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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.50 No.5 pp.225-237
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2016.50.5.225

Particle Motion Analysis on the Disc of a Granule Fertilizer Spreader for Uniformity Control

Han Cheolwoo1 , Hong Youngki2, Kim Daecheol3, Kweon Giyoung1*
1Dept. of Bio-Industrial Machinery Engineering(Institute of Agriculture and Life Science), Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
2Dept. of Agriculture Engineering, National Academy of Agricultural Science, RDA, Jeonju, 54875, Korea
3Dept. of Bio-industrial Machinery Engineering, Chonbuk National University, Jeonju, 54896, Korea
Corresponding author: Kweon Giyoung +82-55-772-1898, +82-55-772-1899, gkweon@gnu.ac.kr
August 19, 2016 September 12, 2016 September 23, 2016

Abstract

The preference of consumers for safe and high-quality agricultural products has been recently increasing in Korea. Variable rate application has been suggested to resolve the excessive use of chemical fertilizers in order to produce high-quality agricultural products and reduce environmental pollution. However, there was variation in spreader patterns by variable application rates for a centrifugal single disc spreader. Particle motion on the disc of a spreader was analyzed by a high speed camera and discrete element modeling software to find factors which affect the spread patterns with variable application rates. The results showed that the more amounts of particles were applied, the more particles were fallen and scattered near the rotating axis and they were discharged to the end point of the exit of a discharge location control device. These particles moved more to the rotating direction on the disc and they affected spread patterns. To solve this problem, an inner vane on the disc was installed to move particles to the cylindrical wall of the discharge location control device. In the result, the particles fallen around the rotating axis were moved to the wall, rotated on the disc, and discharged at the starting point of the discharge location control device. Thus, it is expected that a spread pattern would be less variable but further distributed because of increased angular speed and velocity of the particles.


균일시비를 위한 입제 비료 살포기의 원판 위 입자 거동 분석

한 철우1 , 홍 영기2, 김 대철3, 권 기영1*
1경상대학교 생물산업기계공학과(농업생명과학연구원),
2농촌진흥청 농업과학원,
3전북대학교 생물산업기계공학과

초록

최근 국내에서는 안전하고 고품질인 농산물에 대한 소비자의 선호도가 높아지고 있다. 고품질 농산물 생산과 환경오염을 줄이기 위해서는 화학비료와 같은 농자재의 과잉투입 문제를 해결하여야 하며 이를 위하여 변량시비에 관한 연구가 수행되고 있다. 변량시비용으로 널리 사용되는 원판식 입제 살포기의 경우 시비량이 변화함에 따라 살포패턴이 변화하는 문제점이 있다. 본 연구에서는 시비량 변화에 따른 살포패턴 변화 요인을 찾기 위하여 이산 요소 모델링과 고속카메라 촬영을 통하여 살포기 원판 위에서 의 입자거동을 분석하였다. 그 결과, 시비량이 증가함에 따라 원판회전 반대방향으로 비산되는 입자량 이 증가하게 되고 출구방향 조절장치의 출구 시작지점에서 빠져나가지 않고 출구 끝 부분에서 빠져나가 는 입자가 증가하여 원판 위에서 회전방향으로 더 많이 이동되어 살포되므로 살포패턴에 변화를 가져오 는 것으로 파악되었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 회전원판 위에 내부날개를 설치하여 회전 축 주 변에 낙하하는 입자를 원심력에 의해 출구방향 조절장치의 벽 쪽으로 강제 이동하도록 장치를 개선하여 원판 위 입자거동을 분석하였다. 그 결과, 시비량의 변화와 상관없이 회전축 주변의 입자가 출구방향 조절장치의 벽 쪽으로 이동하여 원판 위에서 회전하다가 조절장치의 출구 시작 부분에서 빠져나가 살포 되는 것으로 나타나 시비량의 변화에 따른 살포패턴의 변이가 줄어들 것으로 판단되었다. 차후, 균일한 살포패턴을 만들기 위해서 내부날개를 설치한 원판식 입제 살포기를 이용하여 다양한 시비조건에 따른 살포패턴 데이터를 수집 및 분석 하고자 한다.


