmente visible para velocidades de extracción bajas. Este comportamiento se ha estudiado por medio del análisis multifractal de una señal temporal que caracteriza la velocidad de las partículas en cada momento, y también a partir de la correlación espacial entre las velocidades de las partículas. De esta manera se han encontrado cuatro tipos de flujo diferentes dependiendo de la velocidad de la cinta y del tamaño de agujero. Finalmente, el fenómeno de atasco se ha estudiado a partir del análisis de los tamaños de avalanchas definidos como el número de granos que salen del silo desde que se rompe un atasco hasta que se forma el siguiente. El protocolo de medida está automatizado y consiste en la sincronización de la cinta y otros dispositivos encargados de detectar los arcos, romperlos y registrar la masa de las avalanchas. A partir de las distribuciones de los tamaños de avalancha, se han calculado las probabilidades de atasco para tres agujeros distintos y varias velocidades de la cinta. Como resultado, se ha observado una fuerte influencia de la cinemática en el proceso de atasco: en el mejor de los casos, se ha obtenido un cambio en la probabilidad de atasco de alrededor de dos órdenes de magnitud al cambiar la velocidad de la cinta. Este comportamiento se ha explicado usando nuevas ecuaciones, que están inspiradas en otras que ya se utilizan para describir los atascos en la descarga libre. Estas expresiones incluyen solamente dos parámetros: uno geométrico, que determina la probabilidad de atasco cuando la velocidad de las partículas es mínima, y otro que recoge la influencia de la velocidad de las partículas. Con esto se logra describir separadamente los efectos geométrico y cinemático en el proceso de atasco.