유동체 이론

왼쪽 사진: Gyraton 사일로 혼합기는 유동체의 특성과 관계없이 항상 높은 혼합 품질을 달성합니다.

벌크 재료 이론(벌크 재료 기술이라고도 함)은 공정 공학 및 역학의 한 분야입니다. 이는 벌크 재료의 물리적 거동을 연구합니다. 이 이론은 분말, 과립 및 기타 입자상 고체가 힘의 작용을 받아 어떻게 유동하고, 밀집되며, 분리되거나 서로 응집하는지를 설명합니다.

액체 및 고체와 달리, 벌크 재료는 입자 간 접촉, 마찰, 응집 및 압축에 의해 결정되는 복잡하고 비선형적인 거동을 보입니다. 유동체 이론에서는 연속체 역학, 지반 역학 및 입자 물리학의 모델이 사용되는데, 예를 들어 모어-쿨롱 모델, 사일로 압력을 위한 얀센 방정식 또는 현대적인 입자 유변학 접근법 등이 있습니다.

원통형 사일로 설계를 위해, 얀센 방정식은 깊이 z에 따른 충전 방향의 수직 응력을 다음과 같이 설명합니다:

원통형 사일로의 깊이 z에서 충전 방향의 수직 응력 σ_v(z):

σ_v(z) = ρ_b·g·λ·(1 - e^(-z/λ))

여기서

• ρ_b = 벌크 밀도,
• g = 중력 가속도,
• λ = R / (2·μ_w·K) = 특성 평형 길이,
• R = 사일로 반경,
• μ_w = 벽면과 벌크 재료 사이의 마찰 계수,
• K = 측면 압력 계수 (수평/수직 비율).

수평 벽 응력은 다음과 같이 구해집니다:

σ_h(z) = K·σ_v(z)

K = σ_h/σ_v

• σ_h = 수평 응력
• σ_v = 수직 응력

이 관계식은 사일로 벽의 설계에 사용된다. 또한 이 공식은 충전 높이가 증가함에 따라 나타나는 전형적인 응력의 “포화” 현상을 보여준다. 액체와 달리 압력은 선형적인 정수압으로 증가하지 않고, 한 한계값에 수렴한다.

공정 공학에서 벌크 재료 이론은 사일로, 벙커, 배출 장치, 컨베이어, 믹서 및 계량 시스템의 설계를 위한 기초를 이룹니다. 이는 공정 안전성, 유동 거동, 제품 품질 및 브리징, 샤프트 형성 또는 분리 현상과 같은 운영 장애를 방지하는 데 결정적인 역할을 합니다.