    Rural Development Administration
    PJ01050303

    서론

    최근 국내에서는 안전하고 고품질인 농산물에 대 한 소비자의 선호도가 높아지고 있고, 소비자의 요 구에 따라 고품질 농산물을 생산하는 재배면적도 급 속도로 넓어지고 있다. 이와 같이 고품질 농산물 생 산과 환경오염을 줄이기 위해서는 화학비료와 같은 농자재의 과잉투입 문제를 해결할 필요성이 있다. 이러한 문제를 해결하고자 제시된 것이 변량시비 기 술이며 해외에서도 많은 연구가 진행되고 있다. 국 내에서는 측조시비기 형식의 승용이앙기 부착형 변 량시비 장치를 2005년도에 농업공학연구소에서 개 발하였으며, 2013년에는 토양센서를 기반으로 변량 시비가 가능하도록 제작하였다(Hong et al., 2013). 그러나 측조시비기는 벼농사에서 모내기와 동시에 비료를 시비하는 것에만 사용되며 고가의 전용비료 만을 사용하는 단점이 있다. 원판식 입제 살포기의 경우 기비, 종자 살포 등 다목적으로 사용이 가능하 며, 넓은 영역 살포, 간단한 디자인, 신뢰성, 싼 가 격, 높은 내구성과 낮은 유지비 등의 장점을 가지고 있으나 균일한 살포가 되지 않는다는 문제점이 보고 되고 있다(Kweon, 2006a; Kweon et al., 2009). 변량시비에 있어서 균일한 살포라는 것은 물리적으 로는 시비량, 단위 면적당 살포 균일도와 생물학적 으로는 농부와 작물이 원하는 만큼의 비료를 식물의 성장단계, 토양, 환경상태 등에 맞추어 시비하는 것 이다. 균일살포가 되지 않았을 경우에는 비료가 과 다투여 혹은 부족하게 투여되어 자원낭비, 작물피 해, 잠재적인 환경피해 등으로 이어진다(Helms et al., 1987). 이러한 문제를 해결하기 위하여 여러 조 건하에서 입제 비료 살포기의 살포유형을 분석하였 고 개선점을 얻기 위해서는 고속카메라 촬영을 실시 하여 입자의 궤적을 조사할 필요성이 있다고 하였다 (Lee et al., 2009; Han et al., 2015). 원판식 입 제 살포기의 살포패턴은 출구방향, 시비량, 호퍼충 전율, 비료 종류, 원판높이 그리고 기상에 따라 살 포패턴이 변화한다. 균일한 살포패턴을 만들기 위해 서는 다양한 조건에서의 실험데이터를 필요로 한다. 실험데이터를 모으는 방법으로는 미국농공학회 (ASABE)에서 제시한 ASABE Standard S341.3으로 일정 크기의 비료 회수 상자에 칸막이를 설치 후 일 정 간격으로 설치하고 비료를 살포 후 각각의 상자 에서 비료를 회수하여 무게를 측정하여 살포패턴을 확인하는 방법이다. 이 방법을 사용하여 실험데이터 를 만들기 위해서는 기상 상태, 기계 장비의 조정, 데이터의 취합 등에 많은 시간과 노력이 소요된다. 이러한 시간 소요를 줄이기 위하여 이산 요소 모델 링을 사용한다(Landry et al., 2006). 이산 요소 모 델링은 어떠한 모델링에 있어서 입자들의 움직임을 시뮬레이션 하는 프로그램으로 실제와 근접한 입자 의 거동을 분석이 가능하다. 하지만 이산 요소 모델 링은 기존의 데이터를 모으는 방법을 완전히 대신 할 수는 없으므로 시뮬레이션을 통한 데이터를 수집 후 기존 실험방법을 통하여 검증할 필요성이 있다 (Hall et al., 2010). 또한, 고속카메라 촬영으로는 알기 어려운 부분이나 실험의 반복횟수를 감소시키 고 입자 궤적을 분석하거나 입자 속도를 분석하여 시비기의 설계 개선 등을 위하여 이산 요소 모델링 이 필요하다고 보고하였다(Hall et al., 2010). Figure 1은 일반적으로 많이 사용되고 있는 원판식 입제 살포기를 나타내고 있다. Figure 2에서 나타난 것과 같이 시비량이 증가함에 따라 원판 위에 비료 의 낙하위치가 달라져 살포패턴이 한쪽 방향으로 이 동한다는 것으로 나타났다(Kweon, 2006a; Kweon et al., 2006b). 이러한 문제를 해결하기 위하여 Fig. 3과 같이 기존의 원판식 입제 살포기에 원통형 의 출구방향 조절장치, 시비량 조절장치 등을 부착 하여 개선 제작하였다. 비료가 정해진 출구로만 나 가게 함으로써 시비량이 변화함에 따라 살포패턴이 변하는 문제를 해결하고자 하였다. 그러나, 시비량 을 변화시켜 살포패턴을 분석한 결과 Fig. 4에 나타 난 것과 같이 시비량이 증가함에 따라 살포패턴이 변화하는 성향이 나타났다(Han et al., 2015). 따라 서 본 연구에서는 원판식 입제 살포기의 시비량의 변동에 따른 살포패턴의 변화 원인을 알아내기 위하 여 이산요소 모델링 소프트웨어와 고속카메라를 사 용하여 원판 위에서의 비료입자 거동을 분석하여 균 일살포를 위한 기초자료로 사용하고자 한다.

