Feasibility of particles simulation with discrete element method for applications in wood pellet convey

Biomass exploitation for Energy production aims has gained a wide window in the worldwide sources panorama and looks forward to increase its relevance strong of a high sustainability and a fair distribution all over the world. Foreseeing this further development an increased availability of reliable engineering tools is needed in order to optimize biomass co-fired power plants and fuel convey/storage managing. In this work the feasibility of a Discrete Element Method usage for that scope is tested, trying to reproduce the movement of discrete phase of a packed bed. That would be the base to apply on the particle combustion model and the global bed heat transfer mechanism finally reaching an all-in one biomass combustion simulation. In the literature, there are several DEM models used to solve normal and tangential collisions and the ones we choose are a linear spring-dashpot model for normal collisions and a Coulomb model for tangential. Two study cases have been chosen from the literature to be reproduce in order to test the models reliability and accuracy. At that scope, some sensitivity test are performed on parameters such as collision stiffness, restitution coefficient and friction function. Final results obtained are very different between both cases, and quite far from the physic behind the phenomena simulated, thus we think further analysis and models studies and improvement are necessary before this approach may contribute to design and managing of structures for large scale biomass power production.

L’utilizzo della biomassa a scopi energetici ha guadagnato già un ampio spazio nel panorama delle fonti energetiche mondiali e punta ad aumentarlo nel prossimo futuro grazie alla sua alta sostenibilità ambientale e alla sua diffusione omogenea sul pianeta. In previsione di questa ulteriore sviluppo, cresce la necessità di avere strumenti affidabili per la simulazione e la descrizione del comportamento della stessa in modo da poter ottimizzare gli impianti di produzione e la gestione del combustibile. In questo lavoro si vuole verificare la fattibilità dell’utilizzo di un Metodo ad Elementi Discreti (DEM), implementato in ANSYS Fluent, per poter descrivere il movimento della fase discreta di un letto fisso, in modo da avere una base su cui applicare il modello di combustione della particella e di scambio termico nel letto, giungendo finalmente ad una simulazione complessiva della combustione di biomassa. Vi sono diversi modelli DEM per risolvere gli urti in direzione normale e quelli tangenziali in modo da avere una descrizione del campo di forze agenti nel letto. Il metodo da noi usato prevede un modello massa-molla smorzatore lineare affiancato da un modello di Coulomb per gli sforzi tangenziali. Vengono quindi selezionati due articoli dalla letteratura che trattano simulazioni DEM dello svuotamento di tramogge e si procede ad effettuarne la simulazione ed alcuni test di sensitività sui parametri del modello quali rigidezza, coefficiente di restituzione e funzione d’attrito. I risultati ottenuti nei due casi sono molto differenti e poco legati alla realtà fisica dell'evento riprodotto dunque crediamo il modello necessiti di essere migliorato prima che possa contribuire sostanzialmente alla progettazione o alla gestione di impianti su scala industriale.