Development of a new simulation method analyzing the grinding behavior under wet ball milling

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K14525
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 久志本 築 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (10846439)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 粉体シミュレーション / ADEM-CFD / 湿式ボールミル / 超微粉砕 / 粉砕限界 / 再凝集

Outline of Annual Research Achievements

湿式ボールミルにはナノレベルの粒子径まで粉砕することが望まれているが、いまだその実現には至っていない。これは、粉砕限界および再凝集といった粒子スケールの現象を実験から解析することは難しいためである。そこで本研究では、湿式ボールミル中の粒子スケールの現象を解析可能とする新規シミュレーション手法の開発を行っている。今年度は、その第一段階として、既存のシミュレーション手法を調査し、ベースとして適当なシミュレーション手法を検討した。本研究では、粉砕限界のような粒子の粉砕挙動に関する現象と、再凝集のような粒子の分散・凝集挙動に関する現象の二つを同時に扱う必要がある。湿式ボールミル中の粒子の粉砕挙動は、粒子の強度および粒子の変形・破壊挙動に加え、それら現象が液中で起こることも加えて考慮する必要がある。こうした粒子挙動を表現可能なモデルとしては、我々が独自に開発したAdvanced discrete element method coupling with computational fluid dynamics (ADEM-CFD)モデルがある。このモデルは一つの粒子を微小な一次粒子で構成される集合体とみなし、それら一次粒子同士を連結ばねで接続することで粒子の変形・破壊挙動を、連結ばねのばね定数により粒子の強度をそれぞれモデル化し、さらに、粒子・流体間相互作用をDEM-CFDカップリングモデルに基づき与えることで、液体中での粒子の粉砕挙動を表現可能とする。一方、粒子の分散・凝集挙動は、DLVO理論に基づく分散・凝集力とし、静電気力とvan der Waals力をそれぞれ考慮することで表現可能と考えられた。したがって、これら分散・凝集力をADEM-CFDモデルで表現される粒子間に作用させることで、湿式ボールミル中で起こる粉砕限界、再凝集現象を解析可能にできることがわかった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

昨年度は2022年5月から2023年3月まだ海外出張により国内で滞在する期間が例年よりかなり短かったため、本研究の進捗はやや遅れている。

Strategy for Future Research Activity

今年度は昨年度に調査したシミュレーションモデルを組み合わせ、湿式ボールミル中で運動する媒体ボール間の粒子の粉砕挙動および分散・凝集挙動を表現可能とする。その後、本シミュレーション手法の妥当性を確認するために、媒体ボール周りの砕料粒子挙動が十分に表現できていることをモデル実験との比較から確認する。このモデル実験では、2つの媒体ボールが接近、衝突、離反を繰り返す機構を用意し、その媒体ボール周りで運動する粒子挙動を観察する。このとき、粒子の密度や粒子径、分散媒の粘度を変更し、Reynolds数およびStokes数を変化させる。粒子挙動の解析には、高速度カメラで撮影した粒子像をParticle Image Velocimetry (PIV)もしくはParticle Tracking Velocimetry (PTV)により解析することで粒子の速度分布を求める。このようにしてもとめた粒子の速度分布をシミュレーションと比較することで、媒体ボール周りの粒子の運動が十分に表現できていることを確認し、シミュレーションの妥当性を示す。

Causes of Carryover

昨年度は2022年5月から2023年3月まで海外出張のためほとんど国内におらず、研究の実施自体が困難であったため次年度使用額が生じた。本年度は昨年度購入を予定していた高輝度レーザーとシミュレーションに用いる計算機およびPCパーツ類の購入を予定している。