JP2012194658A - Particle presence field analysis device, particle presence field analysis method, and computer program - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To calculate porosity of particles at high speed without remarkably lowering the calculation accuracy thereof even if the number of particles to be calculated increases.SOLUTION: After behavior of spherical particles in a two-dimensional area is analyzed by a DEM, a plurality of rectangular areas dividing the two-dimensional area is set. The length mean diameter of particles contained in the rectangular areas is individually calculated for each of the plurality of rectangular areas. Then, a plurality of cells 401 corresponding the plurality of rectangular areas are set. The cell 401 is a parallelepiped defined by a side in the x-axis direction of the rectangular area, a side in the z-axis direction, and a side in the y-axis direction having a length of the length mean diameter in the rectangular area, and a center position of the side in the y-axis direction is set at a position aligned with the center position of the spherical particle, both positions in the y-axis direction being aligned with each other. Then, the ratio of the particles contained in each cell 401 is obtained and a porosity ε in each rectangular area is calculated.

Description

本発明は、粒子存在場解析装置、粒子存在場解析方法、及びコンピュータプログラムに関し、特に、粒子の空隙率を算出するために用いて好適なものである。   The present invention relates to a particle presence field analysis device, a particle presence field analysis method, and a computer program, and is particularly suitable for use in calculating the porosity of particles.

例えば、鉄鋼業における製銑分野では、安定して高品質の溶銑を製造するために、高炉内における焼結鉱やコークス等の粒子の挙動を解析すると共に、高炉内におけるガスの流れを解析することを、コンピュータを使って解析することが行われている。
このような技術として、粒子の離散的な運動を記述する離散要素法(Distinct Element Method、以下の説明では必要に応じて「DEM」と称する)と、気流の運動(ガスの流れ)を記述するNavier-Stokesの式とを連成して実高炉内の現象をシミュレーションする技術が提案されている(非特許文献1を参照)。この技術では、DEMにより解析した3次元領域における粒子の配置から粒子の空隙率を計算し、この空隙率をNavier-Stokesの式に与えることにより、粒子が装入されている高炉内におけるガスの流れを解析している。
For example, in the ironmaking industry in the iron and steel industry, in order to stably produce high-quality hot metal, the behavior of particles such as sintered ore and coke in the blast furnace and the flow of gas in the blast furnace are analyzed. This is analyzed using a computer.
As such a technique, the discrete element method (discrete element method, which will be referred to as “DEM” in the following description) describing the discrete motion of particles, and the motion of gas (gas flow) are described. A technique for simulating a phenomenon in an actual blast furnace by coupling with the Navier-Stokes equation has been proposed (see Non-Patent Document 1). In this technology, the porosity of the particles is calculated from the arrangement of the particles in the three-dimensional region analyzed by DEM, and this porosity is given to the Navier-Stokes equation, so that the gas in the blast furnace in which the particles are charged is Analyzing the flow.

湯晋一、梅景俊彦、松崎眞六、門脇正具、国友和也、内藤誠章、廣川雄一、上原均共著,「CO2排出ミニマムを目指した実高炉内の多相(固気粉)流れの大規模シミュレーション」,平成20年度先端研究施設共用イノベーション創出事業(産業戦略利用)「地球シミュレータ産業戦略利用プログラム」利用成果報告書、独立行政法人海洋研究開発機構,2009年8月31日,p.15−25Written by Yuichi Yume, Toshihiko Umekage, Shinroku Matsuzaki, Masatomo Kadowaki, Kazuya Kunitomo, Masaaki Naito, Yuichi Ninagawa, Hitoshi Uehara, “The flow of multiphase (solid-gas powder) flow in an actual blast furnace aimed at CO2 emission minimum “Large-scale simulation”, 2008 Advanced Research Facility Shared Innovation Creation Project (use of industrial strategy) “Earth Simulator Industrial Strategy Use Program” use result report, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, August 31, 2009, p. 15-25 粉体工学会編、「粉体工学便覧」、日刊工業新聞社、初版、昭和61年2月28日、p.15Edited by the Society of Powder Technology, “Handbook of Powder Technology”, Nikkan Kogyo Shimbun, first edition, February 28, 1986, p. 15

非特許文献1に記載の技術では、DEMによる解析を行って粒子の3次元領域での挙動を解析するようにしている。したがって、非特許文献1の技術では、実高炉の1/4のサイズの領域を計算領域とすると共に、実際には数億個存在する粒子の個数を、粒子の粒径を大きくして1000万個の規模にし、且つ、地球シミュレータを用いて計算しても、DEMによる解析に、数か月のオーダの計算時間を要する(非特許文献1では、最大計算粒子数を合計で900万個としている)。   In the technique described in Non-Patent Document 1, analysis by DEM is performed to analyze the behavior of particles in a three-dimensional region. Therefore, in the technique of Non-Patent Document 1, an area having a quarter size of an actual blast furnace is used as a calculation area, and in reality, the number of particles existing in the hundreds of millions is increased to 10 million by increasing the particle diameter. Even if the calculation is performed using an earth simulator, the analysis by DEM requires several months of calculation time (In Non-Patent Document 1, the maximum number of particles to be calculated is 9 million. )

このように、非特許文献1に記載の直接3次元をDEMで扱う技術では、実高炉の内部における粒子の空隙率を算出するのに莫大な時間がかかるという問題点があった。そこで、2次元領域におけるDEMによる解析を行って粒子の配置を求め、この粒子の配置から、2次元計算で空隙率を算出することも考えられる。
しかしながら、粒子の空隙率は3次元的な指標であるため、2次元領域における粒子の空隙率の値は、実際の空隙率の値と大きく異なることになる。
以上のように、従来の技術では、特に、計算対象となる粒子の数が多い場合には、粒子の空隙率を、その算出精度を大きく落とすことなく高速に算出することが困難であるという問題点があった。
As described above, in the technique of handling the direct three-dimensional data described in Non-Patent Document 1 with the DEM, there is a problem that it takes an enormous time to calculate the porosity of the particles in the actual blast furnace. Therefore, it is also conceivable to perform particle analysis by DEM analysis in a two-dimensional region, and to calculate the porosity by two-dimensional calculation from the particle arrangement.
However, since the porosity of the particles is a three-dimensional index, the value of the particle porosity in the two-dimensional region is greatly different from the actual value of the porosity.
As described above, with the conventional technology, particularly when the number of particles to be calculated is large, it is difficult to calculate the porosity of the particles at high speed without greatly reducing the calculation accuracy. There was a point.

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、計算対象となる粒子の数が多くなっても、粒子の空隙率を、その算出精度を大きく落とすことなく高速に算出することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and even when the number of particles to be calculated increases, the void ratio of the particles is calculated at high speed without greatly reducing the calculation accuracy. For the purpose.

本発明の粒子存在場解析装置は、2次元領域における粒子の挙動を、当該粒子の形状を球状として、離散要素法により解析する粒子挙動解析手段と、前記2次元領域を分割する複数の矩形領域を設定する矩形領域設定手段と、前記矩形領域設定手段により設定された複数の矩形領域のそれぞれについて、当該矩形領域の中に全ての領域が入っている球状の粒子と、当該矩形領域の中に一部の領域が入っている球状の粒子であって、中心の位置が当該矩形領域の中に含まれている球状の粒子と、の平均径を算出する平均粒子径算出手段と、前記複数の矩形領域に対応する複数のセルを設定するセル設定手段と、前記セルの体積をそれぞれ算出するセル体積算出手段と、前記セルの中に全ての領域が含まれている粒子の体積と、前記セルの中に一部の領域が含まれている粒子の領域のうち当該セルの中に含まれている領域の体積との総和を算出する粒子体積算出手段と、前記セル体積算出手段により算出された、前記セルの体積と、前記粒子体積算出手段により算出された、前記体積の総和とに基づいて、粒子の空隙率を、前記セルのそれぞれについて算出する空隙率算出手段と、を有し、前記セルは、前記矩形領域の縦の辺である第1の辺と、前記矩形領域の横の辺である第2の辺と、当該第1の辺及び当該第2の辺に垂直な辺であって、当該矩形領域に対して前記平均粒子径算出手段により算出された平均径の長さを有する第3の辺とにより定められる平行六面体であり、前記第3の辺の中央における当該第3の辺に沿う方向の位置が、当該第3の辺に沿う方向の位置が夫々揃っている前記粒子の中心位置と揃う位置に設定されることを特徴とする。   The particle presence field analysis apparatus of the present invention includes a particle behavior analysis means for analyzing the behavior of particles in a two-dimensional region by a discrete element method with a spherical shape of the particles, and a plurality of rectangular regions that divide the two-dimensional region. A rectangular area setting means for setting a spherical particle in which all areas are contained in the rectangular area, and a rectangular particle in each of the plurality of rectangular areas set by the rectangular area setting means An average particle diameter calculating means for calculating an average diameter of spherical particles having a part of the region, and a spherical particle having a center position included in the rectangular region; A cell setting means for setting a plurality of cells corresponding to a rectangular area; a cell volume calculating means for calculating the volume of each of the cells; a volume of particles in which all the areas are contained in the cells; One in The volume of the cell calculated by the cell volume calculation means, the particle volume calculation means for calculating the sum of the volume of the areas included in the cell among the particle areas including the area of And, based on the total volume calculated by the particle volume calculation means, a void ratio calculation means for calculating the void ratio of the particles for each of the cells, the cell being the rectangular A first side that is a vertical side of the region, a second side that is a horizontal side of the rectangular region, a side perpendicular to the first side and the second side, and the rectangular region Is a parallelepiped defined by the third side having the length of the average diameter calculated by the average particle size calculating means, and in the direction along the third side at the center of the third side The positions are aligned in the direction along the third side. Characterized in that it is set to the center position and the aligned position of the particle that.

本発明の粒子存在場解析方法は、2次元領域における粒子の挙動を、当該粒子の形状を球状として、離散要素法により解析する粒子挙動解析工程と、前記2次元領域を分割する複数の矩形領域を設定する矩形領域設定工程と、前記矩形領域設定工程により設定された複数の矩形領域のそれぞれについて、当該矩形領域の中に全ての領域が入っている球状の粒子と、当該矩形領域の中に一部の領域が入っている球状の粒子であって、中心の位置が当該矩形領域の中に含まれている球状の粒子と、の平均径を算出する平均粒子径算出工程と、前記複数の矩形領域に対応する複数のセルを設定するセル設定工程と、前記セルの体積をそれぞれ算出するセル体積算出工程と、前記セルの中に全ての領域が含まれている粒子の体積と、前記セルの中に一部の領域が含まれている粒子の領域のうち当該セルの中に含まれている領域の体積との総和を算出する粒子体積算出工程と、前記セル体積算出工程により算出された、前記セルの体積と、前記粒子体積算出工程により算出された、前記体積の総和とに基づいて、粒子の空隙率を、前記セルのそれぞれについて算出する空隙率算出工程と、を有し、前記セルは、前記矩形領域の縦の辺である第1の辺と、前記矩形領域の横の辺である第2の辺と、当該第1の辺及び当該第2の辺に垂直な辺であって、当該矩形領域に対して前記平均粒子径算出工程により算出された平均径の長さを有する第3の辺とにより定められる平行六面体であり、前記第3の辺の中央における当該第3の辺に沿う方向の位置が、当該第3の辺に沿う方向の位置が夫々揃っている前記粒子の中心位置と揃う位置に設定されることを特徴とする。   The particle presence field analysis method of the present invention includes a particle behavior analysis step of analyzing the behavior of particles in a two-dimensional region by a discrete element method with the shape of the particles being spherical, and a plurality of rectangular regions dividing the two-dimensional region For each of the rectangular area setting step and the plurality of rectangular areas set by the rectangular area setting step, spherical particles in which all areas are contained in the rectangular area, and in the rectangular area An average particle diameter calculating step for calculating an average diameter of spherical particles having a part of the region, and a spherical particle having a center position included in the rectangular region; A cell setting step for setting a plurality of cells corresponding to a rectangular region, a cell volume calculating step for calculating the volume of each of the cells, a volume of particles in which all the regions are included in the cell, and the cell One in The volume of the cell calculated by the particle volume calculation step of calculating the sum of the volume of the region included in the cell of the particle region including the region of the cell, and the cell volume calculation step And a void ratio calculating step for calculating a void ratio of the particles for each of the cells based on the total volume calculated by the particle volume calculating step, and the cells are rectangular. A first side that is a vertical side of the region, a second side that is a horizontal side of the rectangular region, a side perpendicular to the first side and the second side, and the rectangular region Is a parallelepiped defined by a third side having a length of the average diameter calculated by the average particle size calculation step, and in a direction along the third side at the center of the third side The positions are aligned in the direction along the third side. Characterized in that it is set to the center position and the aligned position of the particle that.

