Resumen del proyecto

El proyecto de investigación “Estudio del comportamiento estructural de silos de pared ondulada mediante Modelos de Elementos Discretos (SILODEM)” se ha centrado en el estudio del rozamiento de los materiales granulares con paredes onduladas en silos. Los resultados experimentales realizados han mostrado que el factor de contacto con la pared propuesto por el Eurocódigo para calcular el rozamiento en paredes corrugadas no se corresponde con el obtenido experimentalmente en los materiales ensayados. Estas diferencias se pueden deber a la forma y distribución del tamaño de las partículas correspondientes. Los ensayos experimentales también han demostrado que los coeficientes de sobrepresión obtenidos en la parte inferior de la maqueta durante el vaciado eran significativamente inferiores a los registrados en la parte superior. Por otro lado, las simulaciones numéricas realizadas con Elementos Discretos han demostrado que la geometría de la ondulación afecta significativamente al coeficiente de rozamiento efectivo con la pared, y por lo tanto también al coeficiente de rozamiento efectivo. Así, cuanto mayor es la profundidad de la ondulación, mayor es el coeficiente de rozamiento obtenido. También se observa una cierta influencia en la longitud del paso de la onda, pero con menor incidencia. Así mismo, se ha observado que en comparación con las paredes lisas, la rugosidad de la pared produce un aumento generalizado en el rozamiento, lo cual se refleja en una cierta tendencia a una mayor velocidad de las partículas durante el vaciado y, por lo tanto, a mayores tasas de descarga del material, si bien las diferencias no son estadísticamente significativas.

Equipo de investigación:

Investigadores principales:

Eutiquio Gallego Vázquez. Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Madrid. Grupo EIPIRMA/BIPREE

Francisco Ayuga Téllez. Catedrático de la Universidad Politécnica de Madrid. Grupo EIPIRMA/BIPREE

Miembros del equipo:

Ana Isabel García García. Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Madrid. Grupo EIPIRMA/BIPREE

Esperanza Ayuga Téllez. Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Madrid. Grupo EIPIRMA/BIPREE

José María Fuentes Pardo. Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Madrid. Grupo EIPIRMA/BIPREE

Manuel Moya Ignacio. Profesor Titular de la Universidad de Extremadura. Grupo de Investigación Forestal

Equipo de trabajo

Joanna Wiacek. Assistant professor. Institute of Agrophysics of Polish Academy of Sciences. Department of Physical Properties of Plant Materials.

José Ramón Villar García. ProfesorContratado Doctor de la Universidad de Extremadura. Grupo de Investigación Forestal.

Marcos Andrés Madrid. Investigador Adjunto. [IFLYSIB] Instituto de Fisica de Liquidos ySistemas Biológicos. [CCT La Plata] Centro Cientifico Tecnologico Conicet- La Plata. [CONICET] Consejo Nacional De Investigaciones Cientificas Y Tecnicas.

Adriano Pinilla Pérez. Ingeniero Agrónomo en TRAGSATEC. Estudiante de doctorado.

Ana Grande Gutierrez. Profesor Ayudante de la Universidad Politécnica de Madrid. Grupo EIPIRMA/BIPREE. Estudiante de doctorado.

Actividades realizadas y resultados alcanzados:

Actividad 1: Design and construction of silo model

Se ha desarrollado una maqueta de silo con caras transparentes, y paredes corrugadas situadas en los laterales

formada por dos módulos verticales independientes y una boca de salida con forma variable (Figura 2). También se ha diseñado el sistema de sujeción de los sensores

que permite garantizar la correcta medición de las fuerzas normales o de rozamiento por el sensor correspondiente, sin que se produzcan interferencias en las mediciones. Las diferentes configuraciones de la boca de salida se han adoptado a partir de los estudios preliminares que se realizaron, y que se refieren en el artículo publicado (Gallego et al., 2022). La estructura de sujeción de todo el conjunto de elementos está formada por perfiles de aluminio ranurado,

con un sistema de sujeción que permite el ajuste en las tres direcciones de la estructura para facilitar el acoplamiento de los diferentes módulos, y el fácil reemplazo de los elementos necesarios. Con ello se pretende poder ajustar las distancias de forma que se independicen las mediciones en cada módulo, pero a la vez con la mínima distancia posible entre los mismos para evitar interferencias de los materiales almacenados. Por otro lado, se observó que con algunos materiales se quedaban incrustadas algunas partículas en el hueco existente entre el panel de medición lateral y el resto de la maqueta que afectaban a la medición de las fuerzas de rozamiento, por lo que se diseñó un sistema para evitar este problema.

