Simulazione fluidodinamica - CFD nelle miniere: dall'accademia alla pratica

L'uso della simulazione nell'industria mineraria consente miglioramenti significativi nei processi e nelle attrezzature, in modo che i professionisti del settore possano sviluppare, verificare e implementare nuove tecnologie specializzate relative all'innovazione dei processi, all'efficienza operativa, alla manutenzione, alle migliori pratiche, alla sicurezza e allo sviluppo sostenibile.

I ricercatori del Laboratorio di Tecnologia Minerale (LTM) dell'Università Federale di Rio de Janeiro (UFRJ), Brasile, utilizzano il software di simulazione fluidodinamica Ansys Fluent per svolgere ricerche nel settore minerario. L'obiettivo è quello di modellare i processi di movimentazione e lavorazione dei materiali solidi, partecipando a progetti in collaborazione con le grandi industrie minerarie e metallurgiche del Brasile.

Licenza accademica per le soluzioni Ansys 

I ricercatori utilizzano Ansys Fluent per effettuare esperimenti che combinano la fluidodinamica computazionale (CFD) e la modellazione a fasi discrete (DPM) per migliorare la capacità di simulazione dei sistemi di movimentazione del minerale e di altri prodotti simili, nonché per simulare i processi di macinazione.

Ansys Fluent è il software leader nel campo della fluidodinamica, con funzionalità avanzate per la modellazione di flussi laminari e turbolenti, nonché di fisica più complessa, tra cui flussi multifase, reazioni chimiche, radiazioni e dinamica delle particelle. Il laboratorio di tecnologia minerale dispone della licenza Ansys Academic Research CFD, che offre condizioni speciali a ricercatori e università.

ESSS e Ansys hanno una serie di prodotti rivolti specificamente a insegnanti e ricercatori che desiderano utilizzare la tecnologia Ansys per scopi didattici:

• Risolvere problemi didattici adatti alla classe
• Creare il proprio Laboratorio Virtuale per integrare le pratiche di laboratorio reali
• Unire la teoria e la pratica della simulazione al computer e della 
• Formare ricercatori abituati all'uso di tecnologie ad alte prestazioni

Il programma di partnership di ESSS con le università mira a diffondere l'uso di strumenti di simulazione CAE (Computer Aided Engineering) nella vita accademica dei futuri professionisti della tecnologia. In questo modo, la simulazione entra a far parte delle conoscenze degli ingegneri all'inizio della loro carriera, rendendoli più adatti al mercato del lavoro e incoraggiando l'innovazione tecnologica. 

Progetti minerari sviluppati da LTM con Ansys Fluent

Simulazione del flusso d'aria su un cumulo di scorte

In questo caso, le simulazioni CFD vengono utilizzate per studiare la velocità, la pressione e la turbolenza dell'aria in prossimità e sopra i cumuli e vengono generati risultati chiave per lo sviluppo di modelli di previsione. Uno dei principali meccanismi utilizzati è l'emissione di particolato dai cumuli di stoccaggio nei piazzali degli impianti di trattamento minerario.

Simulazione delle emissioni di particolato durante lo scarico del nastro trasportatore

L'obiettivo di questo studio è l'emissione di particolato durante lo scarico dei nastri trasportatori. Il meccanismo è complesso, ma può essere simulato utilizzando il modello di accoppiamento CFD-DPM. La metodologia CFD risolve il comportamento del flusso d'aria, mentre la metodologia DPM permette di seguire il movimento delle particelle durante la caduta, il modo in cui interagiscono con l'aria per prevedere l'emissione di particolato.

Fig.1: Timelapse dello scarico di pellet di minerale di ferro che generano emissioni di particolato. I punti blu rappresentano il particolato (< 100 m) e i punti rossi i pellet di minerale di ferro.

Simulazione dell'elutriazione dei fini in un forno a riduzione diretta

I pellet di minerale di ferro vengono alimentati in forni a riduzione diretta dove possono subire una degradazione meccanica durante il processo, generando particelle fini che riducono il rendimento del processo e la qualità del prodotto. Le simulazioni CFD sono utilizzate per studiare il flusso d'aria e le perdite di carico all'interno del forno. Il flusso multifase viene risolto utilizzando la metodologia della Kinetic Theory of Granular Fluids (KTGF), che consente di prevedere lo scambio di quantità di moto tra le fasi e il comportamento dei fini.

Simulazione del degrado meccanico dei pellet di minerale di ferro

Questo progetto utilizza simulazioni CFD-DEM accoppiate, insieme a modelli di abrasione e rottura, per prevedere il degrado meccanico subito dai pellet di minerale di ferro durante la movimentazione. Simulazione del test di degradazione meccanica utilizzato negli impianti di trattamento del minerale per prevedere la degradazione del pellet.

Simulazione del trasporto della pasta all'interno dei mulini

Per questa ricerca è stata utilizzata la simulazione per studiare il comportamento della pasta in diversi tipi di mulini.  I risultati ottenuti vengono utilizzati per descrivere l'effetto della classificazione sui modelli attualmente in fase di sviluppo per gli impianti di macinazione.

Simulazione del limite di velocità nella galleria del vento

Questo studio permette di conoscere la velocità limite con cui le piccole particelle vengono trascinate nell'aria, generando emissioni di particolato. Le simulazioni accoppiate CFD-DEM consentono di studiare il comportamento di piccole particelle su una superficie composta da particelle di grandi dimensioni.