本発明のコンピュータプログラムは、前記粒子存在場解析装置の各手段としてコンピュータを機能させることを特徴とする。   The computer program of the present invention causes a computer to function as each means of the particle presence field analyzer.

本発明によれば、2次元領域における粒子の挙動を離散要素法により解析する。そして、当該2次元領域を分割する複数の矩形領域のそれぞれについて、当該矩形領域に含まれる球状の粒子の平均径を個別に算出する。そして、当該複数の矩形領域に対応する複数のセルを設定する。このセルは、当該矩形領域の縦・横の辺である第1・第2の辺と、当該第1・第2の辺に垂直な辺であって、当該矩形領域に対して算出された平均径の長さを有する第3の辺とにより定められる平行六面体であり、第3の辺の中央における第3の辺に沿う方向の位置が、第3の辺に沿う方向の位置が夫々揃っている粒子の中心位置と揃う位置に設定される。そして、これらのセル毎に、粒子の空隙率を算出する。したがって、離散要素法により、3次元領域における粒子の挙動を解析しなくても、当該3次元領域における粒子の挙動を計算することにより得られる粒子の空隙率に近い値の空隙率を算出することができる。よって、粒子の空隙率を、その算出精度を大きく落とすことなく高速に算出することができる。   According to the present invention, the behavior of particles in a two-dimensional region is analyzed by the discrete element method. And the average diameter of the spherical particle | grains contained in the said rectangular area is calculated separately about each of the several rectangular area which divides | segments the said two-dimensional area | region. Then, a plurality of cells corresponding to the plurality of rectangular areas are set. This cell has first and second sides which are vertical and horizontal sides of the rectangular region, and a side perpendicular to the first and second sides, and is an average calculated for the rectangular region. A parallelepiped defined by a third side having a length of a diameter, the position in the direction along the third side at the center of the third side is aligned with the position in the direction along the third side, respectively. It is set to a position aligned with the center position of the particles. Then, the porosity of the particles is calculated for each of these cells. Therefore, by calculating the particle porosity in the three-dimensional region by the discrete element method without calculating the particle behavior in the three-dimensional region, calculating a porosity close to the particle porosity. Can do. Therefore, the porosity of the particles can be calculated at high speed without greatly reducing the calculation accuracy.

粒子存在場解析装置の機能的な構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a functional structure of a particle presence field analyzer. 相互に接触している2つの粒子の様子の一例と、粒子の挙動の一例を概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally an example of the mode of two particle | grains which are contacting each other, and an example of the behavior of particle | grains. 各粒子が配置されている2次元領域に対して設定された矩形領域の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the rectangular area | region set with respect to the two-dimensional area | region where each particle | grain is arrange | positioned. y軸方向及びz軸方向から見たセルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cell seen from the y-axis direction and the z-axis direction. 1つのセルの中に全ての領域が含まれていない粒子の体積の計算式のパラメータを示す図である。It is a figure which shows the parameter of the calculation formula of the volume of the particle | grains in which all the area | regions are not contained in one cell. DEMによる解析を行って計算対象の領域に配置された各粒子の一例を概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally an example of each particle | grain arrange | positioned in the area | region of calculation object by performing analysis by DEM. 各区間A、B、Cにおける各粒子の粒度構成を示す図である。It is a figure which shows the particle size structure of each particle | grain in each area A, B, and C. FIG. 矩形領域に含まれる粒子の平均径の計算方法を異ならせて算出した空隙率を示す図である。It is a figure which shows the porosity calculated by varying the calculation method of the average diameter of the particle | grains contained in a rectangular area. 粒子存在場解析装置の処理の一例を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining an example of a process of a particle presence field analyzer. 図9のステップS906におけるセル内粒子体積算出処理を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the particle | grain volume calculation process in a cell in step S906 of FIG.

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。
図1は、粒子存在場解析装置100の機能的な構成の一例を示す図である。粒子存在場解析装置100は、例えば、高炉のベルレス式炉頂装入装置用の旋回シュートから高炉内に装入される粒子(焼結鉱やコークス等)の挙動の解析を行い、その結果を利用して、高炉内におけるガスの流れの解析(流体解析)を行うものである。ただし、粒子存在場解析装置100が解析を行う対象は、このようなものに限定されるものではない。
粒子存在場解析装置100は、例えば、CPU、ROM、RAM、HDD、各種インターフェース、及びディスプレイ等を備えた情報処理装置(パーソナルコンピュータ)を用いることにより実現できる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a functional configuration of the particle presence field analysis apparatus 100. The particle presence field analyzer 100 analyzes the behavior of particles (sintered or coke, etc.) charged into the blast furnace from, for example, a swirl chute for a bellless furnace top charging device of the blast furnace, and the result is obtained. This is used to analyze the gas flow in the blast furnace (fluid analysis). However, the object to be analyzed by the particle presence field analysis apparatus 100 is not limited to this.
The particle presence field analysis device 100 can be realized by using, for example, an information processing device (personal computer) including a CPU, ROM, RAM, HDD, various interfaces, a display, and the like.

(粒子挙動解析部101)
粒子挙動解析部101は、球状の粒子の2次元領域における挙動をDEMにより解析する。粒子挙動解析部101は、例えば、ユーザによるユーザインターフェースの操作に基づいて設定された、粒子の情報に基づいて、各粒子を所望の位置に配置する。そして、粒子挙動解析部101は、粒子間に発生している力のバランスを崩す条件を与えて、各粒子を動かし、各粒子が他の粒子や構造物と接触しているか否かを判定する。
粒子が他の粒子と接触している場合、粒子挙動解析部101は、法線方向及びせん断方向の反発力を求めて並進の運動方程式を解くことと、重心周りの力のモーメントを求めて回転の運動方程式を解くこと、を各粒子のそれぞれについて行い、その結果に基づいて各粒子を移動させる。一方、粒子が構造物と接触している場合、粒子挙動解析部101は、法線方向及びせん断方向の反発力を求めて並進の運動方程式を解くことと、重心周りの力のモーメントを求めて回転の運動方程式を解くこと、を粒子についてのみ行い、構造物については行わない。
粒子挙動解析部101は、このような接触判定処理と各粒子の移動処理とを所定の時間隔毎に行う。そして、その結果から各粒子の所定の期間における挙動を得る。
(Particle behavior analysis unit 101)
The particle behavior analysis unit 101 analyzes the behavior of spherical particles in a two-dimensional region using a DEM. The particle behavior analysis unit 101 arranges each particle at a desired position based on particle information set based on, for example, a user interface operation by the user. Then, the particle behavior analysis unit 101 gives a condition for breaking the balance of forces generated between the particles, moves each particle, and determines whether each particle is in contact with other particles or structures. .
When the particles are in contact with other particles, the particle behavior analysis unit 101 obtains the repulsive force in the normal direction and the shear direction to solve the translational equation of motion, and obtains the moment of force around the center of gravity to rotate. The equation of motion is solved for each particle, and each particle is moved based on the result. On the other hand, when the particle is in contact with the structure, the particle behavior analysis unit 101 obtains the repulsive force in the normal direction and the shear direction, solves the translational equation of motion, and obtains the moment of force around the center of gravity. Solving the equation of motion of rotation is performed only for particles, not for structures.
The particle behavior analysis unit 101 performs the contact determination process and the movement process of each particle at predetermined time intervals. And the behavior in a predetermined period of each particle is obtained from the result.

具体的に、粒子挙動解析部101は、例えば、以下の(1)式により、粒子i、jの接触領域における法線方向の反発力Fn,ijを求め、以下の(2)式により、粒子i、jの接触領域におけるせん断方向の反発力Ft,ijを求め、以下の(3)式の並進の運動方程式を解き、以下の(4)式により回転の運動方程式を解く。 Specifically, the particle behavior analysis unit 101 obtains the repulsive force F n, ij in the normal direction in the contact region of the particles i and j by the following equation (1), for example, and by the following equation (2): The repulsive force F t, ij in the shear direction in the contact region of the particles i and j is obtained, the translational equation of motion of the following equation (3) is solved, and the equation of rotation is solved by the following equation (4).

Figure 2012194658
Figure 2012194658

図2は、相互に接触している2つの粒子201、202の様子の一例(図2(a))と、粒子203の挙動の一例(図2(b))を概念的に示す図である。図2を参照しながら、(1)式から(4)式のパラメータを説明する。
(1)式において、Knは、法線方向のばね定数であり、例えば図2(a)の距離Hやδnに応じて設定することができる。ただし、Knは、予め設定された一定値にすることもできる。Δun,ijは、2つの粒子i、j間の重心の法線方向における相対的な並進変位である。ηnは、法線方向の粘性定数であり、予め設定されるものである。nijは、法線方向の単位ベクトルである。Δtは、所定の時間隔であり、予め設定されるものである。
FIG. 2 is a diagram conceptually showing an example of the state of the two particles 201 and 202 that are in contact with each other (FIG. 2A) and an example of the behavior of the particle 203 (FIG. 2B). . The parameters of equations (1) to (4) will be described with reference to FIG.
In Equation (1), K n is a spring constant in the normal direction, and can be set according to the distance H and δ n in FIG. 2A, for example. However, K n can be set to a predetermined constant value. Δu n, ij is a relative translational displacement in the normal direction of the center of gravity between the two particles i and j. η n is a viscosity constant in the normal direction and is set in advance. n ij is a unit vector in the normal direction. Δt is a predetermined time interval and is set in advance.

(2)式において、min[A,B]は、AとBのうち小さい方を採用することを意味する。μは、摩擦係数であり、予め設定された値にすることができる。ただし、μは、状態等に応じて異ならせることもできる。tijはせん断方向の単位ベクトルである。Ktは、せん断方向のばね定数であり、例えば図2(a)の距離Hやδn、δtに応じて設定することができる。ただし、Ktは、予め設定された一定値にすることもできる。Δut,ijは、2つの粒子i、j間の重心のせん断方向における相対的な並進変位である。Δφijは、粒子の回転に起因する接触領域の相対的な回転変位であり、例えば、図2(a)の粒子201の回転変位φiと粒子202の回転変位φjとの差により表すことができる。ηtは、せん断方向の粘性定数であり、予め設定されるものである。Δtは、所定の時間隔であり、予め設定されるものである。 In the equation (2), min [A, B] means that the smaller one of A and B is adopted. μ is a coefficient of friction and can be set to a preset value. However, μ can be varied depending on the state or the like. t ij is a unit vector in the shear direction. K t is a spring constant in the shear direction, and can be set according to, for example, the distance H, δ n , or δ t in FIG. However, K t may also be a preset fixed value. Δut , ij is the relative translational displacement in the shear direction of the center of gravity between the two particles i, j. Δφ ij is a relative rotational displacement of the contact region caused by the rotation of the particle, and is represented by, for example, a difference between the rotational displacement φ i of the particle 201 and the rotational displacement φ j of the particle 202 in FIG. Can do. η t is a viscosity constant in the shear direction and is set in advance. Δt is a predetermined time interval and is set in advance.

