CFD-DPM Analysis of Velocity and Pressure Distribution for Selected Agricultural Cereal Grains for Straight Pipe in Pneumatic Conveyor

हवा की अदृश्य नदियों के एक विशाल नेटवर्क की कल्पना करें, जो पानी की नहीं, बल्कि हवा की हैं, जो दुनिया के भोजन को ले जाने के लिए धातु की नलियों के माध्यम से बह रही हैं। यह न्यूमैटिक कन्वेइंग (pneumatic conveying) की वास्तविकता है, एक ऐसी विधि जिसका उपयोग आधुनिक कृषि में गेहूं, मक्का और जौ जैसे थोक अनाज को साइलो से प्रसंस्करण संयंत्रों तक ले जाने के लिए किया जाता है। बेल्ट या बकेट का उपयोग करने के बजाय, ये प्रणालियाँ अनाज को पाइपों के माध्यम से धकेलने या खींचने के लिए शक्तिशाली पंखों (fans) पर निर्भर करती हैं, जो बड़ी मात्रा में सामग्री के परिवहन का एक स्वच्छ और अधिक लचीला तरीका प्रदान करती हैं। हालाँकि, जिस तरह एक नदी चिकने पत्थरों के ऊपर अलग तरह से बहती है और नुकीले पत्थरों के ऊपर अलग तरह से, वैसे ही हवा भी उन अनाजों के आकार और आकार के आधार पर अलग तरह से चलती है जिन्हें वह ले जा रही है। जबकि इंजीनियर लंबे समय से थोक सामग्री को चलाने की बुनियादी बातों को समझते रहे हैं, विभिन्न अनाज समूहों—विशेष रूप से अद्वितीय भौतिक गुणों वाले अनाजों—का विशिष्ट व्यवहार एक जटिल पहेली बना हुआ है। यदि हवा बहुत धीमी चलती है, तो अनाज गिर जाता है और पाइप जाम हो जाता है; यदि यह बहुत तेज़ चलती है, तो अनाज टूट जाता है या सिस्टम ऊर्जा बर्बाद करता है। एक सीधे पाइप के भीतर विभिन्न अनाजों की हवा के साथ सटीक रूप से कैसे अंतःक्रिया होती है, इसे समझना कुशल प्रणालियों को डिजाइन करने के लिए आवश्यक है जो बर्बादी और ऊर्जा के उपयोग को कम करती हैं।

हाल ही में एक अध्ययन में, इथियोपिया के डिला यूनिवर्सिटी के एक शोधकर्ता ने पांच अलग-अलग अनाज: तेफ (teff), गेहूं, मक्का, ज्वार (sorghum) और जौ की तुलना करके इस पहेली के एक विशिष्ट हिस्से को हल करने का प्रयास किया। लक्ष्य यह देखना था कि जब इन अनाजों को समान परिस्थितियों में एक ही सीधे पाइप के माध्यम से धकेला जाता है, तो वे कैसे व्यवहार करते हैं। इसे करने के लिए, शोधकर्ता ने एक वास्तविक दुनिया के सिस्टम का डिजिटल जुड़वां (digital twin) बनाने के लिए एक परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, न कि एक भौतिक पाइप बनाया और हजारों टन अनाज उसमें चलाया। 'कंप्यूटेशनल फ्लूइड डायनेमिक्स कप्लड विद अ डिस्क्रीट फेज मॉडल' (computational fluid dynamics coupled with a discrete phase model) नामक इस विधि ने उन्हें काम कर रही अदृश्य ताकतों को देखने की अनुमति दी। कंप्यूटर ने गणना की कि लाखों व्यक्तिगत अनाज कण कैसे चलते हैं, पाइप की दीवारों से कैसे टकराते हैं, और बहती हवा के साथ कैसे अंतःक्रिया करते हैं, और उनकी गति, उनके द्वारा बनाए गए दबाव और पाइप की लंबाई तय करने में लगने वाले समय को ट्रैक किया।

अध्ययन ने एक सीधे पाइप पर ध्यान केंद्रित किया जिसका व्यास 71 मिलीमीटर और लंबाई 4 मीटर थी। सिमुलेशन ने अनाज का परीक्षण हवा की गति 25 मीटर प्रति सेकंड पर किया, जो ऐसे सिस्टम के लिए एक मानक वेग है। परिणामों ने एक चौंकाने वाला सच उजागर किया: भले ही अनाज बिल्कुल एक ही पाइप से एक ही गति से गुजर रहे थे, लेकिन वे एक जैसा व्यवहार नहीं कर रहे थे। सबसे आश्चर्यजनक खोज तेफ के इर्द-गिर्द केंद्रित थी, जो इथियोपिया का एक छोटा अनाज है जिसने अपने पोषण संबंधी मूल्य के लिए वैश्विक लोकप्रियता हासिल की है। अन्य अनाजों के समान घनत्व होने के बावजूद, तेफ को चलाना सबसे कठिन साबित हुआ। सिमुलेशन ने दिखाया कि तेफ ने उच्चतम दबाव गिरावट (pressure drop) उत्पन्न की, जिसका अर्थ है कि हवा को इसे धकेलने के लिए सबसे अधिक मेहनत करनी पड़ी। पाइप के क्षैतिज भाग में, तेफ ने 1,087.88 पास्कल का दबाव ड्रॉप उत्पन्न किया, और ऊर्ध्वाधर (vertical) भाग में, यह 1,184.11 पास्कल तक पहुँच गया। यह प्रतिरोध अन्य अनाजों की तुलना में काफी अधिक था।