    재료 및 방법

    1.이산 요소 모델링 프로그램

    본 연구에서 사용된 이산 요소 모델링 소프트웨어 는 DEM Solutions에서 제작한 EDEM Academic edition version 2.7.0을 사용하였다. 이산 요소 모 델링에서 정확한 결과값을 내기 위해서는 물성치의 입력 및 EDEM 시뮬레이션의 파라미터 설정이 매우 중요하다.

    EDEM에 상호작용 모델은 9가지가 존재하고, 실 험에 사용된 비료입자는 실온에서 고체의 형태이고, 원판은 스테인레스로 제작되어 있기 때문에 Hertz- Mindlin 모델을 사용하였으며 중력은 Z 축 방향으로 -9.81m/s2으로 설정하였다. Table 1은 모델링에 사용 된 입자의 푸아송비(Poisson’s ratio), 전단탄성계수 (Shear modulus), 밀도 등을 나타낸 것이다. Table 2 는 EDEM 시뮬레이션에서 설정한 회전원판과 비료 입자의 상호작용에 관련하여 반발계수(Coefficient of restitution), 정지마찰계수(Coefficient of static friction)를 나타낸 것이다. 원판의 경우 노외지역에 서 작업 시, 녹이 스는 것을 방지하기 위하여 스테 인레스로 제작되었으며 물성치는 STS304를 기준으 로 하였고, 비료입자의 성질에 관한 것은 문헌을 참 고하였다(Hofstee, 1993; Olieslagers et al., 1996; Colin, 1997; Kweon, 2006a; Wang, 2014).

    2.이산 요소 모델링을 통한 원판 위 입자 거동분석

    원판 위 입자거동 분석을 위하여 이산 요소 모델 링 프로그램인 EDEM을 사용하여 원판식 비료 살포 기의 회전판을 시뮬레이션을 하였다. Figure 5는 상 용 단일 원판형 살포기(DP-2500N, 대풍농기사, 경 남 창원, 대한민국)의 원판과 남해화학에서 생산한 한아름 원예의 비료 입자를 시뮬레이션에서 사용하 기 위하여 모델링 한 것으로 (b)에서 ⓐ는 출구방향 조절장치로 일정한 위치에서 비료입자가 살포되도록 조절하고 ⓑ는 회전원판으로 비료입자를 살포하기 위하여 제작되었다. 원판의 회전속도는 실제 PTO 축에서 나오는 회전 원판의 속도 540rpm으로 시계 방향으로 회전하도록 초기속도를 56.52rad/s, 시비 량 조절장치의 완전 개폐상태를 100% 기준으로 1분 간 비료를 살포 후 회수하여 무게를 측정하고 개폐 율을 10%씩 감소시켜 비료 살포량을 확인한 결과를 토대로 시비량 20, 40, 60%에서 입자 투입량을 각 각 0.1, 0.2, 0.3kg/s로 설정하고, 0.005sec 마다 데이터를 저장하면서 2sec 동안 모델링 하였다. 시 뮬레이션 완료 후 입자가 받는 운동에너지, 압축력, 토크, 각속도 및 속도 등을 분석하였다.