(3)式において、vは、粒子の速度である(図2を参照)。vの上に付されている・(ドット)は時間微分を表す。Fは、せん断方向及び法線方向の反発力の総和である。mは、粒子の質量であり、予め設定されるものである。gは、重力加速度である。尚、粒子が他の粒子や構造物と接触していない場合、(3)式の右辺の第1項は0(ゼロ)になる。
(4)式において、ωは、粒子の角速度である(図2を参照)。ωの上に付されている・は時間微分を表す。Mは、力のモーメントの総和であり、せん断方向及び法線方向の反発力Fn,ij、Ft,ijから求められる。Iは、慣性モーメントであり、予め設定されるものである。
In equation (3), v is the velocity of the particles (see FIG. 2). The (dot) attached on v represents time differentiation. F is the total sum of the repulsive forces in the shear direction and the normal direction. m is the mass of the particles and is set in advance. g is a gravitational acceleration. When the particles are not in contact with other particles or structures, the first term on the right side of equation (3) is 0 (zero).
In the equation (4), ω is the angular velocity of the particles (see FIG. 2). * on ω indicates time differentiation. M is the total sum of moments of force, and is obtained from the repulsive forces F n, ij and F t, ij in the shear direction and the normal direction. I is a moment of inertia and is set in advance.

本実施形態では、2次元領域における粒子の挙動をDEMにより解析するに際し、当該粒子を球状とする。3次元の成分を有する指標(粒子の物性値等)を考慮して計算するためである。すなわち、2次元領域における粒子の挙動をDEMにより解析するに際し、粒子に働く作用力の絶対値については3次元の情報として計算し、粒子に働く作用力の方向については2次元の情報として計算する。   In this embodiment, when analyzing the behavior of particles in a two-dimensional region by DEM, the particles are made spherical. This is because calculation is performed in consideration of an index having a three-dimensional component (such as a physical property value of particles). That is, when analyzing the behavior of particles in a two-dimensional region by DEM, the absolute value of the acting force acting on the particles is calculated as three-dimensional information, and the direction of the acting force acting on the particles is calculated as two-dimensional information. .

また、高炉内に装入される粒子の2次元領域の挙動を解析する場合、高炉の半径方向と高さ方向とにより定まる2次元領域の挙動を解析することになる。高炉の奥行き方向への粒子の挙動は、解析の結果への影響が小さいためである。したがって、高炉内に装入される粒子の2次元領域の挙動を解析する場合、粒子に働く作用力の方向は、高炉を、その軸に沿って切った断面の面内方向となる。
以上のようにして、計算対象となる2次元領域における各粒子の配置が、所定の時間毎に得られる。
Further, when analyzing the behavior of the two-dimensional region of the particles charged into the blast furnace, the behavior of the two-dimensional region determined by the radial direction and the height direction of the blast furnace is analyzed. This is because the behavior of particles in the depth direction of the blast furnace has little influence on the analysis results. Therefore, when analyzing the behavior of the two-dimensional region of the particles charged into the blast furnace, the direction of the acting force acting on the particles is the in-plane direction of the cross section obtained by cutting the blast furnace along its axis.
As described above, the arrangement of each particle in the two-dimensional region to be calculated is obtained every predetermined time.

尚、粒子の挙動を解析する手法(粒子挙動解析部101が実行する解析手法)は、DEMにおける粒子の挙動についての種々の公知の解析手法を適用することができ、前述した(1)式〜(4)式を用いた手法に限定されるものではない。
粒子挙動解析部101は、例えば、CPUが、RAM等から、粒子の情報を読み出して前述した演算処理を実行して、各時間における各粒子の2次元領域における座標を得てRAM等に記憶することにより実現される。
In addition, as the method for analyzing the behavior of particles (the analysis method executed by the particle behavior analysis unit 101), various known analysis methods for the behavior of particles in the DEM can be applied. The method is not limited to the method using the formula (4).
In the particle behavior analysis unit 101, for example, the CPU reads the particle information from the RAM or the like, executes the above-described arithmetic processing, obtains the coordinates in the two-dimensional region of each particle at each time, and stores the coordinates in the RAM or the like. Is realized.

(矩形領域設定部102)
矩形領域設定部102は、粒子挙動解析部101により粒子の挙動が解析された2次元領域を分割する複数の矩形領域(所謂メッシュ)を設定する。前述したように、粒子挙動解析部101によって、2次元領域における所定時間毎の各粒子の配置が粒子の挙動として得られる。矩形領域設定部102は、この各粒子が配置されている2次元領域に対して、複数の矩形領域を設定する。高炉内に装入される粒子の2次元領域の挙動を解析する場合、矩形領域設定部102は、例えば、各粒子の動きが止まった時点において、各粒子が配置されている2次元領域の情報を取得し、当該2次元領域に対して、複数の矩形領域を設定する。ただし、必ずしも各粒子の動きが止まった時点における2次元領域に対して複数の矩形領域を設定する必要はなく、任意の時点における2次元領域に対して複数の矩形領域を設定することができる。
(Rectangular area setting unit 102)
The rectangular area setting unit 102 sets a plurality of rectangular areas (so-called meshes) that divide the two-dimensional area whose particle behavior is analyzed by the particle behavior analysis unit 101. As described above, the particle behavior analysis unit 101 obtains the arrangement of each particle for each predetermined time in the two-dimensional region as the particle behavior. The rectangular area setting unit 102 sets a plurality of rectangular areas for the two-dimensional area in which the particles are arranged. When analyzing the behavior of the two-dimensional region of the particles charged into the blast furnace, the rectangular region setting unit 102, for example, information on the two-dimensional region in which each particle is arranged when the movement of each particle stops. And a plurality of rectangular areas are set for the two-dimensional area. However, it is not always necessary to set a plurality of rectangular areas for the two-dimensional area when the movement of each particle stops, and a plurality of rectangular areas can be set for the two-dimensional area at an arbitrary time.

図3は、各粒子が配置されている2次元領域に対して設定される矩形領域の一例を示す図である。尚、各粒子が配置されている2次元領域は、例えば、後述する図6(a)に示すような領域である。
図3に示すように、本実施形態では、各粒子が配置されている2次元領域に、x軸方向の長さがdxであり、z軸方向の長さがdzである矩形領域が、x軸方向及びz軸方向のそれぞれに連続的に設定される。図3に示すように、1つの矩形領域の中に全ての領域が含まれている粒子もあれば、複数の矩形領域に跨って存在する粒子もある。
尚、この2次元領域が高炉内の領域である場合、x軸方向は、高炉の半径方向であり、z軸方向は、高炉の高さ方向となる。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a rectangular region set for a two-dimensional region in which each particle is arranged. In addition, the two-dimensional area | region where each particle | grain is arrange | positioned is an area | region as shown to Fig.6 (a) mentioned later, for example.
As shown in FIG. 3, in this embodiment, a rectangular region having a length in the x-axis direction of dx and a length in the z-axis direction of dz in the two-dimensional region in which each particle is arranged is x It is set continuously in each of the axial direction and the z-axis direction. As shown in FIG. 3, some particles include all the regions in one rectangular region, and some particles exist across a plurality of rectangular regions.
When this two-dimensional region is a region in the blast furnace, the x-axis direction is the radial direction of the blast furnace, and the z-axis direction is the height direction of the blast furnace.

本実施形態では、全ての矩形領域の大きさは同じであるとする。また、1つの矩形領域に10個以上の粒子が入るように、矩形領域の大きさを決めるようにするのが好ましい。さらに、粒子挙動解析部101により解析が行われる2次元領域の座標が分かれば矩形領域を設定することができるので、粒子挙動解析部101による解析が行われる前に矩形領域が設定されるようにしてもよい。
矩形領域設定部102は、例えば、CPUが、各矩形領域の2次元領域(x−z平面)における座標(x軸座標、z軸座標)を得てRAM等に記憶することにより実現される。
In the present embodiment, it is assumed that the sizes of all the rectangular areas are the same. In addition, it is preferable to determine the size of the rectangular area so that ten or more particles can enter one rectangular area. Furthermore, since the rectangular region can be set if the coordinates of the two-dimensional region to be analyzed by the particle behavior analysis unit 101 are known, the rectangular region is set before the analysis by the particle behavior analysis unit 101 is performed. May be.
The rectangular area setting unit 102 is realized, for example, when the CPU obtains coordinates (x-axis coordinates, z-axis coordinates) in a two-dimensional area (xz plane) of each rectangular area and stores them in a RAM or the like.

(平均粒子径算出部103)
平均粒子径算出部103は、矩形領域設定部102により設定された複数の矩形領域のそれぞれについて、当該矩形領域に含まれる球状の粒子の平均径を算出する。本実施形態では、最も好ましい平均径として、長さ平均径を採用する。この理由については後述する。
ここで、1つの矩形領域の中に全ての領域が含まれていない粒子については、当該粒子の中心が含まれている矩形領域に属しているものとして長さ平均径を算出する。
平均粒子径算出部103は、例えば、CPUが、矩形領域に含まれる球状の粒子の長さ平均径を、全ての矩形領域について得てRAM等に記憶することにより実現される。
(Average particle size calculator 103)
The average particle diameter calculation unit 103 calculates the average diameter of spherical particles included in each of the plurality of rectangular areas set by the rectangular area setting unit 102. In this embodiment, the length average diameter is adopted as the most preferable average diameter. The reason for this will be described later.
Here, for particles in which all the regions are not included in one rectangular region, the length average diameter is calculated as belonging to the rectangular region in which the center of the particle is included.
The average particle diameter calculation unit 103 is realized, for example, when the CPU obtains the average length of spherical particles included in the rectangular area for all the rectangular areas and stores it in the RAM or the like.

(セル設定部104)
セル設定部104は、「矩形領域の縦の辺であるz軸方向の辺(図3の長さdzの辺)」と、「矩形領域の横の辺であるx軸方向の辺(図3の長さdxの辺)」と、「当該z軸方向の辺及び当該x軸方向の辺に垂直なy軸方向の辺であって、当該矩形領域に対して平均粒子径算出部103により算出された長さ平均径の長さを有するy軸方向の辺」と、により定められる平行六面体であって、当該y軸方向の辺の中央におけるy軸方向の位置が、球場の粒子のy軸方向の中心位置とそれぞれ揃えられた複数の平行六面体を設定する。以下の説明では、この「平行六面体」を必要に応じて「セル」と称する。
(Cell setting unit 104)
The cell setting unit 104 includes “a side in the z-axis direction that is a vertical side of the rectangular region (a side having a length dz in FIG. 3)” and a “side in the x-axis direction that is a horizontal side in the rectangular region (FIG. 3). And the side in the y-axis direction perpendicular to the side in the z-axis direction and the side in the x-axis direction, and is calculated by the average particle diameter calculation unit 103 for the rectangular region. Y-axis direction side having the length of the average diameter of the length of the parallel hexahedron, wherein the y-axis direction position at the center of the y-axis direction side is the y-axis of the particle of the spherical field A plurality of parallelepipeds aligned with the center position of the direction are set. In the following description, this “parallelepiped” is referred to as “cell” as necessary.

