Modeling of Pressure Drop Due to 90o Bends in Positive Dilute Phase Pneumatic Teff Grain Conveyor

في عالم نقل المواد السائبة، غالبًا ما تُحدد الطريقة التي تسلكها المادة عبر الأنابيب بواسطة الهواء الذي يدفعها. وتُعد هذه الطريقة، المعروفة باسم النقل الهوائي، ممارسة صناعية قياسية لنقل المواد الجافة والحبيبية مثل الحبوب، أو الرمل، أو حبيبات البلاستيك. وبدلاً من استخدام السيور الميكانيكية أو البراغي، تعتمد هذه الأنظمة على تيار من الهواء لحمل الجزيئات من نقطة إلى أخرى. وتعتمد كفاءة مثل هذا النظام بشكل كبير على مقدار الطاقة المطلوبة لإبقاء الهواء متحركًا والجزيئات معلقة. وبينما تتحرك الحبوب والهواء، فإنهما يواجهان مقاومة، والتي تظهر في شكل انخفاض في الضغط. وهذا الفقد في الضغط هو التكلفة الأساسية للتشغيل؛ فكلما زاد فقد الضغط، زادت قوة المنفاخ المطلوبة، وزاد استهلاك الكهرباء في النظام. وبينما تخلق الأجزاء المستقيمة من الأنابيب قدرًا يمكن التنبؤ به من المقاومة، فإن الأماكن التي تنعطف فيها الأنابيب تعد صعبة للغاية. فعندما يصطدم التدفق بمنحنى، ترتطم الجزي particles بالجدار الخارجي، ويدور الهواء، مما يخلق ارتفاعًا مفاجئًا في المقاومة يجب على المهندسين مراعاته لتصميم نظام يعمل دون إهدار للطاقة.

يركز هذا البحث على نوع معين من الحبوب الذي يعد ركيزة أساسية في نظام التغذية لملايين الأشخاص في إثيوبيا، وهو "التيف" (teff). وتتميز هذه الحبوب الصغيرة الغنية بالعناصر الغذائية بصعوبة التعامل معها بسبب حجمها الصغير وطريقة سلوكها عند تحريكها. وبينما تعتبر أنظمة النقل الهوائي ممتازة لنقل المواد الناعمة والجافة، فإن الخصائص الفريدة لحبوب التيف تعني أن القواعد القياسية للحبوب الأخرى قد لا تنطبق عليها تمامًا. وقد هدفت الدراسة، التي أجراها باحثون في جامعة ديلا (Dilla University)، إلى فهم مقدار الضغط المفقود بالضبط عندما يتم دفع حبوب التيف عبر منعطف بزاوية 90 درجة في أنبوب. وكان الباحثون مهتمين بشكل خاص بما إذا كان اتجاه المنعطف يؤثر على النتيجة. ففي المصنع الواقعي، قد تنعطف الأنابيب للأعلى، أو للأسفل، أو جانبًا، وغالبًا ما يقلق المهندسون من أن المنعطف الرأسي قد يكون أصعب على النظام من المنعطف الأفقي. ولإيجاد الإجابة، قام الفريق ببناء منصة اختبار فيزيائية ونموذج حاسوبي افتراضي لمراقبة حركة الحبوب تحت ظروف مختلفة.

تضمنت التجارب الفيزيائية حلقة من الأنابيب بها منفاخ في أحد طرفيها ونظام تجميع في الطرف الآخر. واختبر الباحثون حجمين مختلفين من الأنابيب، أحدهما بقطر 46 مليمترًا والآخر بقطر 71 مليمترًا، لمعرفة ما إذا كان حجم الأنبوب يغير النتيجة. وقاموا بدفع الهواء عبر هذه الأنابيب بسرعات مختلفة، تراوحت من 12 مترًا في الثانية إلى 28 مترًا في الثانية، مع تغذية كميات مختلفة من حبوب التيف في التيار في آن واحد. وفحصوا خمس طرق متميزة يمكن أن ينحني بها الأنبوب: منعطف من أفقي إلى أفقي، ومن أفقي إلى رأسي للأعلى، ومن أفقي إلى رأسي للأسفل، بالإضافة إلى نوعين من المنعطفات من رأسي إلى أفقي. وباستخدام أدوات رقمية دقيقة، قاموا بقياس فرق الضغط بين الهواء الداخل إلى المنعطف والهواء الخارج منه. وهذا الفرق في الضغط هو المقياس المباشر لكمية الطاقة التي فقدها النظام لمجرد إيصال الحبوب حول الزاوية.

