COLUMN

技術コラム

【粉体】Vol.40　粉体シミュレーションで使用される安息角

2025年07月29日

安息角は、特に産業アプリケーションにおける貯蔵、輸送、流動など、粉体材料の挙動を理解するための基本的な物性です。
特にiGRAFなどの粉体シミュレーションソフトウェアでは、多くの粉体パラメータの近似に安息角が使用されます。
そのため、安息角の概念を理解することは重要です。
なお、今回の内容は本資料Al-Hashemi & Al-Amoudi (2018)を参考に書いています。

定義と関連性

安息角とは、自然に形成された斜面と水平面とがなす角度のことになります。
これは流動性、内部摩擦、および結合力の間接的かつ実用的な指標です。
粉体シミュレーションでは、この角度が粒子間相互作用の挙動を反映し、大規模な機械特性と関連付けられることがあります。

測定技術

安息角を測定する方法には、注入法、排出法、傾斜法など、さまざまな技術が存在します。
これらの手法については、以下の記事で詳しく説明されています：
https://www.sbd.jp/column/powder_vol6_angle_of_repose.html

粉体技術およびエンジニアリングへの応用

安息角は、iGRAFなどのシミュレーションツールでは、次のように重要です：

• ブレンダーやドラム内での粒子形成、混合効率、および分離のモデリング。
• 仮想サイロやホッパーの設計。
• 製薬の粉体コーティング、農業飼料、または添加製造のための仮想材料のキャリブレーション。
• 詰まりなどの流動不安定性の研究、これは流動角度が臨界値を超えると発生します。
• 製薬や冶金学では、安息角は粉体が自由に流れるか凝集体を形成するかを判断するのに役立ちます。これは、粒子-流体相互作用が考慮されるDEM-CFDシミュレーションの最適化において重要です（iGRAFの場合）。

影響するパラメータ

安息角には、粒子スケールおよびバルクスケールのいくつかのパラメータが重要な影響を与えます：

• 粒子の形状とサイズ：非球形および角のある粒子は、通常、より高い安息角を示します。
• 粉体に関する様様な係数：
　• 摩擦係数：
　　• 静止摩擦：粒子の構造に強く影響します。
　　• 転がり摩擦：粒子の実際の回転とエネルギー損失のシミュレーションに重要です。
　• 反発係数：衝突時に失われる運動エネルギーの量を制御します。これは一時的な粉体流れのシミュレーションで重要です。
• 湿度と付着力：これらは凝集を影響し、角度を急激に増加させる可能性があります。正確なモデリングのためには、観察された安息角に基づいて結合力モデルを調整する必要があります。

結論

安息角は、多くの産業にとって重要な概念です。
粉体シミュレーションでも、安息角の影響を研究することが重要です。粒子の形状とサイズ、さまざまな摩擦係数、湿度、結合力など、いくつかの要因が安息角に影響を与えることがわかっています。
安息角とその影響を詳細に理解することは、粉体パラメータを適切に設定し、実際の応用に近いシミュレーションを行うために重要であると言えます。

[From Vidura Gamage]

参考資料

・Al-Hashemi, H. M. B., & Al-Amoudi, O. S. B. (2018). A review on the angle of repose of granular materials. Powder Technology, 330, 397–417.
https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.02.003

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