    3.고속카메라 촬영을 통한 원판 위 입자거동 분석

    이산 요소 모델링을 통하여 입자거동을 분석 한 후 실제와 같은지 검증하기 위하여 고속카메라 촬영 을 통해 원판 위 입자거동을 분석하였다. Figure 6 은 원판 위 입자거동을 고속카메라 촬영을 통하여 분석하기 위해 제작된 촬영 세트의 설명도 (a), 출구 방향 조절장치 내부 (b), 그리고 실제로 설치된 촬영 세트 (c)를 나타낸 것이다. 고속카메라 촬영을 위하 여 제작된 촬영 세트는 원판의 수직방향에 고속카메 라를 설치 후 출구방향 조절장치의 내부가 촬영되도 록 시비량 조절장치를 아크릴로 제작하여 장착하였 습니다. Figure 56에서 나타낸 바와 같이 원통형 의 출구방향 조절장치는 비료가 흘러 나갈 수 있도 록 출구가 뚫려 있으며, 비료입자가 원판 위에서 회 전하다가 조절장치의 출구를 만나는 지점인 Fig. 6 의 (b)에서 ⓐ를 출구의 시작점 그리고 그 반대방향 의 지점인 ⓑ를 출구의 끝점으로 설정하였으며, (c) 에서 ⓒ는 출구방향 조절장치 내부의 입자거동을 촬 영하기 위하여 설치한 아크릴 판을 나타낸다. 출구 방향 조절장치 내부를 촬영하기 위하여 투명 아크릴 판을 제작하여 시비량 조절장치를 대신하여 장착하 였다. 비료의 공급을 위하여 비료공급 튜브를 제작 하고 실제 시비량 조절장치가 열린 정도에 따라 비 료가 공급되는 위치에 비료가 낙하하도록 비료공급 튜브를 제작하여 실험을 실시하였다. 원판의 회전속 도는 브러시리스 DC(BLDC) 모터와 기어박스를 부 착하여 24V를 사용하여 구동하였고, 마이크로 컨트 롤러를 이용하여 D/A 컨버터를 통해 전압을 변경하 여 속도를 제어하도록 제작하였다. 시비량에 따라 입자가 원판 위에서 움직이는 모습을 보기 위하여 540rpm으로 시계방향으로 회전하는 원판 위에 시비 량 20, 40, 60%로 비료를 공급하도록 하였다. 비료 를 공급하기 시작하고 원판에 비료가 원활하게 공급 된 시점인 5sec 후부터 고속카메라 촬영을 시작하여 2sec 동안 촬영하였다. 고속카메라는 250fps로 설정 하였다.

    4.내부날개 부착 후 원판 위 입자거동 분석

    시비량의 증가에 따른 회전판 축 주위에 낙하하는 비료입자를 출구방향 조절장치의 벽 쪽으로 강제로 이동시켜 살포패턴 변화를 최소화하기 위하여 원판 위에 내부날개를 설치하였다. 내부날개를 가진 원판 식 비료 살포기의 회전판을 EDEM을 사용하여 시뮬 레이션 하였고, 내부날개가 있는 원판 위에서의 입 자를 분석하였다. 그리고 고속카메라 촬영을 통하여 내부날개가 있는 원판 위에서의 입자거동을 분석하 였다. Figure 78은 각각 시뮬레이션에 사용된 내부날개를 장착한 원판의 모델링과 실제 원판을 보 여주고 있다.

