Análisis numérico experimental de flujos granulares controlados

Abstract

El objetivo de esta tesis doctoral se basa en describir numéricamente el comportamiento de sistemas granulares compuestos por partículas de diferente geometría, desde el caso esférico hasta otras formas m´as complejas. Se ha llevado a cabo la implementación de un algoritmo híbrido CPU-GPU del método de elementos discretos para el caso de medios granulares. Se han tenido en cuenta todos los grados de libertad presentes en el problema, incluyendo la implementación de un formalismo de quaterniones que permite modelar de forma eficiente las rotaciones en 3D. La interacción entre partículas se ha definido a partir de fuerzas de contacto constituidas por un término elástico y otro disipativo. La forma geométrica de las partículas juega un papel fundamental en la definición de la fuerza interacción entre dos granos. La implementación CPU-GPU incluye el modelado de partículas esféricas y no esféricas, tales como granos alargados o elipsoidales. Entre otras aplicaciones, este algoritmo ha permitido examinar flujos granulares de partículas esféricas, y se ha podido establecer la existencia de un estado de enfriamiento homogéneo para gases granulares constituidos por partículas no esféricas sin fricción. Por otro lado, observando muestras granulares fluyendo, se ha podido examinar tanto experimental como numéricamente las propiedades micro-mecánicas de ese flujo de partículas a través del orificio situado en la base de un silo. Este estudio ha permitido clarificar por qué, pese a las inconsistencias que supone, el tradicional concepto de arco de caída libre permite describir la forma funcional de la velocidad media de las partículas en las proximidades del orificio de salida.