El efecto de esta modificación se calibró de forma independiente para ajustar las mediciones.

Actividad 2: Determination of mechanical properties for granular materials

En primer lugar, se procedió a seleccionar varios materiales (pellets de madera y plástico, maíz y trigo) que presentaran una forma de partícula diferente, y con distintos usos, para su posterior ensayo experimental y simulación numérica.

A continuación, el equipo de la Universidad de Extremadura ha llevado a cabo diferentes ensayos de determinación de propiedades mecánicas de los materiales a nivel volumétrico: densidad aparente, corte directo, triaxial y edométrico. Los resultados obtenidos se han publicado en Moya et al. (2022; 2024). Por otro lado, el equipo de la UPM ha llevado a cabo la determinación de las propiedades de algunas de las partículas a ensayar, que no habían sido previamente determinadas, para el posterior desarrollo de los modelos numéricos: densidad de la partícula, coeficientes de rozamiento partícula – partícula y partícula – pared, coeficientes de restitución partícula – partícula y partícula – pared, y módulo de elasticidad. Estos trabajos han dado lugar a la publicación del artículo Gallego et al. (2020). Esta actividad ha dado lugar a la consecución del objetivo 3.han publicado en Moya et al. (2022; 2024). Por otro lado, el equipo de la UPM ha llevado a cabo la determinación de las propiedades de algunas de las partículas a ensayar, que no habían sido previamente determinadas, para el posterior desarrollo de los modelos numéricos: densidad de la partícula, coeficientes de rozamiento partícula – partícula y partícula – pared, coeficientes de restitución partícula – partícula y partícula – pared, y módulo de elasticidad. Estos trabajos han dado lugar a la publicación del artículo Gallego et al. (2020).

Actividad 3: Tests conducted in silo model. Effect of processing procedures and different materials

Una vez realizada la calibración de los sensores y diseñado el protocolo de ensayo a realizar, se han llevado a cabo ensayos en la pared ondulada con tres materiales diferentes (maíz, pellets de madera de pino y de plástico). Se ha analizado el efecto del procedimiento de llenado, tanto a nivel de método (centrado y distribuido), como posibles llenados parciales. También se han considerado diferentes configuraciones en el fondo de la maqueta (fondo plano y tolvas con excentricidades 0%, 50% y 100%), así como el análisis de la posible influencia sobre el flujo de la relación entre el tamaño de la boca de salida y la partícula. Se han adquirido dos módulos con pared lisa adicionales para realizar ensayos similares con uno de los materiales (pellets de madera de pino) para comparar los resultados con la pared ondulada. Esta última parte es la única que no ha llegado a completarse en la ejecución del proyecto, debido a que se observó que el proceso de desmontaje y montaje de la nueva pared en el módulo existente podía afectar a la precisión del conjunto de la maqueta y las mediciones realizadas. Se han realizado diversas publicaciones con respecto a esta actividad.