図4は、y軸方向及びz軸方向から見たセルの一例を示す図である。尚、図4では、表記の都合上、各セル401a〜401cに含まれている粒子の数を1〜2個としているが、実際には、各セル401a〜401cには、これよりも多くの数の粒子が含まれる。
セル設定部104は、矩形領域設定部102により設定された矩形領域の「z軸方向の辺(図3の長さdzの辺)と、x軸方向の辺(図3の長さdxの辺)」の情報を取得すると共に、当該矩形領域に対して平均粒子径算出部103により算出された長さ平均径の情報を取得する。そして、セル設定部104は、「当該矩形領域のz軸方向の辺」と、「当該矩形領域のx軸方向の辺」と、「当該矩形領域の頂点を中央点とし、y軸方向に当該矩形領域に対して設定された長さ平均径の長さ分だけ左右(y軸正負の両方向に均等)に伸ばしたy軸方向の辺」とにより定まる平行六面体(直方体又は立方体)を、矩形領域設定部102により設定された全ての矩形領域について定める。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a cell viewed from the y-axis direction and the z-axis direction. In FIG. 4, for convenience of description, the number of particles contained in each of the cells 401a to 401c is 1 to 2, but actually, each of the cells 401a to 401c has more than this. Number of particles are included.
The cell setting unit 104 sets the “side in the z-axis direction (side of length dz in FIG. 3) and the side in the x-axis direction (side of length dx in FIG. 3) of the rectangular region set by the rectangular region setting unit 102. ) ”And the length average diameter information calculated by the average particle diameter calculation unit 103 for the rectangular region. Then, the cell setting unit 104 sets the “side of the rectangular area in the z-axis direction”, the “side of the rectangular area in the x-axis direction”, and the “vertex of the rectangular area as a central point, and the y-axis direction. A parallelepiped (a cuboid or a cube) defined by a side in the y-axis direction that extends to the left and right (equal to both the y-axis positive and negative directions) by the length of the length-average diameter set for the rectangular area All rectangular areas set by the setting unit 102 are determined.

図4に示す例では、「当該矩形領域の頂点を中央点とし、y軸方向に当該矩形領域に対して設定された長さ平均径の長さ分だけ左右に伸ばしたy軸方向の辺」は、長さがdy1、dy2、dy3の辺である。
このようにして得られた平行六面体が、図4に示すセル401a〜401cになり、各セル401a〜401cのy軸方向の中央の位置は、x軸及びz軸に平行な面402に位置する。
In the example shown in FIG. 4, “the side in the y-axis direction with the vertex of the rectangular area as the center point and extended in the y-axis direction by the length of the length-average diameter set for the rectangular area” Are sides of length dy 1 , dy 2 , dy 3 .
The parallelepipeds obtained in this way become cells 401a to 401c shown in FIG. 4, and the center position of each cell 401a to 401c in the y-axis direction is located on a plane 402 parallel to the x-axis and z-axis. .

各矩形領域に含まれる粒子の大きさ及び数は矩形領域によって異なるので、各矩形領域に含まれる粒子の長さ平均径も矩形領域によって異なる。よって、図4に示すように、各セル401a〜401cのy軸方向の長さdy1〜dy3もセル401a〜401cによって異なることになる(ただし、同じになる場合もある)。
尚、図4では、セル401の数を3つしか示していないが、セル設定部104により設定されるセル401の数は、矩形領域設定部102により設定された矩形領域の数と同じ数になる。
セル設定部104は、例えば、CPUが、セル401の3次元座標(x軸座標、y軸座標、z軸座標)を得てRAM等に記憶することにより実現される。
Since the size and number of particles included in each rectangular region vary depending on the rectangular region, the average length diameter of the particles included in each rectangular region also varies depending on the rectangular region. Therefore, as shown in FIG. 4, the lengths dy 1 to dy 3 in the y-axis direction of the cells 401a to 401c are also different depending on the cells 401a to 401c (however, they may be the same).
In FIG. 4, only three cells 401 are shown, but the number of cells 401 set by the cell setting unit 104 is the same as the number of rectangular regions set by the rectangular region setting unit 102. Become.
The cell setting unit 104 is realized, for example, by the CPU obtaining three-dimensional coordinates (x-axis coordinates, y-axis coordinates, z-axis coordinates) of the cell 401 and storing them in a RAM or the like.

(セル体積算出部105)
セル体積算出部105は、セル設定部104によって設定されたセル401の体積をそれぞれ算出する。前述したように、セルの形状は平行六面体(直方体又は立方体)であるので、各辺の長さ(dx、dy、dz)を掛け合わせることにより、各セル401の体積を得ることができる。すなわち、各セル401の体積Vcは、以下の(5)式により得られる。
(Cell volume calculation unit 105)
The cell volume calculation unit 105 calculates the volume of each cell 401 set by the cell setting unit 104. As described above, since the shape of the cell is a parallelepiped (cuboid or cube), the volume of each cell 401 can be obtained by multiplying the lengths (dx, dy, dz) of each side. That is, the volume V c of each cell 401 is obtained by the following equation (5).

Figure 2012194658
Figure 2012194658

セル体積算出部105は、例えば、CPUが、各セル401の体積を得てRAM等に記憶することにより実現される。   The cell volume calculation unit 105 is realized, for example, by the CPU obtaining the volume of each cell 401 and storing it in a RAM or the like.

(粒子体積算出部106)
粒子体積算出部106は、セル401の中に含まれる粒子の体積を算出する。
粒子体積算出部106は、図4に示すように、各セル401a〜401cのy軸方向の中央の位置(座標)と、各粒子411〜415の中心411a〜415aのy軸方向の位置とが、それぞれ、x軸及びz軸に平行な面402に位置している。
(Particle volume calculation unit 106)
The particle volume calculation unit 106 calculates the volume of particles contained in the cell 401.
As shown in FIG. 4, the particle volume calculation unit 106 includes the center positions (coordinates) of the cells 401 a to 401 c in the y-axis direction and the positions of the centers 411 a to 415 a of the particles 411 to 415 in the y-axis direction. Are located on a plane 402 parallel to the x-axis and the z-axis, respectively.

そして、粒子体積算出部106は、各セル401a〜401cの中に含まれている粒子411〜415の体積を算出する。   And the particle volume calculation part 106 calculates the volume of the particle | grains 411-415 contained in each cell 401a-401c.

各粒子411〜415の形状は球である。そこで、粒子体積算出部106は、セル401の中に全ての領域が含まれている粒子については、当該セル401の中に含まれている粒子の体積Vpを、以下の(6)式で算出する。 The shape of each particle 411-415 is a sphere. Therefore, the particle volume calculation unit 106 calculates the volume V p of the particles included in the cell 401 for the particles including all regions in the cell 401 by the following equation (6). calculate.

Figure 2012194658
Figure 2012194658

(6)式において、Dpは粒子(球)の直径である。図4に示す例では、粒子413〜415が、このような粒子に該当する。
また、粒子体積算出部106は、1つのセル401の中に全ての領域が含まれていない粒子については、当該粒子の領域のうち、当該セル401の中に含まれている領域の体積を、当該セル401の中に含まれている粒子の体積Vpとして算出する。
In the equation (6), D p is the diameter of the particle (sphere). In the example shown in FIG. 4, the particles 413 to 415 correspond to such particles.
In addition, the particle volume calculation unit 106, for particles that do not include all the regions in one cell 401, out of the region of the particles, the volume of the region included in the cell 401, The volume V p of the particles contained in the cell 401 is calculated.

図5は、1つのセル401の中に全ての領域が含まれていない粒子の体積の計算式のパラメータを示す図である。
図5において、Dpは、粒子416の直径である。aは、粒子416の中心416aと、粒子416が跨いでいる「セル401dのx−z平面上の辺」との間の最短距離である。これらDp、aを用いると、粒子体積算出部106は、セル401の中に一部の領域が含まれている粒子416については、当該粒子416の領域のうち、セル401dの中に含まれている領域の体積を、当該セル401dの中に含まれている粒子の体積Vpとして、以下の(7)式により算出する。
FIG. 5 is a diagram illustrating parameters of calculation formulas for the volume of particles in which not all regions are included in one cell 401.
In FIG. 5, D p is the diameter of the particle 416. a is the shortest distance between the center 416a of the particle 416 and the “side of the cell 401d on the xz plane” that the particle 416 straddles. When these D p and a are used, the particle volume calculation unit 106 includes the particle 416 in which a part of the region is included in the cell 401, and is included in the cell 401d in the region of the particle 416. The volume of the area is calculated as the volume V p of the particles contained in the cell 401d by the following equation (7).

Figure 2012194658
Figure 2012194658

また、粒子体積算出部106は、セル401の中に一部の領域が含まれている粒子416については、当該粒子416の領域のうち、セル401dに含まれていない領域の体積を、当該領域が属しているセル401eの中に含まれている粒子の体積Vpとして、以下の(8)式により算出する。 In addition, for the particle 416 in which a part of the region is included in the cell 401, the particle volume calculation unit 106 calculates the volume of the region that is not included in the cell 401d out of the region of the particle 416. Is calculated by the following equation (8) as the volume V p of the particles contained in the cell 401e to which.

Figure 2012194658
Figure 2012194658

図4に示す例では、粒子411、412が、このような粒子に該当する。
尚、1つのセル401の中に全ての領域が含まれていない粒子の領域のうち、当該セル401の中に含まれている領域の体積を算出する方法(計算式)は、前述した方法((7)式、(8)式)に限定されず、粒子とセル401との位置関係に応じて適宜設定することができる。
そして、粒子体積算出部106は、1つのセル401の中に少なくとも一部の領域が含まれている粒子の全てについて(7)式又は(8)式により計算した「セル401の中に含まれている粒子の体積Vp」の総和を計算する。
粒子体積算出部106は、例えば、CPUが、各セル401の中に含まれている粒子の体積Vpを得て、RAM等に記憶することにより実現される。
In the example shown in FIG. 4, the particles 411 and 412 correspond to such particles.
In addition, the method (calculation formula) for calculating the volume of the region included in the cell 401 among the particle regions that do not include all the regions in one cell 401 is the above-described method ( It is not limited to (7) Formula and (8) Formula), but can be set as appropriate according to the positional relationship between the particles and the cell 401.
Then, the particle volume calculation unit 106 calculates “all of the particles in which at least a part of the region is included in one cell 401” by the expression (7) or (8). The total sum of the volume V p of the particles is calculated.
The particle volume calculation unit 106 is realized, for example, when the CPU obtains a particle volume V p contained in each cell 401 and stores it in a RAM or the like.

(空隙率算出部107)
空隙率算出部107は、セル体積算出部105で算出された「各セル401の体積Vc」と、粒子体積算出部106により算出された「各セル401の中に含まれている粒子の体積Vpの総和」とに基づいて、粒子の空隙率を、セル設定部104により設定された複数のセル401のそれぞれについて算出する。
(Porosity calculation unit 107)
The void ratio calculation unit 107 calculates the “volume V c of each cell 401” calculated by the cell volume calculation unit 105 and the “volume of particles contained in each cell 401 calculated by the particle volume calculation unit 106”. Based on the “total sum of V p ”, the porosity of the particles is calculated for each of the plurality of cells 401 set by the cell setting unit 104.

