Consiguen modelar el flujo de la arena y otros materiales granulares

Un nuevo modelo diseñado por especialistas del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, en Estados Unidos, permite controlar el flujo de la arena y otros materiales granulares, abriendo el camino para incrementar la efectividad de los procesos productivos en la industria farmacéutica y en la producción de granos, entre otras posibles aplicaciones. De esta forma, será posible evitar bloqueos y otros problemas relacionados con la imposibilidad de modelar el flujo de estos materiales durante los procesos productivos.

Aunque observando un reloj de arena puede parecer sencillo controlar el flujo de este tipo de materiales granulares, al precisar la observación y estudiar el comportamiento de los granos individuales se advierte que predecir el flujo de la arena u otros materiales similares puede llegar a ser muy complejo.

Esta realidad, que ante diversas condiciones se intensifica aún más y puede generar complejos inconvenientes en determinados ciclos productivos, ha sido estudiada al detalle por un grupo de ingenieros e investigadores del MIT. El trabajo desarrollado ha permitido diseñar un nuevo modelo, que hace posible el control del flujo de los materiales granulares.

La innovación se ha difundido a través de una nota de prensa del MIT y mediante un artículo publicado en el medio especializado Science Daily. Un modelo preciso para controlar el flujo granular será particularmente útil en la optimización de procesos como la fabricación de productos farmacéuticos y la producción de granos, por ejemplo cuando píldoras de tamaño reducido o granos deben verterse a través de conductos industriales y silos en enormes cantidades.

Resultados alentadores

Ken Kamrin, uno de los responsables de la investigación, ha explicado que el modelo diseñado predice el flujo de los materiales granulares bajo una variedad de condiciones. El modelo marca una importante mejora con relación a otras herramientas de planificación existentes, teniendo en cuenta un factor clave: cómo el tamaño de un grano afecta a todo el flujo.

Kamrin y su equipo utilizaron el nuevo modelo para predecir el flujo de arena en varias configuraciones, incluyendo una rampa y una artesa circular. Los resultados de las predicciones del nuevo modelo fueron casi perfectas, obteniendo datos reales y concretos que permiten comprobar la efectividad del enfoque desarrollado.

Las ecuaciones básicas que rigen el flujo de agua se conocen desde hace más de un siglo, pero sin embargo sobre la arena y los materiales granulares no ha existido hasta el momento tal esquema. Ahora, los expertos del MIT han desarrollado un modelo de proceso continuo que podría marcar un gran avance en este campo.

Mientras los modelos de base molecular resultan efectivos para el estudio del flujo en líquidos, en los materiales granulares las condiciones son completamente diferentes. Por ejemplo en el caso de la arena, el tamaño de un grano individual puede afectar significativamente la precisión de un modelo de predicción.

Un comportamiento complejo

En el caso de los líquidos, sus reacciones pueden delimitarse con mayor facilidad. Pero el flujo granular es mucho más complejo, generando por ejemplo efectos en cascada que no se tienen en cuenta en los modelos existentes. En el caso de los materiales granulares, el comportamiento de un único grano puede cambiar por completo las condiciones a analizar.

El equipo de especialistas modificó las ecuaciones de un modelo existente orientado hacia el estudio del tamaño de los granos, y puso a prueba este nuevo modelo en varias configuraciones. No sólo se logró predecir con exactitud las zonas en las cuales la corriente de granos alcanzó una mayor velocidad, sino también las áreas en las que los granos presentaron un movimiento más lento.

El modelo, que se ejecuta en un ordenador, puede predecir campos precisos de flujo en cuestión de minutos, y podría beneficiar en gran medida a los ingenieros que diseñan los procesos de fabricación de productos farmacéuticos y productos agrícolas. Por ejemplo, los ingenieros podrían probar diferentes formas de conductos y canales en el modelo para encontrar una geometría que optimice el flujo, antes de construir los equipos a utilizar en la práctica.

Asimismo, los investigadores del MIT sostienen que el nuevo modelo adaptado al flujo de materiales granulares también podría ayudar a predecir distintos fenómenos geológicos, como deslizamientos de tierra y avalanchas, permitiendo el desarrollo de nuevas formas y estructuras para generar una mejor tracción en la arena. Los materiales granulares son la segunda clase de material más utilizado en la industria, solamente superados por el agua. En consecuencia, el campo de aplicaciones de este nuevo modelo será realmente muy amplio.