Actividad 4: Statistical analyses of test results

Se han realizado un total de siete repeticiones de llenado y vaciado del silo para cada uno de los materiales ensayados en los diferentes set de ensayos acometidos, habiéndose tenido en cuenta que esta cifra fuera superior en todos los casos al número mínimo de repeticiones (5) requeridas para obtener resultados significativos. Para todos los parámetros estudiados se han obtenido los principales descriptores estadísticos: media, desviación típica y coeficiente de variación. También se llevaron a cabo diferentes análisis de inferencia estadística para encontrar los parámetros que presentan diferencias significativas. En primer lugar, se aplicaron los test de Shapiro – Wilks y Levene, para comprobar la normalidad de las muestras y su homocedasticidad, respectivamente. Se encontró que más del 90% de los casos analizados (diferentes materiales, parámetros o alturas, entre otros) cumplían ambas condiciones, lo que permitió realizar posteriormente un análisis de varianza (ANOVA) en las variables estudiadas para detectar la existencia de diferencias estadísticamente significativas entre los materiales analizados. En los casos donde se detectaron diferencias significativas, posteriormente se realizó la prueba de Tukey para realizar comparaciones por pares entre las medias de cada grupo. En todos los test realizados se ha considerado un nivel de significancia del 95% (a=0.05).

Actividad 5: Development and validation of Discrete Element Model

Se desarrolló un modelo numérico de elementos discretos para la simulación de medio cuerpo de la maqueta con pared corrugada (debido a los elevados recursos de cálculo), y para pellets de madera de pino.

La validación del modelo se realizó comparando los resultados durante el vaciado relativos a masa descargada, tiempo total de descarga y flujos registrados de descarga.

Además, se han realizado modelos de elementos discretos para la calibración del coeficiente de rozamiento a la rodadura requerido en la construcción del modelo numérico. Los trabajos realizados en esta actividad se han plasmado en varios trabajos (Madrid et al., 2021; Madrid et al., 2022; Gallego et al., 2023).

Actividad 6: Influence of particle shape and characteristics

Se han realizado simulaciones numéricas para tener en cuenta tanto el posible efecto de la forma de la partícula (esférica o cilíndrica), como de la distribución de tamaños (polidisperso o monodisperso) sobre los principales parámetros considerados (presiones normales o tangenciales, velocidades o flujo del material durante la descarga). Además, todo ello teniéndose en cuenta las diferentes configuraciones del fondo de la maqueta.

Actividad 7: Influence of corrugation profile dimensions

Para evitar el sesgo que podría introducir el tamaño y forma de la partícula, se ha considerado como material los pellets de madera de pino, con la distribución de partículas ensayadas. Se han realizado simulaciones numéricas para analizar la posible influencia de las características de la onda sobre los principales parámetros considerados (presiones normales o tangenciales, velocidades o flujo del material durante la descarga), y sobre un silo con fondo plano. De esta forma, se han considerado diferentes profundidades de onda, así como distintas longitudes de onda, incluyéndose también un modelo con pared lisa para tener una referencia de comparación.

Actividad 8: Check the validity of Eurocode EN 1991-4 equations for the coefficient of friction in corrugated walls

Los resultados obtenidos en los ensayos experimentales, así como los correspondientes a los modelos númericos desarrollados se han empleado para analizar la validez de la ecuación propuesta por el Eurocódigo EN 1991-4. Se han llevado a cabo también análisis para estudiar la posible existencia de diferencias estadísticamente significativas entre los diferentes materiales analizados.

Publicaciones en revistas directamente relacionadas con los resultados del proyecto:

JM. Fuentes, A. Pinilla, M. Madrid, J. Wiacek, E. Ayuga, F. Ayuga y E. Gallego. 2024. Measurement of friction phenomena on silo walls made of corrugated steel. Computers and Electronics in Agriculture 226: 109374

M. Moya, D. Sánchez, J.A. Romero and J. R. Villar-García. 2024. Influence of Moisture Content on Some Mechanical Properties of Wheat. Agronomy 14: 347.

E. Gallego, J.M. Fuentes y F. Ayuga. 2022. A semi-empirical equation to predict filling wall pressures on oblique conical hoppers. International Agrophysics 36: 285 – 295.

M. Marcos, J.M. Fuentes, F. Ayuga y E. Gallego. 2022. Determination of the angle of repose and coefficient of rolling friction for wood pellets. Agronomy 12: 424.

M. Moya, D. Sánchez and J. R. Villar-García. 2022. Values for the Mechanical Properties of Wheat, Maize and Wood Pellets for Use in Silo Load Calculations Involving Numerical Methods. Agronomy 12: 1261.