इस संघर्ष का कारण अनाज का भौतिक स्वरूप है। तेफ असाधारण रूप से छोटा है, जिसका औसत व्यास केवल 0.86 मिलीमीटर है। क्योंकि कण इतने छोटे हैं, अनाज के एक निश्चित वजन में उनकी संख्या बहुत अधिक है, जिससे एक विशाल कुल सतह क्षेत्र बनता है जो हवा के विरुद्ध रगड़ खाता है। यह तीव्र घर्षण और ड्रैग (drag) पैदा करता है, जिससे हवा को अनाज को निलंबित रखने के लिए अधिक ऊर्जा खोनी पड़ती है। इसके विपरीत, मक्का, जिसके कण बहुत बड़े 7.91 मिलीमीटर के हैं, सबसे कम प्रतिरोध के साथ चला, जिसे परिवहन के लिए सबसे कम दबाव की आवश्यकता थी। ज्वार (sorghum) ने भी बहुत अच्छा प्रदर्शन किया, जिसे परीक्षण किए गए सभी अनाजों में सबसे कम ऊर्जा की आवश्यकता थी, क्षैतिज पाइप में केवल 813.21 पास्कल का दबाव ड्रॉप देखा गया। यह दक्षता इसके आकार के कारण थी; ज्वार के दाने लगभग गोलाकार होते हैं, जिससे वे न्यूनतम विक्षोभ (turbulence) के साथ हवा में लुढ़कने और फिसलने में सक्षम होते हैं।

अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि अनाज का आकार उसके आकार (size) जितना ही महत्वपूर्ण है। जौ, जिसमें समूह का सबसे कम घनत्व है, आश्चर्यजनक रूप से भारी मक्का की तुलना में अधिक ऊर्जा की मांग करता था। ऐसा इसलिए था क्योंकि जौ के दाने अनियमित और कोणीय हैं, जिनका "गोलाई स्कोर" (sphericity score) कम है। ये नुकीले आकार हवा के सुचारू प्रवाह को बाधित करते हैं, विक्षोभ पैदा करते हैं और ड्रैग बढ़ाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक चपटा पत्थर पानी पर गोल पत्थर की तुलना में अलग तरह से उछलता है। गेहूं बीच में कहीं था, जिसने मध्यम आकार और आकार के अनुरूप मध्यम प्रतिरोध दिखाया। सिमुलेशन ने पुष्टि की कि जबकि अनाजों का घनत्व अपेक्षाकृत समान था, कणों के आकार और आकृति में अंतर ही प्रमुख कारक थे जो यह निर्धारित करते थे कि सिस्टम को कितनी ऊर्जा की आवश्यकता थी।

जब शोधकर्ता ने प्रवाह की स्थिरता को देखा, तो डेटा ने दिखाया कि तेफ और जौ क्षैतिज वेग परिवर्तनों के संबंध में सबसे स्थिर प्रदर्शन साझा करते हैं, दोनों में 3.4% की बहुत कम परिवर्तनशीलता देखी गई। हालांकि, यह निरंतरता तेफ के लिए उच्च ऊर्जा मांग की कीमत पर आई। ज्वार, जो सबसे ऊर्जा-कुशल है, ऊर्ध्वाधर दबाव गिरावट में उच्चतम परिवर्तनशीलता (13.3%) दिखा रहा था, जो यह सुझाव देता है कि इसका प्रवाह सिस्टम में छोटे बदलावों के प्रति अधिक संवेदनशील हो सकता है। अध्ययन में तेफ के आटे का भी परीक्षण किया गया, जो साबुत अनाज से भी महीन है, और पाया गया कि इसके सूक्ष्म कणों ने हवा के साथ और भी मजबूत अंतःक्रिया की, जिससे प्रतिरोध और बढ़ गया।

अंततः, यह शोध प्रदर्शित करता है कि अनाज के प्रकार के लिए एक ही डिज़ाइन वाला अनाज वाहक (conveyor) हर किसी के लिए पूरी तरह से काम नहीं कर सकता है। यह धारणा कि सभी अनाज समान व्यवहार करते हैं, गलत है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि इंजीनियरों को अपने सिस्टम को उस विशिष्ट अनाज के भौतिक गुणों के अनुसार तैयार करना चाहिए जिसे वे ले जाना चाहते हैं। तेफ जैसे अनाज के लिए, जिसका आकार बहुत छोटा और प्रतिरोध अधिक है, सिस्टम को अधिक शक्तिशाली पंखों और सावधानीपूर्ण दबाव प्रबंधन की आवश्यकता होती है ताकि रुकावट और ऊर्जा की बर्बादी से बचा जा सके। ज्वार जैसे बड़े, गोल दानों के लिए, सिस्टम अधिक सहज हो सकता है। इन बारीकियों को समझकर, डिजाइनर अधिक कुशल, लागत प्रभावी और विश्वसनीय सिस्टम बना सकते हैं जो उस भोजन के अद्वितीय स्वभाव का सम्मान करते हैं जिसे वे ले जाते हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि सबसे छोटे तेफ बीज से लेकर मक्के के सबसे बड़े दाने तक सब कुछ न्यूनतम नुकसान के साथ अपने गंतव्य तक पहुँच जाए।