ولاستكمال الاختبارات الفيزيائية، أنشأ الباحثون محاكاة حاسوبية ثلاثية الأبعاد مفصلة. استخدم هذا النموذج الافتراضي طريقة تسمى "نموذج الطور المنفصل" (discrete phase model)، والتي تعامل الهواء كسائل مستمر بينما تتبع مسار كل حبة من حبوب التيف أثناء حركتها فيه. وقد سمح هذا النهج لهم بتصور كيفية ارتداد الحبوب عن الجدران وكيفية دوران الهواء داخل المنعطف. وأجروا هذه المحاكاة بنفس أحجام الأنابيب وسرعات الهواء وكميات الحبوب المستخدمة في المختبر. وكان الهدف هو معرفة ما إذا كان الحاسوب يستطيع التنبؤ بفقد الضغط في العالم الحقيقي بدقة كافية لاستبدال أو تقليل الحاجة إلى الاختبارات الفيزيائية المكلفة في المستقبل. كما طوروا أيضًا أداة رياضية أبسط، تُعرف باسم "نموذج التوسع" (scale-up model)، والذي يستخدم صيغًا هندسية أساسية لتقدير فقد الضغط بناءً على سرعة الهواء ووزن الحبوب، وهي طريقة تُستخدم غالبًا عندما تكون الحسابات السريعة مطلوبة.

كشفت النتائج من التجارب الفيزيائية عن اكتشاف عملي ومثير للدهشة: اتجاه المنعطف لم يكن مهمًا. وسواء انعطف الأنبوب للأعلى، أو للأسفل، أو جانبًا، فإن فقد الضغط كان متماثلاً من الناحية الإحصائية. وأظهرت البيانات أن توجه المنعطف بزاوية 90 درجة لم يكن له تأثير معنوي على مقدار الطاقة المطلوبة لتحريك حبوب التيف خلاله. ويشير هذا إلى أن المهندسين الذين يصممون هذه الأنظمة ليسوا بحاجة للقلق بشأن التخطيط المحدد للمنعطف لتقليل تكاليف الطاقة؛ فالدوران للأعلى يكلف مثل الدوران للأسفل. كما أكدت الدراسة أنه كلما تحرك الهواء بشكل أسرع أو تمت إضافة المزيد من الحبوب إلى الأنبوب، زاد فقد الضغط، وهو سلوك متوقع، لكن شكل المنعطف نفسه لم يكن متغيرًا يغير النتيجة.

وعندما قارن الباحثون محاكاتهم الحاسوبية بالقياسات الفيزيائية، أثبت النموذج الافتراضي موثوقيته العالية. فقد طابقت تنبؤات الحاسوب البيانات الواقعية بدرجة عالية جدًا من الدقة، حيث التقطت تفاصيل التدفق بارتباط يكاد يكون مثاليًا. وفي المقابل، فإن نموذج التوسع الأبسط، رغم كونه متسقًا رياضيًا، مال إلى المبالغة في تقدير فقد الضغط؛ فقد توقع أن النظام سيتطلب طاقة أكثر مما يتطلبه في الواقع. ويشير هذا إلى أنه بينما يمكن للصيغ البسيطة أن تعطي فكرة عامة، فإن المحاكاة الحاسوبية الأكثر تعقيدًا توفر صورة أكثر صدقًا لما يحدث داخل الأنبوب. وتخلص الدراسة إلى أنه بالنسبة لحبوب التيف، فإن الطريقة الأكثر كفاءة للتنبؤ بفقد الطاقة في المنعطف هي استخدام المحاكاة الحاسوبية المفصلة، ويمكن للمصممين تجاهل الاتجاه المحدد للمنعطف بأمان عند التخطيط لتخطيطات خطوط الأنابيب الخاصة بهم. وتساعد هذه الوضوح في بناء أنظمة أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة لمعاللة هذا المحصول الحيوي، مما يضمن انتقال الحبوب بسلاسة من المزرعة إلى المطحنة دون هدر غير ضروري.