空隙率算出部107は、以下の(9)式により、各矩形領域における粒子の仮空隙率ε´[−]を個別に算出する。   The porosity calculation unit 107 individually calculates the temporary porosity ε ′ [−] of the particles in each rectangular region by the following equation (9).

Figure 2012194658
Figure 2012194658

(9)式において、nは、粒子体積算出部106により、同一のセル401の中に含まれているとして計算された粒子の体積Vpの数である。例えば、図4に示す例では、セル401aの中に含まれているとして計算された粒子の体積Vpの数は「2」であり、セル401bの中に含まれているとして計算された粒子の体積Vpの数は「3」であり、セル401cの中に含まれているとして計算された粒子の体積Vpの数は「1」である。 In Equation (9), n is the number of particle volumes V p calculated by the particle volume calculation unit 106 as being included in the same cell 401. For example, in the example shown in FIG. 4, the number of the volume V p of the particles calculated as being contained in the cell 401a is “2”, and the particles calculated as being contained in the cell 401b. the number of the volume V p is "3", the number of the volume V p of the calculated particles as contained in the cell 401c is "1".

そして、空隙率算出部107は、算出した各矩形領域における粒子の仮空隙率ε´のそれぞれに定数(=0.02)を加算した値を、各矩形領域における粒子の空隙率εとして算出する。定数(=0.02)を加算して仮空隙率ε´を補正する理由については、後述する。
空隙率算出部107は、例えば、CPUが、各セル401における粒子の空隙率εを得て、RAMやHDD等に記憶することにより実現される。
Then, the porosity calculation unit 107 calculates a value obtained by adding a constant (= 0.02) to each of the calculated temporary porosity ε ′ of the particles in each rectangular region as the particle porosity ε in each rectangular region. . The reason for correcting the temporary void ratio ε ′ by adding a constant (= 0.02) will be described later.
The porosity calculation unit 107 is realized, for example, by the CPU obtaining the particle porosity ε in each cell 401 and storing it in a RAM, HDD, or the like.

(流体解析部108)
流体解析部108は、空隙率算出部107により算出された「各セル401における粒子の空隙率ε」を用いて、粒子が配置された3次元領域におけるガスの流れの解析(流体解析)を行い、その結果をディスプレイに表示する。流体解析の手法は、例えば、非特許文献1に記載されているので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
流体解析部108は、例えば、CPUが、粒子が配置された3次元領域におけるガスの流れの解析結果を得て、そのデータをディスプレイに出力することにより実現される。
(Fluid analysis unit 108)
The fluid analysis unit 108 uses the “particle porosity ε in each cell 401” calculated by the porosity calculation unit 107 to analyze the gas flow (fluid analysis) in the three-dimensional region where the particles are arranged. The result is displayed on the display. Since the method of fluid analysis is described in Non-Patent Document 1, for example, detailed description thereof is omitted here.
The fluid analysis unit 108 is realized, for example, when the CPU obtains a gas flow analysis result in a three-dimensional region where particles are arranged and outputs the data to a display.

(長さ平均径を採用する理由と空隙率を調整する理由)
本実施形態では、以下に示す種々の粒度構成を有する条件で、2次元領域(2次元の計算場)における各粒子の挙動をDEMにより計算し、その計算結果から、各種の平均径を用いて前述したようにして空隙率の値を求めると共に、3次元領域(3次元の計算場)における各粒子の挙動をDEMにより計算し、それぞれの計算結果から空隙率の値を求めた。そして、これらの空隙率の値を比較した結果、一定値を用いていた従来法に比較して、平均粒子径でセル体積を設定する方法の方が、種々の粒度構成を有する条件でも3次元値に近い値を示し、かつ試みたいずれの平均径の場合も高炉内ガス流れ解析での使用に際して十分な精度を有していることが分かった。さらに、各種の平均径のうち、長さ平均径を採用することが好ましいということと、長さ平均径を用いて求めた空隙率の値を調整すると、3次元領域(3次元の計算場)で求めた空隙率の値に非常に近い空隙率が得られることを見出した。以下に、これらについて詳述する。
(Reason for adopting length average diameter and reason for adjusting porosity)
In the present embodiment, the behavior of each particle in a two-dimensional region (two-dimensional calculation field) is calculated by DEM under the conditions having various particle size configurations shown below, and various average diameters are used from the calculation results. The porosity value was determined as described above, and the behavior of each particle in a three-dimensional region (three-dimensional calculation field) was calculated by DEM, and the porosity value was determined from each calculation result. As a result of comparing these porosity values, the method of setting the cell volume with the average particle diameter is three-dimensional even under conditions having various particle size configurations, as compared with the conventional method using a constant value. The value was close to the value, and it was found that any of the average diameters tried had sufficient accuracy for use in blast furnace gas flow analysis. Furthermore, among the various average diameters, it is preferable to adopt the length average diameter, and when adjusting the porosity value obtained using the length average diameter, a three-dimensional region (three-dimensional calculation field) It was found that a porosity very close to the value of the porosity determined in (1) was obtained. These are described in detail below.

図6は、DEMによる解析を行って計算対象の領域に配置された各粒子の一例を概念的に示す図である。図6(a)は、2次元領域(2次元の計算場)における各粒子の挙動を解析して得られた各粒子の配置を示す図である。図6(b)は、図6(a)(本実施形態)と比較するための図であり、3次元領域(3次元の計算場)における各粒子の挙動を解析して得られた各粒子の配置を示す図である。   FIG. 6 is a diagram conceptually illustrating an example of each particle arranged in a calculation target region by performing an analysis by DEM. FIG. 6A is a diagram showing an arrangement of each particle obtained by analyzing the behavior of each particle in a two-dimensional region (two-dimensional calculation field). FIG. 6B is a diagram for comparison with FIG. 6A (this embodiment), and each particle obtained by analyzing the behavior of each particle in a three-dimensional region (three-dimensional calculation field). It is a figure which shows arrangement | positioning.

図6(a)に示すように、DEMによって、2次元領域における各粒子の挙動を解析すると、2次元領域(x−z平面の領域)と直交する方向(y軸方向)に積み重ならないように、つまり球場の粒子のy軸方向の中心位置が全て揃った球状の粒子が、x−z平面に並べられる。これに対し、図6(b)に示すように、DEMによって、3次元領域における各粒子の挙動を解析すると、球状の粒子は、3次元領域(x−y−z空間)に並べられるので、y軸方向にも積み重なる。   As shown in FIG. 6A, when the behavior of each particle in the two-dimensional region is analyzed by DEM, the particles are not stacked in a direction (y-axis direction) orthogonal to the two-dimensional region (xz plane region). That is, spherical particles in which the center positions in the y-axis direction of the spherical field particles are all aligned are arranged on the xz plane. On the other hand, as shown in FIG. 6B, when the behavior of each particle in the three-dimensional region is analyzed by DEM, the spherical particles are arranged in the three-dimensional region (xyz space). They are also stacked in the y-axis direction.

図7は、図6に示す各区間A、B、Cにおける各粒子の粒度構成を示す図である。具体的に、図7(a)は、図6(a)に示した各区間A、B、Cにおける各粒子の面積比と、図6(b)に示した区間A、B、Cにおける各粒子の体積比とを示す。一方、図7(b)は、図6(a)及び図6(b)に示した各区間A、B、Cにおける粒子個数比を示す。
図6は、各区間A、B、Cのそれぞれにおいて、それぞれが接触しないように粒子を初期配置し、上方から(図3に示す矢印の方向に)各粒子を重力沈降させ、動きが止まったときの各粒子の配置を示す。尚、図6では、表記の都合上(空隙があることを示すために)、粒子と粒子との間に隙間があるが、実際には、図6に示す状態よりも各粒子は密に配置されている。図7に示すように、各区間A、B、Cに落下させる粒子は、直径(粒子径)が20.0[mm]、37.5[mm]、55.0[mm]の3種類の粒子である。
FIG. 7 is a diagram showing a particle size configuration of each particle in each section A, B, and C shown in FIG. Specifically, FIG. 7A shows an area ratio of each particle in each section A, B, and C shown in FIG. 6A and each section in each of the sections A, B, and C shown in FIG. The volume ratio of the particles is shown. On the other hand, FIG. 7B shows the particle number ratio in each of the sections A, B, and C shown in FIGS. 6A and 6B.
In FIG. 6, in each of the sections A, B, and C, the particles are initially arranged so that they do not come into contact with each other, and the particles are gravity settled from above (in the direction of the arrow shown in FIG. 3), and the movement stops. The arrangement of each particle is shown. In FIG. 6, there is a gap between the particles for the convenience of description (in order to show that there is a void), but in reality, the particles are arranged more densely than in the state shown in FIG. Has been. As shown in FIG. 7, the particles dropped into the respective sections A, B, and C have three types of diameters (particle diameters) of 20.0 [mm], 37.5 [mm], and 55.0 [mm]. Particles.

ここで、図6(a)に示す区間A、B、Cは、2次元領域であるのに対し、図6(b)に示す区間A、B、Cは、3次元領域である。そこで、区間A、B、Cのそれぞれにおいて、これら3種類の粒子の割合が、図6(a)に示す区間A、B、Cと、図6(b)に示す区間A、B、Cとで同じになるようにしている。   Here, the sections A, B, and C shown in FIG. 6A are two-dimensional areas, whereas the sections A, B, and C shown in FIG. 6B are three-dimensional areas. Therefore, in each of the sections A, B, and C, the ratios of these three types of particles are the sections A, B, and C shown in FIG. 6A and the sections A, B, and C shown in FIG. To be the same.

具体的に、図7(a)に示すように、各粒子の図6(a)に示す各区間A、B、Cにおける面積比と、各粒子の図6(b)に示す各区間A、B、Cにおける体積比とが同じになるようにしている。
例えば、図7(a)に示すように、図6(a)に示す区間Aにおける「粒子径が20.0[mm]の粒子の面積の総和」と、図6(a)に示す区間Bにおける「粒子径が20.0[mm]の粒子の面積の総和」と、図6(a)に示す区間Cにおける「粒子径が20.0[mm]の粒子の面積の総和」との比が「1:1:5」になるようにしている。
そこで、図7(b)に示すように、図6(b)に示す区間Aにおける「粒子径が20.0[mm]の粒子の体積の総和」と、図6(b)に示す区間Bにおける「粒子径が20.0[mm]の粒子の体積の総和」と、図6(b)に示す区間Cにおける「粒子径が20.0[mm]の粒子の体積の総和」との比が「1:1:5」となるようにしている。
Specifically, as shown in FIG. 7A, the area ratio of each particle in each section A, B, C shown in FIG. 6A, and each section A shown in FIG. The volume ratio in B and C is made the same.
For example, as shown in FIG. 7 (a), “the total area of the particles having a particle diameter of 20.0 [mm]” in the section A shown in FIG. 6 (a) and the section B shown in FIG. 6 (a). The ratio of “total area of particles having a particle diameter of 20.0 [mm]” to “total area of particles having a particle diameter of 20.0 [mm]” in section C shown in FIG. Is “1: 1: 5”.
Therefore, as shown in FIG. 7 (b), “total volume of particles having a particle diameter of 20.0 [mm]” in section A shown in FIG. 6 (b) and section B shown in FIG. 6 (b). The ratio between the “total volume of particles having a particle diameter of 20.0 [mm]” and the “total volume of particles having a particle diameter of 20.0 [mm]” in the section C shown in FIG. Is “1: 1: 5”.

