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

目に見えない川、それは水の流れではなく、世界の食料を運ぶために金属製の管の中を駆け抜ける空気の流れである。これは空気輸送（ニューマチック・コンベイング）の現実であり、小麦、トウモロコリ、大麦といった大量の穀物をサイロから加工工場へと移動させるために現代農業で使用されている手法である。ベルトやバケットを使用する代わりに、これらのシステムは強力なファンを利用して、パイプを通じて穀物を押し出したり引き寄せたりする。これにより、大量の物質を輸送するための、より清潔で柔軟な方法を提供している。しかし、川の流れが滑らかな石の上を流れるときと、尖った岩の上を流れるときで異なるように、空気は運ぶ粒子の形状やサイズによって動き方が変わる。エンジニアたちは大量の物資を移動させる基本については古くから理解しているが、さまざまな穀物、特に独特の物理的特性を持つ穀物の具体的な挙動は、依然として複雑なパズルである。空気が遅すぎると、穀物が落下してパイプが詰まり、速すぎると、穀物が砕けたりシステムがエネルギーを浪費したりする。異なる穀物が直管内の空気とどのように相互作用するかを正確に理解することは、無駄やエネルギー消費を最小限に抑える効率的なシステムを設計するために不可欠である。

最近の研究において、エチオピアのディラ大学の研究者は、5種類の異なる穀物（テフ、小麦、トウモロコシ、ソルガム、大麦）を比較することで、このパズルの特定の部分を解決しようと試みた。目標は、これらの穀物が同一の条件下で同じ直管を通される際にどのように振る舞うかを確認することであった。そのために、研究者は物理的なパイプを建設し、何千トンもの穀物を流すことはしなかった。代わりに、彼は高度なコンピュータ・シミュレーション、すなわち実世界のシステムの「デジタルツイン」を使用した。計算流体力学（CFD）と離散要素法（DEM）を組み合わせたこの手法により、彼は目に見えない力の働きを可視化することができた。コンピュータは、何百万もの個々の穀子粒子がどのように動き、パイプの壁に衝突し、流れる空気とどのように相互作用するかを計算し、その速度、発生する圧力、そしてパイブルの長さを移動するのにかかる時間を追跡した。

研究は、直径71ミリメートル、長さ4メートルの直管に焦点を当てた。シミュレーションでは、このようなシステムにおける標準的な速度である秒速25メートルの風速で、穀物のテストを行った。結果は驚くべき真実を明らかにした。たとえ同じパイプの中を同じ速度で移動していたとしても、穀物は同じようには振る舞わなかったのである。最も驚くべき発見は、栄養価の高さから世界的に人気が高まっている、エチオピア原産の極めて小さな穀物である「テフ」に関するものであった。テフは他の穀物と同様の密度を持っているにもかかわらず、最も移動させるのが難しいことが判明した。シミュレーションによれば、テフは最も高い圧力損失を引き起こしており、これは、テフを押し通すために空気が最も多くの仕事をしなければならないことを意味している。水平部分のパイプにおいて、テフは1,087.88パスカルの圧力損失を生じさせ、垂直部分では1,184.11パスカルに達した。この抵抗は、他の穀物よりも著しく高かった。

この苦戦の理由は、粒子の物理的な形態にある。テフは非常に小さく、平均直径はわずか0.86ミリメートルである。粒子が非常に小さいため、一定の重量の穀物の中に含まれる粒子の数が極めて多くなり、空気に対して摩擦を生じる総表面積が膨大になる。これが激しい摩擦とドラッグ（抗力）を生み出し、穀物を浮遊状態に保つために空気がより多くのエネルギーを失う原因となる。対照的に、粒径がはるかに大きいトウモロコシ（7.91ミリメートル）は、最も抵抗が少なく、輸送に必要な圧力が最も低かった。ソルガムも非常に優れた性能を示し、テストされた全穀物の中で最も少ないエネルギー、すなわち水平パイプでの圧力損失わずか813.21パスカルで移動できた。この効率性は、その形状に起因している。ソルガムの粒子はほぼ球形であるため、乱流を最小限に抑えながら空気の中を転がり、滑るように進むことができる。

また、研究は粒子の形状がサイズと同じくらい重要であることを強調した。グループの中で最も密度が低い大麦は、意外にも重いトウモロコシよりも多くのエネルギーを必要とした。これは、大麦の粒子が不規則で角張っており、「球形度（スフェリシティ）」のスコアが低いためである。これらの尖った形状は滑らかな空気の流れを乱し、水の上を跳ねる平らな石が丸い石とは異なる動きをするように、乱流を生じさせドラッグを増大させる。小麦はその中間的な位置にあり、その適度なサイズと形状に見合った中間的な抵抗を示した。シミュレーションは、穀物の密度は比較的似通っているものの、粒子のサイズと形状の違いが、システムが必要とするエネルギーを決定する支配的な要因であることを裏付けた。

研究者が流れの安定性に注目すると、データによれば、テフと大麦は水平方向の速度変化に関して最も安定した性能を共有しており、ともに3.4%という非常に低い変動性を示した。しかし、この一貫性は、テフにとっては高いエネルギー需要という代償を伴うものであった。ソルガムは最もエネルギー効率が高い一方で、垂直方向の圧力降下において最も高い変動性（13.3%）を示しており、その流れがシステムの小さな変化に対してより敏感である可能性を示唆している。研究では、テフの粉（テフ・フラワー）についても調査が行われたが、これは全粒よりもさらに細かく、その極小の粒子が空気とのより強力な相互作用を生み出し、抵抗をさらに増大させることが分かった。

結局のところ、この研究は、単一の設計による穀物コンベアがすべての種類のシビイに対して完璧に機能することはないということを示している。「すべての穀物は同様に振る舞う」という仮定は誤りである。本研究は、エンジニアが移動させる予定の特定の穀物の物理的特性に合わせて、システムをカスタマイズしなければならないと結論づけている。テフのような、極めて小さく抵抗が高い穀物の場合、システムには、詰まりやエネルギーの浪費を避けるために、より強力なファンと慎重な圧力管理が必要となる。ソルガムのような、より大きく丸い穀物の場合は、システムをより緩やかな設定にすることができる。こうした細かな差異を理解することで、設計者は、最小のテフの種から最大のトウモロコシの粒に至るまで、あらゆる食料が最小限の損失で目的地に届くよう、それぞれの特性を尊重した、より効率的でコスト効率が高く、信頼性の高いシステムを構築することができるのである。