The Numerical Modelling of Normal Interaction of Ultrafine Particles

Abstract

Recently, powders of the size d (0.1 μm < d < 10 μm) have been referred to ultrafine particles. The particle shape considered is assumed to be a sphere of the diameter d. The handling of powders is of great importance for processing of pharmaceuticals, cement, chemicals and other products. Most of these technological processes involve powder compaction, storage, transportation, mixing, etc, therefore, understanding of the fundamentals of particles interaction behaviour is very essential in the design of machines and equipment as well as in powder technology, cleaning of environment and other areas. The dynamic behaviour of particulate systems is very complicated due to the complex interactions between individual particles and their interaction with the surroundings. Understanding the underlying mechanisms can be effectively achieved via particle scale research. The problem of a normal contact may be resolved in a number of ways. In spite of huge progress in experimental techniques, direct lab tests with individual particles are still rather time-consuming and expensive. The interaction of particles as solid bodies is actually a classical problem of contact mechanics. In the case of ultrafine particles, the reduction of the particle size shifts the contact zones into the nanoscale or subnanoscale. Thus, steadily increasing contribution of adhesion has to be considered in the development of the physically correct constitutive models and numerical tools. Consequently, it may be stated that particle-particle or particle-substrate interaction models are based on the knowledge of continuum mechanics, micromechanics, as well as intermolecular and interatomic interaction. The investigation of normal interaction between particles and a substrate is a new contribution to the microscopic theory of ultrafine particles and numerical modelling. Further applications to solving practical problems may be expected.

Ultrasmulkios dalelės yra šiuolaikinės chemijos, farmacijos, maisto ir kitų pramonės šakų produktų sudėtinė dalis. Tiriant pramoninius technologinius procesus, neišvengiamai reikalingos teorinės žinios apie ultrasmulkių dalelių elgseną. Išsamus supratimas įmanomas tik atlikus įvairius tyrimus. Pastaruoju metu milteliai, klasifikuojami kaip ultrasmulkios (0,1 < d < 10 μm) dalelės, imti plačiai naudoti pramoniniuose procesuose, todėl suprasti ultrasmulkių dalelių elgsenos fundamentalumą miltelių technologijoje yra labai svarbu. Ultrasmulki dalelė yra itin maža, todėl su ja atlikti fizinį eksperimentą, kuris reikalauja specialios įrangos bei žinių, labai sunku. Tokiu atveju dažniausiai naudojamas skaitinis eksperimentas, kurį galima atlikti virtualiai. Skaitinio eksperimento metu yra tiriamos dinaminės ultrasmulkios dalelės savybės bei sprendžiamas dinaminis uždavinys. Taikant skaitinius modelius bei dalelės judėjimą aprašančias jėgų lygtis, naudojami sąveikos modeliai, apimantys adhezinę, klampią, tamprią bei tampriai plastinę sąveikas. Mikroskopinis adhezinės sąveikos modeliavimas – aktualus mechanikos mokslo uždavinys. Taikant sąveikos modelius, svarbu pritaikyti ir diskrečiųjų elementų metodą, kadangi, norint aprašyti dalelių elgseną, visų pirma reikia su-vokti ir aprašyti dalelės modelį. Dalelės elgsenos skaitiniam modeliavimui siūlomi teoriniai modeliai leidžia tirti dalelės sąveiką su dalele ar tampria puserdve bei sąveikos dinamiką. Šie modeliai galėtų būti pritaikyti ir nano dydžio dalelėms modeliuoti. Darbe atlikus skaitinius eksperimentus, daroma išvada, kad ultrasmulkios dalelės tyrimas galėtų būti itin aktualus sparčiai besivystantiems ultrasmulkių dalelių technologijos (UDT), nanotechnologijos (NT) bei kontakto mechanikos mokslams. Procesuose, tokiuose kaip transportavimas, pakavimas, rūšiavimas ir kt. dalelės sąveikauja tarpusavyje ir gali formuoti aglomeratą. Dalelės sąveikos uždavinys išlieka aktualus visuose minėtuose procesuose.