また、各粒子の図6(b)に示す各区間A、B、Cにおける個数比(粒子個数比)と、各粒子の図6(b)に示す各区間A、B、Cにおける個数比(粒子個数比)は、図7に示す通りである。
例えば、図7(a)に示すように、図6(a)に示す区間Aにおける「粒子径が20.0[mm]の粒子の数」と、図6(a)に示す区間Bにおける「粒子径が20.0[mm]の粒子の数」と、図6(a)に示す区間Cにおける「粒子径が20.0[mm]の粒子の数」との比は、「8:8:40=1:1:5」となる。一方、図6(b)に示す区間Aにおける「粒子径が20.0[mm]の粒子の数」と、図6(b)に示す区間Bにおける「粒子径が20.0[mm]の粒子の数」と、図6(b)に示す区間Cにおける「粒子径が20.0[mm]の粒子の数」との比も、「21:21:105=1:1:5」となる。
Further, the number ratio of each particle in each section A, B, C shown in FIG. 6B (particle number ratio) and the number ratio of each particle in each section A, B, C shown in FIG. The particle number ratio) is as shown in FIG.
For example, as shown in FIG. 7A, “the number of particles having a particle diameter of 20.0 [mm]” in the section A shown in FIG. 6A and “in the section B shown in FIG. The ratio between the “number of particles having a particle diameter of 20.0 [mm]” and the “number of particles having a particle diameter of 20.0 [mm]” in the section C shown in FIG. : 40 = 1: 1: 5 ”. On the other hand, “the number of particles having a particle diameter of 20.0 [mm]” in the section A shown in FIG. 6B and “the particle diameter of 20.0 [mm] in the section B shown in FIG. 6B”. The ratio between the “number of particles” and the “number of particles having a particle diameter of 20.0 [mm]” in the section C shown in FIG. 6B is also “21: 21: 105 = 1: 1: 5”. Become.

図8は、矩形領域に含まれる粒子の平均径の計算方法を異ならせて算出した空隙率を示す図である。
図8に示す各点は、図3に示した区間A、B、Cに、図4に示した割合で粒子を重力沈降させて、粒子の動きが止まった時点での各矩形領域の空隙率の値を示す。また、各区間A、B、Cに対して、それぞれ6つの矩形領域を設定した(このことは、図8の各区間A、B、Cに6つの点があることと対応する)。
FIG. 8 is a diagram showing the porosity calculated by varying the calculation method of the average diameter of the particles contained in the rectangular region.
Each point shown in FIG. 8 indicates the void ratio of each rectangular region at the time when the particles stopped moving in the sections A, B, and C shown in FIG. 3 at the rate shown in FIG. Indicates the value of. In addition, six rectangular areas were set for each of the sections A, B, and C (this corresponds to the fact that there are six points in each of the sections A, B, and C in FIG. 8).

また、図8において、「3D」は、DEMにより、3次元領域における粒子の挙動を解析し、その結果から算出した空隙率の値を示す(図3(b)を参照)。この値が最も信頼できる値となる。
また、「平均径定数固定」とは、セルのy軸方向の長さを矩形領域によらずに37.5[mm]に固定して算出した空隙率の値を示す(セルのy軸方向の長さを固定する以外は、本実施形態と同じ処理を行って得られた空隙率の値である(ただし、空隙率は(9)式で計算されるものであり、定数を加算していない))。
In FIG. 8, “3D” indicates the value of the porosity calculated from the result of analyzing the behavior of the particles in the three-dimensional region by DEM (see FIG. 3B). This value is the most reliable value.
The “fixed average diameter constant” indicates a porosity value calculated by fixing the length of the cell in the y-axis direction to 37.5 [mm] regardless of the rectangular area (the y-axis direction of the cell). The porosity is obtained by performing the same processing as in the present embodiment except that the length of the above is fixed (however, the porosity is calculated by the equation (9) and a constant is added. Absent)).

また、「個数平均径」、「面積平均径」、「体積平均径」、「平均表面積径」、「平均体積径」は、「長さ平均径」の代わりに、これらの平均径を使って算出した空隙率の値を示す(平均径の計算方法以外は、本実施形態と同じ処理を行って得られた空隙率の値である(ただし、空隙率は(9)式で計算されるものであり、定数を加算していない))。   In addition, “number average diameter”, “area average diameter”, “volume average diameter”, “average surface area diameter”, “average volume diameter” can be calculated using these average diameters instead of “length average diameter”. Indicates the value of the calculated porosity (except for the method of calculating the average diameter, the value of the porosity obtained by performing the same processing as in this embodiment (however, the porosity is calculated by the equation (9) And does not add a constant)).

また、「長さ平均径」は、定数を加算する前の空隙率((9)式の仮空隙率ε´)である。
また、「長さ平均径+0.02」は、本実施形態と同じ処理を行って得られた空隙率である。
尚、「個数平均径」、「長さ平均径」、「面積平均径」、「体積平均径」、「平均表面積径」、「平均体積径」の計算方法については、非特許文献2に記載されている。また、「個数平均径」、「長さ平均径」、「面積平均径」、「体積平均径」については、それぞれ「重みつき個数平均径」、「重みつき長さ平均径」、「重みつき面積平均径」、「重みつき体積平均径」と称されることもある。
The “length average diameter” is a void ratio (temporary void ratio ε ′ in equation (9)) before adding a constant.
Further, “length average diameter + 0.02” is a porosity obtained by performing the same processing as in the present embodiment.
The calculation method of “number average diameter”, “length average diameter”, “area average diameter”, “volume average diameter”, “average surface area diameter”, “average volume diameter” is described in Non-Patent Document 2. Has been. The “number average diameter”, “length average diameter”, “area average diameter”, and “volume average diameter” are “weighted number average diameter”, “weighted length average diameter”, and “weighted average diameter”, respectively. It may be referred to as “area average diameter” or “weighted volume average diameter”.

図8に示すように、程度の差はあるが、「個数平均径」、「長さ平均径」、「面積平均径」、「体積平均径」、「平均表面積径」、「平均体積径」のグラフの方が、「平均径定数固定」のグラフよりも、「3D」のグラフと、概形が似ている。区間A、B、Cでは、3種類の粒子径の構成割合を極端に異ならせている(図4を参照)。よって、区間A、B、Cの全てで、「3D」のグラフに対し、形と値とが近くなっていれば、粒子径がどのような条件であっても、精度よく空隙率を算出することができると言ってよい。したがって、粒子の平均径を矩形領域毎に算出し、各セルのy軸方向の長さを、算出した平均径に基づいて決定すると、精度よく空隙率を算出することができることが分かる。   As shown in FIG. 8, although there are differences in degree, “number average diameter”, “length average diameter”, “area average diameter”, “volume average diameter”, “average surface area diameter”, “average volume diameter” This graph is more similar to the “3D” graph than the “average diameter constant fixed” graph. In the sections A, B, and C, the composition ratios of the three types of particle diameters are extremely different (see FIG. 4). Therefore, in all the sections A, B, and C, if the shape and the value are close to the “3D” graph, the porosity is accurately calculated regardless of the condition of the particle diameter. You can say that you can. Therefore, it is understood that the porosity can be accurately calculated by calculating the average particle diameter for each rectangular region and determining the length of each cell in the y-axis direction based on the calculated average diameter.

特に、「長さ平均径」のグラフは、「3D」のグラフと、概形だけでなく、値も近くなっており、特に好ましいことも判る。そこで、本実施形態では、これらの平均径のうち、「長さ平均径」を採用することとした。
また、「長さ平均径」を用いて算出した空隙率に一定値を加算した空隙率の値と(図8の「長さ平均径」)、DEMにより3次元領域における粒子の挙動を解析した結果から算出した空隙率の値(図8の「3D」)との差を最小にするためには、当該一定値をいくつにすればよいのかを、最小二乗法により計算した。その結果、当該一定値は「0.02」となった。よって、この例では、「長さ平均径」を用いて算出した空隙率の値に、当該一定値として「0.02」を加算すれば、「3D」のグラフの値との差が非常に小さい空隙率を得ることができる。そこで、本実施形態では、「長さ平均径」を用いて算出した空隙率(仮空隙率ε´)に一定値(=0.02)を加算した値を各矩形領域の空隙率εとして採用することとした。
In particular, the “average length diameter” graph is not only approximate but also close to the “3D” graph, indicating that it is particularly preferable. Therefore, in this embodiment, among these average diameters, the “length average diameter” is adopted.
In addition, the porosity calculated by adding a certain value to the porosity calculated using the “length average diameter” (“length average diameter” in FIG. 8), and the behavior of particles in a three-dimensional region were analyzed by DEM. In order to minimize the difference from the porosity value calculated from the result (“3D” in FIG. 8), the number of the constant values is calculated by the least square method. As a result, the fixed value was “0.02.” Therefore, in this example, if “0.02” is added as the constant value to the porosity value calculated using the “length average diameter”, the difference from the value of the “3D” graph is very large. A small porosity can be obtained. Therefore, in this embodiment, a value obtained by adding a constant value (= 0.02) to the void ratio (temporary void ratio ε ′) calculated using the “average length diameter” is adopted as the void ratio ε of each rectangular area. It was decided to.

ただし、当該一定値を加算又は減算する前の空隙率の値よりも、当該一定値を加算又は減算した後の空隙率の値の方が、DEMにより3次元領域における粒子の挙動を解析した結果から算出した空隙率の値との差が小さくなるようにしていれば、必ずしも、「3D」のグラフの値との差が最小となるように当該一定値を計算する必要はない。また、「3D」のグラフの値との差が最小となるように当該一定値を計算するために用いる方法は、最小二乗法に限定されるものではない。   However, the result of analyzing the behavior of particles in the three-dimensional region by the DEM is the value of the porosity after adding or subtracting the constant value than the value of the porosity before adding or subtracting the constant value. If the difference from the value of the porosity calculated from the above is made small, it is not always necessary to calculate the constant value so that the difference from the value of the “3D” graph is minimized. In addition, the method used to calculate the constant value so that the difference from the value of the “3D” graph is minimized is not limited to the least square method.

尚、「長さ平均径」以外の平均径を用いて算出した空隙率でも、当該空隙率に対し一定値を加算又は減算することにより、当該一定値を加算又は減算した空隙率の値と、「3D」のグラフの値との差を小さくすることができるので、このようにしてもよい。特に、「3D」のグラフの値との差が最小となるように、当該空隙率の値に対して加算又は減算する一定値を決定するのが好ましい。「3D」のグラフの値との差が最小となる一定値を得るための計算は、前述したように、例えば、最小二乗法を用いることにより実現することができる。   In addition, even with a porosity calculated using an average diameter other than the “length average diameter”, by adding or subtracting a constant value to the porosity, the value of the porosity obtained by adding or subtracting the constant value, Since the difference from the value of the “3D” graph can be reduced, this may be used. In particular, it is preferable to determine a constant value to be added to or subtracted from the value of the porosity so that the difference from the value of the “3D” graph is minimized. The calculation for obtaining a constant value that minimizes the difference from the value of the “3D” graph can be realized by using, for example, the least square method as described above.

