Quand le mouvement de chaque particule compte
De quoi parle-t-on quand on dit « DEM » ?
Que pouvons-nous modéliser ?
La simulation par éléments discrets (DEM ou Discrete Element Method) est une technique numérique qui calcule le mouvement et les interactions individuelles d'un grand nombre de particules solides.
Contrairement à une approche continue classique, on ne considère pas le matériau comme continuum : chaque particule est représentée individuellement et ses interactions avec les autres particules ou avec les parois sont prises en compte.
- le déplacement et l'écoulement de granulats
- les collisions entre particules
- les phénomènes de frottement et de glissement
- l'usure des équipements
- la ségrégation granulométrique
- le remplissage et la vidange de trémies
- les phénomènes de bourrage ou de voûtage
- le mélange de poudres ou de granulés
- le transport par convoyeur
- le broyage et la fragmentation
Quel est l'atout de SOLSI par rapport aux études d'écoulements particulaires ?
Il est très facile de mettre en mouvement des corps rigides, tels que des convoyeurs, des excavateurs, des vis sans fin, des mélangeurs, etc. Le couplage multiphysique est également intégré aux études, couplage avec la mécanique des fluides (Volumes finis, SPH) et la mécanique des structures (FEA).
L'atout de SOLSI, c'est d'avoir une approche multiphysique, c'est-à-dire particules et :
- Interaction avec des fluides (couplage CFD – SPH),
- Interaction avec des structures (couplage FEA),
- Interaction avec des équipements dynamiques (convoyeurs, vis sans fin, trieurs…).
Un outil d'aide à la décision pour concevoir vos équipements
Les études d'écoulements particulaires permettent de fournir des données quantitatives : forces, vitesses, trajectoires, concentrations, temps de séjour, énergie dissipée, zones d'impact, etc.
La simulation DEM permet d'optimiser :
- la géométrie des équipements
- les débits
- les vitesses de rotation
- les angles d'inclinaison
- la répartition des matériaux
- la consommation énergétique
- les phénomènes d'usure
- les risques de blocage
- les zones d'impact.
En quoi une simulation numérique des écoulements particulaires peut-elle améliorer vos projets ?
L’étude des écoulements particulaires – DEM permet de comprendre, anticiper et optimiser le comportement de matériaux granulaires dans des procédés industriels complexes. Elle s’impose comme un outil incontournable là où les tests expérimentaux sont longs, coûteux ou techniquement délicats.
Cette technologie permet notamment de :
- Visualiser et maîtriser les flux de particules dans vos équipements
- Réduire l’usure, prévenir les colmatages ou la ségrégation de particules
- Tester rapidement différentes configurations sans construire de prototypes physiques
- Améliorer les performances de vos procédés de mélange, tamisage, concassage, transport ou dépoussiérage
- Minimiser les pertes de matière et prolonger la durée de vie de vos installations
Qu'entend-on par particules ?
C’est toute la force de ces nouveaux modèles mathématiques, il est désormais possible de représenter le comportement de particules c’est à dire de tous types d’éléments rigides, quelles que soient leurs formes et leurs tailles.
Il n’est plus nécessaire que cet élément rigide soit réellement (ou supposé) sphérique.
Il est possible de définir différentes grandeurs : comme taille et distribution granulométrique, forme, densité, propriétés mécaniques, coefficient de restitution, frottement, cohésion, selon le modèle utilisé.
Quelle forme donne-t-on aux particules ?
Particules sphériques et basiques :
- Billes, cylindres ou formes géométriques simples par défaut
Formes complexes et polyédriques :
- Solides convexes ou concaves avec des arêtes vives, sans avoir besoin de coller des sphères entre elles.
Fibres :
- Particules allongées et flexibles (comme des spaghettis ou des brins d'herbe).
Coques / Enveloppes (Shells) :
- Structures minces rigides ou souples (comme des chips de pommes de terre ou des sacs en plastique).
Formes personnalisées :
- Importation de fichiers CAO / géométries sur mesure pour représenter n'importe quel composant ou matériau réel (comprimés, minerais, poudres, etc.).
Que pouvons-nous faire subir aux « particules » ?
Sur ces particules, il est possible de faire intervenir différentes grandeurs, prise en compte de l’humidité, le magnétisme, la température, la sécabilité ou l’usure des particules, etc.
A quels domaines industriels cela s’applique-t’il ?
BTP / Carrières
Granulats, convoyeurs, trémies, cribles, concasseurs
Ciment / minéral
Transport, broyage, stockage, alimentation
Agroalimentaire
Céréales, poudres, granulés, mélange, fruits, légumes
Chimie
poudres, mélange, transport pneumatique
Pharmaceutique
Granulés, poudres, mélange, transports de médicaments
Énergie
Tri, convoyage, séparation
Manutention
Convoyeurs, vis sans fin, élévateurs, trémies
Recyclage
Biomasse, charbon, granulés
Elle permet d'optimiser la ségrégation des particules, le colmatage des conduits, la modélisation de l’impact de corps solides, l'érosion des parois, la qualité du mélange ou de la séparation.
Un cas concret ?
Une trémie alimente un convoyeur avec des granulats.
Avec une approche expérimentale, on peut observer le fonctionnement, mais il est difficile de connaître précisément :
- où se concentrent les efforts
- pourquoi un bourrage apparaît
- comment les particules se répartissent
- quelles zones sont soumises à l'usure
- comment modifier la géométrie de la trémie
- comment optimiser le débit
Avec une étude d'écoulements particulaires - DEM, on peut faire varier virtuellement la géométrie et observer le comportement de la structure.
On peut démultiplier facilement le nombre de configurations de calculs pour tester différentes solutions de conception
Géométrie A → zones d'accumulation importantes
Géométrie B → écoulement plus homogène
Géométrie C → réduction des impacts sur les parois
Est-ce très « gourmand » en temps de calcul ?
La réalisation de simulations numériques des écoulements particulaires, malgré la représentation de millions de particules, ne nécessite pas de trop longs temps de calculs, grâce à l’utilisation ingénieuse de la puissance de calcul des multi-GPU et des CPU. De plus, notre expertise dans le domaine, nous permet de nous concentrer sur les phénomènes physiques nécessaires à la résolution de la problématique et ainsi limiter les temps de calculs.