E. Gallego, J.M. Fuentes , A. Ruiz, G. Hernández-Rodrigo, P. Aguado, y F. Ayuga. 2020. Determination of mechanical properties for wood pellets used in DEM simulations. International Agrophysics 34: 485 – 494.

Asistencia a congresos, conferencias o workshops relacionados con el proyecto:

Nombre del congreso/conferencia/ workshop: XI Congreso Ibérico de Agroingeniería
Tipo de comunicación: Oral (Medidas del ángulo de reposo de pellets de biomasa)
Autores/as: M. Madrid, J.M. Fuentes, E. Gallego y F. Ayuga
Año: 2021

Nombre del congreso/conferencia/workshop: WCPT9: World Congress on Particle Technology
Tipo de comunicación: Poster (Influence of moisture content on the mechanical properties of three granular materials usually stored in agricultural silos)
Autores/as: M. Moya, D. Sánchez y J.R. Villar
Año: 2022

Nombre del congreso/conferencia/workshop: 2023 ASABE Annual International Meeting
Tipo de comunicación: Oral (Experimental results in a silo model with corrugated steel walls and eccentric hoppers. doi.org/10.13031/aim.202300036)
Autores/as: A. Pinilla, J.M. Fuentes, E. Ayuga, M. Madrid, F. Ayuga y E. Gallego
Año: 2023

Nombre del congreso/conferencia/workshop: 2023 ASABE Annual International Meeting
Tipo de comunicación: Oral (Friction phenomena in a silo model with corrugated steel walls. doi.org/10.13031/aim.202300160)
Autores/as: A. Pinilla, J.M. Fuentes, J. Wiącek, F. Ayuga y E. Gallego
Año: 2023

Nombre del congreso/conferencia/workshop: 2023 ASABE Annual International Meeting
Tipo de comunicación: Oral (Influence of moisture content on the mechanical properties of maize. doi.org/10.13031/aim.202300912)
Autores/as: M. Moya, D. Sánchez, J.A. Romero y J.R. Villar
Año: 2023

Nombre del congreso/conferencia/workshop: 14th International Conference on Agrophysics
Tipo de comunicación: Oral (Friction phenomena in silos)
Autores/as: E. Gallego, J. Wiacek, J.M. Fuentes, M. Madrid, F. Ayuga
Año: 2023

Nombre del congreso/conferencia/workshop: PARTEC 2023. International Congress on Particle Technology
Tipo de comunicación: Poster (DEM simulations in silos with corrugated Steel walls)
Autores/as: E. Gallego, J. Wiacek, J.M. Fuentes, M. Madrid, F. Ayuga
Año: 2023

Nombre del congreso/conferencia/workshop: XII Congreso Ibérico de Agroingeniería
Tipo de comunicación: Oral (Medición de presiones y tasa de descarga en un silo experimental con paredes de chapa ondulada)
Autores/as: J.M. Fuentes, A. Pinilla, J.L. Alejandre, M. Madrid, F. Ayuga y E. Gallego
Año: 2023

Nombre del congreso/conferencia/workshop: AgEng2024 International Conference of EurAgEng
Tipo de comunicación: Oral (Analysis of wall pressures and discharge rates in corrugated steel silos with centric and eccentric hoppers by discrete element models)
Autores/as: Grande-Gutiérrez, A., J.M. Fuentes, E. Gallego y F. Ayuga
Año: 2024

Tesis doctorales en realización:

Nombre: Adriano Pinilla Pérez
Director/a: Eutiquio Gallego Vázquez
Título: Estudio experimental del rozamiento en un silo modelo de pared ondulada (en marcha)
Program de doctorado: Doctorado en Agroingeniería
Organismo: Universidad Politécnica de Madrid

Nombre: Ana Grande Gutiérrez
Director/a: José María Fuentes Pardo
Título: Análisis de presiones y flujos de descarga en silos con paredes de chapa ondulada mediante Modelos de Elementos Discretos
Program de doctorado: Doctorado en Agroingeniería
Organismo: Universidad Politécnica de Madrid