(動作フローチャート)
次に、図9のフローチャートを参照しながら、粒子存在場解析装置100の処理の一例を説明する。
まず、ステップS901において、粒子挙動解析部101は、球状の粒子の2次元領域における挙動をDEMにより解析する。これにより、所定の時間毎に、2次元領域における粒子の配置が得られる(図3(a)を参照)。
次に、ステップS902において、矩形領域設定部102は、ステップS901で粒子の挙動が解析された2次元領域を分割する複数の矩形領域を設定する(図3を参照)。
(Operation flowchart)
Next, an example of processing of the particle presence field analysis apparatus 100 will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, in step S901, the particle behavior analysis unit 101 analyzes the behavior of a spherical particle in a two-dimensional region using a DEM. Thereby, the arrangement | positioning of the particle | grains in a two-dimensional area | region is obtained for every predetermined time (refer Fig.3 (a)).
Next, in step S902, the rectangular area setting unit 102 sets a plurality of rectangular areas that divide the two-dimensional area in which the behavior of the particles is analyzed in step S901 (see FIG. 3).

次に、ステップS903において、平均粒子径算出部103は、ステップS902で設定された複数の矩形領域のそれぞれについて、当該矩形領域に含まれる球状の粒子の長さ平均径を個別に算出する。
次に、ステップS904において、セル設定部104は、ステップS902で設定された「矩形領域」の各辺をx軸、z軸方向の辺とし、これらx軸、z軸方向の辺と、ステップS903で算出された「当該矩形領域に含まれる球状の粒子の長さ平均径」の長さを有するy軸方向の辺とにより定まる平行六面体であって、当該y軸方向の辺の中央の位置が夫々揃えられた複数の平行六面体を、セル401として設定する(図4を参照)。
Next, in step S903, the average particle diameter calculation unit 103 individually calculates the average length diameter of the spherical particles included in the rectangular area for each of the plurality of rectangular areas set in step S902.
Next, in step S904, the cell setting unit 104 sets each side of the “rectangular region” set in step S902 as an x-axis and z-axis direction side, and these x-axis and z-axis direction sides, and step S903. A parallelepiped determined by the side in the y-axis direction having a length of “the average length of the spherical particles included in the rectangular region” calculated in step 1, and the position of the center of the side in the y-axis direction is A plurality of parallelepipeds that are aligned respectively are set as cells 401 (see FIG. 4).

次に、ステップS905において、セル体積算出部105は、ステップS904で設定された各セルの体積を算出する((5)式を参照)。
次に、ステップS906において、粒子体積算出部106は、セル内粒子体積算出処理を実行して、セル401の中に含まれている粒子の体積Vpの総和を算出する((6)式〜(8)式を参照)。尚、セル内粒子体積算出処理の詳細については、図10を参照しながら後述する。
Next, in step S905, the cell volume calculation unit 105 calculates the volume of each cell set in step S904 (see equation (5)).
Next, in step S906, the particle volume calculation unit 106 executes an in-cell particle volume calculation process, and calculates the sum of the volume V p of the particles contained in the cell 401 (equation (6) to (See equation (8)). Details of the in-cell particle volume calculation process will be described later with reference to FIG.

次に、ステップS907において、空隙率算出部107は、ステップS905で算出された「各セル401の体積Vc」と、ステップS906で算出された「各セル401の中に含まれている粒子の体積Vp」とに基づいて、ステップS904設定された複数のセル401のそれぞれにおける「粒子の空隙率ε」を算出する(粒子の空隙率εは(9)式の仮空隙率ε´に定数を加算した値となる)。
次に、ステップS908において、流体解析部108は、ステップS907で算出された「複数のセル401のそれぞれにおける『粒子の空隙率ε』」を用いて、粒子が配置された3次元領域におけるガスの流れの解析(流体解析)を行い、その結果をディスプレイに表示する。そして、図9のフローチャートによる処理を終了する。
Next, in step S907, the void ratio calculation unit 107 calculates “volume V c of each cell 401” calculated in step S905 and “calculation of particles contained in each cell 401 calculated in step S906”. Based on the volume V p ”, the“ particle porosity ε ”in each of the plurality of cells 401 set in step S904 is calculated (the particle porosity ε is a constant equal to the temporary porosity ε ′ in the equation (9)). Is the value added).
Next, in step S908, the fluid analysis unit 108 uses the “particle porosity ε in each of the plurality of cells 401” calculated in step S907 to generate the gas in the three-dimensional region where the particles are arranged. Flow analysis (fluid analysis) is performed and the result is displayed on the display. And the process by the flowchart of FIG. 9 is complete | finished.

次に、図10のフローチャートを参照しながら、図9のステップS906におけるセル内粒子体積算出処理の詳細な説明を行う。尚、図10のフローチャートによる処理は、ステップS904により設定された全てのセルについて行われる。   Next, the in-cell particle volume calculation process in step S906 of FIG. 9 will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. Note that the processing according to the flowchart of FIG. 10 is performed for all the cells set in step S904.

まず、ステップS1001において、粒子体積算出部106は、計算対象となるセル401の中に少なくとも一部の領域が含まれている粒子のうち、未選択の粒子を1つ選択する。
次に、ステップS1002において、粒子体積算出部106は、ステップS1001で選択した粒子の全ての領域が、計算対象となるセル401の中に含まれているか否かを判定する。
First, in step S <b> 1001, the particle volume calculation unit 106 selects one unselected particle among particles in which at least a partial region is included in the cell 401 to be calculated.
Next, in step S1002, the particle volume calculation unit 106 determines whether all the regions of the particles selected in step S1001 are included in the cell 401 to be calculated.

この判定の結果、ステップS1001で選択した粒子の全ての領域が、計算対象となるセル401の中に含まれている場合には、ステップS1003に進む。
ステップS1003に進むと、粒子体積算出部106は、ステップS1001で選択した粒子の全体の体積を、計算対象となるセル401の中に含まれている粒子の体積Vpとして、(6)式により算出する。
As a result of the determination, if all the regions of the particles selected in step S1001 are included in the cell 401 to be calculated, the process proceeds to step S1003.
In step S1003, the particle volume calculation unit 106 sets the total volume of the particles selected in step S1001 as the volume V p of the particles contained in the cell 401 to be calculated according to equation (6). calculate.

一方、ステップS1001で選択した粒子の全ての領域が、計算対象となるセル401の中に含まれていない場合には、ステップS1004に進む。
ステップS1004に進むと、粒子体積算出部106は、ステップS1001で選択した粒子の領域のうち、当該セル401に含まれている領域の体積を、計算対象となるセル401の中に含まれている粒子の体積Vpとして、例えば(7)式又は(8)式により計算する。
On the other hand, if all the regions of the particles selected in step S1001 are not included in the cell 401 to be calculated, the process proceeds to step S1004.
In step S1004, the particle volume calculation unit 106 includes the volume of the region included in the cell 401 among the particle regions selected in step S1001 in the cell 401 to be calculated. The particle volume V p is calculated by, for example, equation (7) or equation (8).

以上のようにして、ステップS1001で選択した粒子について、計算対象となるセル401の中に含まれている粒子の体積Vpが算出されると、ステップS1005に進む。ステップS1005に進むと、粒子体積算出部106は、計算対象となるセル401の中に少なくとも一部の領域が含まれている粒子を全て選択したか否かを判定する。この判定の結果、計算対象となるセル401の中に少なくとも一部の領域が含まれている粒子を全て選択していない場合には、ステップS1001の処理に戻る。そして、計算対象となるセル401の中に少なくとも一部の領域が含まれている粒子の全てについて、計算対象となるセル401の中に含まれている粒子の体積Vpを算出するまで、ステップS1001〜S1005の処理を繰り返し行う。その後、粒子体積算出部106は、計算対象となるセル401の中に含まれている粒子の体積Vpの総和を計算する。 As described above, when the volume V p of the particle contained in the cell 401 to be calculated is calculated for the particle selected in step S1001, the process proceeds to step S1005. In step S1005, the particle volume calculation unit 106 determines whether all the particles that include at least a part of the region in the cell 401 to be calculated have been selected. As a result of this determination, if all the particles that include at least a part of the region in the cell 401 to be calculated have not been selected, the process returns to step S1001. Steps are performed until the volume V p of the particles included in the cell 401 to be calculated is calculated for all the particles in which at least a part of the region is included in the cell 401 to be calculated. The processes of S1001 to S1005 are repeated. Thereafter, the particle volume calculation unit 106 calculates the sum of the volume V p of the particles contained in the cell 401 to be calculated.

(まとめ)
以上のように本実施形態では、球状の粒子の2次元領域における挙動をDEMにより解析した後、当該2次元領域を分割する複数の矩形領域を設定する。複数の矩形領域のそれぞれについて、当該矩形領域に含まれる粒子の長さ平均径を個別に算出する。そして、そして、当該複数の矩形領域に対応する複数のセル401を設定する。このセル401は、矩形領域のx軸、z軸方向の辺と、当該矩形領域における長さ平均径の長さを有するy軸方向の辺と、により定まる平行六面体であり、当該y軸方向の辺の中央の位置が、当該y軸方向の位置が夫々揃っている球状の粒子の中心位置と揃う位置に設定される。そして、各セル401に含まれる粒子の割合を求めて、各矩形領域における粒子の空隙率εを算出する。したがって、DEMによって、3次元領域における粒子の挙動を計算しなくても、当該3次元領域における粒子の挙動を計算することにより得られる粒子の空隙率εに近い値の空隙率εを算出することができる。例えば、高炉の炉頂から羽口の間の荷下がりを、3次元計算場でDEMにより計算すると、計算時間が約2ヶ月であったのに対し、2次元計算場でDEMにより計算すると、計算時間が約5日であった。また、これらにおける空隙率εの差は、概ね図8に示した結果と同じになった。よって、計算対象となる粒子の数が多くなっても、粒子の空隙率を、その算出精度を大きく落とすことなく高速に算出することができる。
(Summary)
As described above, in this embodiment, after analyzing the behavior of a spherical particle in a two-dimensional region by DEM, a plurality of rectangular regions that divide the two-dimensional region are set. For each of the plurality of rectangular regions, the length average diameter of the particles included in the rectangular region is individually calculated. Then, a plurality of cells 401 corresponding to the plurality of rectangular areas are set. This cell 401 is a parallelepiped that is defined by the x-axis and z-axis direction sides of the rectangular region and the y-axis direction side having the length of the length average diameter in the rectangular region. The position of the center of the side is set to a position that is aligned with the center position of the spherical particles whose positions in the y-axis direction are aligned. And the ratio of the particle | grains contained in each cell 401 is calculated | required, and the void ratio (epsilon) of the particle | grain in each rectangular area is calculated. Therefore, the porosity ε of a value close to the particle porosity ε obtained by calculating the particle behavior in the three-dimensional region can be calculated by the DEM without calculating the particle behavior in the three-dimensional region. Can do. For example, when the unloading from the top of the blast furnace to the tuyere is calculated by DEM in a three-dimensional calculation field, the calculation time is about two months, whereas when calculated by DEM in a two-dimensional calculation field, The time was about 5 days. In addition, the difference in the porosity ε in these was almost the same as the result shown in FIG. Therefore, even if the number of particles to be calculated increases, the porosity of the particles can be calculated at high speed without greatly reducing the calculation accuracy.

<変形例>
本実施形態では、流体解析を行うようにしたが、粒子の空隙率εをセル401毎に算出するようにしていれば、必ずしも流体解析を行う必要はない。また、粒子の空隙率εをディスプレイに表示してユーザに提示するようにしてもよい。
<Modification>
In the present embodiment, the fluid analysis is performed. However, if the particle porosity ε is calculated for each cell 401, the fluid analysis is not necessarily performed. Alternatively, the void ratio ε of the particles may be displayed on a display and presented to the user.

尚、以上説明した本発明の実施形態は、コンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、プログラムをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるプログラムを記録したCD−ROM等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体、又はかかるプログラムを伝送する伝送媒体も本発明の実施の形態として適用することができる。また、前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体などのプログラムプロダクトも本発明の実施の形態として適用することができる。前記のプログラム、コンピュータ読み取り可能な記録媒体、伝送媒体及びプログラムプロダクトは、本発明の範疇に含まれる。
また、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
The embodiment of the present invention described above can be realized by a computer executing a program. Further, a means for supplying the program to the computer, for example, a computer-readable recording medium such as a CD-ROM recording such a program, or a transmission medium for transmitting such a program may be applied as an embodiment of the present invention. it can. A program product such as a computer-readable recording medium that records the program can also be applied as an embodiment of the present invention. The programs, computer-readable recording media, transmission media, and program products are included in the scope of the present invention.
In addition, the embodiments of the present invention described above are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed as being limited thereto. Is. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.

100 粒子存在場解析装置
101 粒子挙動解析部
102 矩形領域設定部
103 平均粒子径算出部
104 セル設定部
105 セル体積算出部
106 粒子体積算出部
107 空隙率算出部
108 流体解析部
401 セル
411〜416 粒子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Particle presence field analyzer 101 Particle behavior analysis part 102 Rectangular area | region setting part 103 Average particle diameter calculation part 104 Cell setting part 105 Cell volume calculation part 106 Particle volume calculation part 107 Porosity calculation part 108 Fluid analysis part 401 Cell 411-416 particle

Claims (11)

2次元領域における粒子の挙動を、当該粒子の形状を球状として、離散要素法により解析する粒子挙動解析手段と、
前記2次元領域を分割する複数の矩形領域を設定する矩形領域設定手段と、
前記矩形領域設定手段により設定された複数の矩形領域のそれぞれについて、当該矩形領域の中に全ての領域が入っている球状の粒子と、当該矩形領域の中に一部の領域が入っている球状の粒子であって、中心の位置が当該矩形領域の中に含まれている球状の粒子と、の平均径を算出する平均粒子径算出手段と、
前記複数の矩形領域に対応する複数のセルを設定するセル設定手段と、
前記セルの体積をそれぞれ算出するセル体積算出手段と、
前記セルの中に全ての領域が含まれている粒子の体積と、前記セルの中に一部の領域が含まれている粒子の領域のうち当該セルの中に含まれている領域の体積との総和を算出する粒子体積算出手段と、
前記セル体積算出手段により算出された、前記セルの体積と、前記粒子体積算出手段により算出された、前記体積の総和とに基づいて、粒子の空隙率を、前記セルのそれぞれについて算出する空隙率算出手段と、を有し、
前記セルは、前記矩形領域の縦の辺である第1の辺と、前記矩形領域の横の辺である第2の辺と、当該第1の辺及び当該第2の辺に垂直な辺であって、当該矩形領域に対して前記平均粒子径算出手段により算出された平均径の長さを有する第3の辺とにより定められる平行六面体であり、前記第3の辺の中央における当該第3の辺に沿う方向の位置が、当該第3の辺に沿う方向の位置が夫々揃っている前記粒子の中心位置と揃う位置に設定されることを特徴とする粒子存在場解析装置。
A particle behavior analysis means for analyzing the behavior of the particles in a two-dimensional region by using a discrete element method with a spherical shape of the particles;
Rectangular area setting means for setting a plurality of rectangular areas for dividing the two-dimensional area;
For each of the plurality of rectangular regions set by the rectangular region setting means, spherical particles in which all the regions are contained in the rectangular region, and spherical particles in which a part of the region is contained in the rectangular region Average particle diameter calculating means for calculating the average diameter of the spherical particles whose center position is included in the rectangular region, and
Cell setting means for setting a plurality of cells corresponding to the plurality of rectangular regions;
Cell volume calculating means for calculating the volume of each cell;
The volume of the particle that includes all the regions in the cell, and the volume of the region that is included in the cell among the regions of the particles that include a part of the region in the cell, Particle volume calculating means for calculating the sum of
Based on the volume of the cell calculated by the cell volume calculating means and the total volume calculated by the particle volume calculating means, the porosity of the particles is calculated for each of the cells. Calculating means,
The cell includes a first side that is a vertical side of the rectangular area, a second side that is a horizontal side of the rectangular area, and a side perpendicular to the first side and the second side. A parallelepiped defined by a third side having a length of an average diameter calculated by the average particle size calculation unit with respect to the rectangular region, and the third at the center of the third side. The particle presence field analyzer is characterized in that the position in the direction along the side of the particle is set to a position aligned with the center position of the particle in which the positions in the direction along the third side are aligned.
前記平均粒子径算出手段は、前記矩形領域設定手段により設定された複数の矩形領域のそれぞれについて、当該矩形領域に含まれる球状の粒子の長さ平均径を算出することを特徴とする請求項1に記載の粒子存在場解析装置。   The average particle diameter calculating means calculates, for each of a plurality of rectangular areas set by the rectangular area setting means, a length average diameter of spherical particles contained in the rectangular area. The particle presence field analyzer described in 1. 前記空隙率算出手段により算出された粒子の空隙率のそれぞれに、一定値を加算又は減算する空隙率補正手段を更に有することを特徴とする請求項1又は2に記載の粒子存在場解析装置。   3. The particle presence field analysis apparatus according to claim 1, further comprising porosity correction means for adding or subtracting a constant value to each of the particle porosity calculated by the porosity calculation means. 前記粒子が存在する3次元領域における流体解析を、前記空隙率を用いて行う流体解析手段を有することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の粒子存在場解析装置。   The particle presence field analysis apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising fluid analysis means for performing fluid analysis in a three-dimensional region in which the particles exist using the porosity. 前記粒子は、高炉に装入される粒子であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の粒子存在場解析装置。   The particle presence field analyzer according to any one of claims 1 to 4, wherein the particles are particles charged into a blast furnace. 2次元領域における粒子の挙動を、当該粒子の形状を球状として、離散要素法により解析する粒子挙動解析工程と、
前記2次元領域を分割する複数の矩形領域を設定する矩形領域設定工程と、
前記矩形領域設定工程により設定された複数の矩形領域のそれぞれについて、当該矩形領域の中に全ての領域が入っている球状の粒子と、当該矩形領域の中に一部の領域が入っている球状の粒子であって、中心の位置が当該矩形領域の中に含まれている球状の粒子と、の平均径を算出する平均粒子径算出工程と、
前記複数の矩形領域に対応する複数のセルを設定するセル設定工程と、
前記セルの体積をそれぞれ算出するセル体積算出工程と、
前記セルの中に全ての領域が含まれている粒子の体積と、前記セルの中に一部の領域が含まれている粒子の領域のうち当該セルの中に含まれている領域の体積との総和を算出する粒子体積算出工程と、
前記セル体積算出工程により算出された、前記セルの体積と、前記粒子体積算出工程により算出された、前記体積の総和とに基づいて、粒子の空隙率を、前記セルのそれぞれについて算出する空隙率算出工程と、を有し、
前記セルは、前記矩形領域の縦の辺である第1の辺と、前記矩形領域の横の辺である第2の辺と、当該第1の辺及び当該第2の辺に垂直な辺であって、当該矩形領域に対して前記平均粒子径算出工程により算出された平均径の長さを有する第3の辺とにより定められる平行六面体であり、前記第3の辺の中央における当該第3の辺に沿う方向の位置が、当該第3の辺に沿う方向の位置が夫々揃っている前記粒子の中心位置と揃う位置に設定されることを特徴とする粒子存在場解析方法。
A particle behavior analysis step of analyzing the behavior of the particles in a two-dimensional region by making the shape of the particles spherical, by a discrete element method,
A rectangular area setting step for setting a plurality of rectangular areas for dividing the two-dimensional area;
For each of a plurality of rectangular areas set by the rectangular area setting step, spherical particles in which all areas are included in the rectangular area, and spherical areas in which a part of the area is included in the rectangular area An average particle diameter calculating step for calculating an average diameter of the spherical particles whose center position is included in the rectangular region, and
A cell setting step for setting a plurality of cells corresponding to the plurality of rectangular regions;
A cell volume calculating step for calculating the volume of each of the cells;
The volume of the particle that includes all the regions in the cell, and the volume of the region that is included in the cell among the regions of the particles that include a part of the region in the cell, A particle volume calculation step for calculating the sum of
Based on the cell volume calculated by the cell volume calculating step and the total volume calculated by the particle volume calculating step, the porosity of the particles is calculated for each of the cells. A calculation step,
The cell includes a first side that is a vertical side of the rectangular area, a second side that is a horizontal side of the rectangular area, and a side perpendicular to the first side and the second side. A parallelepiped defined by a third side having a length of an average diameter calculated by the average particle size calculation step with respect to the rectangular region, and the third at the center of the third side. The particle presence field analysis method characterized in that the position in the direction along the side of the particle is set to a position aligned with the center position of the particle in which the positions in the direction along the third side are aligned.
前記平均粒子径算出工程は、前記矩形領域設定工程により設定された複数の矩形領域のそれぞれについて、当該矩形領域に含まれる球状の粒子の長さ平均径を算出することを特徴とする請求項6に記載の粒子存在場解析方法。   The average particle diameter calculating step calculates a length average diameter of spherical particles included in the rectangular region for each of the plurality of rectangular regions set by the rectangular region setting step. 2. A particle presence field analysis method described in 1. 前記空隙率算出工程により算出された粒子の空隙率のそれぞれに、一定値を加算又は減算する空隙率補正工程を更に有することを特徴とする請求項6又は7に記載の粒子存在場解析方法。   The particle presence field analysis method according to claim 6 or 7, further comprising a porosity correction step of adding or subtracting a constant value to each of the particle porosity calculated by the porosity calculation step. 前記粒子が存在する3次元領域における流体解析を、前記空隙率を用いて行う流体解析工程を有することを特徴とする請求項6〜8の何れか1項に記載の粒子存在場解析方法。   9. The particle presence field analysis method according to claim 6, further comprising a fluid analysis step of performing fluid analysis in a three-dimensional region where the particles exist using the porosity. 前記粒子は、高炉に装入される粒子であることを特徴とする請求項6〜9の何れか1項に記載の粒子存在場解析方法。   The particle presence field analysis method according to any one of claims 6 to 9, wherein the particles are particles charged into a blast furnace. 請求項1〜5の何れか1項に記載の粒子存在場解析装置の各手段としてコンピュータを機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。   A computer program for causing a computer to function as each means of the particle presence field analyzer according to any one of claims 1 to 5.
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Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CSNC201000295586; '離散要素法と有限体積法の連成による高炉内固気流れの3次元同時解析' 材料とプロセス Vol.23, 200909, 97 *
CSNC201008020712; 'DEMによる固体流れ解析と連続体ガス流れモデルの連成による高炉内解析' 材料とプロセス Vol.22, 200909, 877 *
JPN6013063082; 梅景 俊彦: '焼結層の収縮・空隙形成の数値シミュレーション' 日本機械学会九州支部講演論文集 No.078-1, 20070316, pp.179-180 *
JPN6013063083; 'DEMによる固体流れ解析と連続体ガス流れモデルの連成による高炉内解析' 材料とプロセス Vol.22, 200909, 877 *
JPN6013063085; '離散要素法と有限体積法の連成による高炉内固気流れの3次元同時解析' 材料とプロセス Vol.23, 200909, 97 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110414177A (en) * 2019-08-07 2019-11-05 东北大学 Design method is accumulated based on amendment two-component particle gap interactional between particle

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