    시뮬레이션 조건과 촬영조건은 이전 절에서 설명 한 조건과 동일하게 설정하였다.

    결과 및 고찰

    1.이산 요소 모델링을 통한 원판 위 입자거동 분석

    Figure 9는 이산 요소 모델링을 통해 원판 위 입 자거동을 시뮬레이션 한 것으로 시비량이 증가할 경 우, 비료입자가 낙하하여 원판과 부딪혀 사방으로 비산하게 되며, 원판의 회전 반대방향으로 이동했던 입자들의 양이 증가하여 출구방향 조절장치의 끝부 분으로 흘러나가는 비료가 시비패턴에 영향을 주는 것으로 나타났다. 시비량 변화에 따른 출구방향 조 절장치 내부의 회전판 위에 있는 입자가 받는 힘을 Table 3에 나타내었다. 다른 수치는 차이가 나지 않 았으나 압축력이 시비량 20%에서 0 ~ 2 x 10-3N, 시비량 40%에서 0 ~ 3 x 10-3N, 시비량 60%에서 0 ~ 5 x 10-3N으로 증가하는 것으로 나타났다. 이 는 비료입자의 양이 증가함에 따라 회전하는 비료입 자가 증가하여 입자들끼리 부딪히면서 나타나는 현 상으로 판단된다. 비료 입자는 원판에 낙하하여 원 심력에 의해 출구방향 조절장치의 벽으로 이동하여 0 ~ 60rad/s로 회전운동하고 0 ~ 1m/s의 속도로 출구에서 살포되는 것으로 나타나 입자의 속도와 각 속도 자체는 살포패턴에 영향을 주지 않는 것으로 판단되었다.

    2.고속카메라 촬영을 통한 원판 위 입자거동 분석

    Figure 10은 고속카메라 촬영을 통해 원판 위 입 자거동을 촬영한 것이다. 시비량 20%에서는 비료 입자가 원심력에 의해 원통형의 출구방향 조절장치 의 벽쪽으로 이동하여 원판과 같이 회전하여 출구 방향 조절장치의 벽을 타고 돌아서 출구방향 조절 장치의 시작점에 도달하면 빠져나가는 것으로 나타 났다. 시비량 40%경우, 흘러나오는 비료 입자의 양 이 증가하여 입자의 대부분이 출구방향 조절장치의 벽을 타고 돌지만 일부가 벽을 타고 돌지 못하고 회전판 중심축을 지나서 출구방향 조절장치의 출구 중간지점으로 흘러나와서 살포되는 것으로 나타났 다. 시비량 60%에서는 출구방향 조절장치의 벽을 타고 돌지 못하고 회전판 중심축을 지나서 출구방 향 조절장치의 출구 중간과 끝 지점에서 바로 나가 는 입자의 양이 증가하는 것으로 나타났다. 이산요 소 모델링의 결과와 같이 시비량이 증가함에 따라 살포패턴이 변화하는 것은 비료 입자가 출구 중간 과 끝 지점으로 흘러나와 원판의 회전방향으로 더 많이 이동한 후 날개에 의해 살포되는 것이 요인이 라고 판단되었다.

    3.내부날개 장착 후 이산 요소 모델링을 통한 원판 위 입자거동 분석

    Figure 11은 회전판에 내부날개를 장착한 후 이산 요소 모델링을 통하여 원판 위 입자거동을 시뮬레이 션 한 것이다. 시뮬레이션 결과, 시비량이 증가하는 경우 사방으로 비산하며, 원판의 회전 반대방향으로 이동했던 입자가 내부날개에 의해 원심력으로 벽쪽 으로 밀어붙여져 원판 위에서 시계방향으로 회전하 여 출구조절장치의 출구 시작점을 만나면 빠져나가 는 것으로 나타났다. Table 4는 원판 위에서의 입자 가 받는 힘을 나타낸 것이다. 시비량과 관계없이 운 동에너지는 0 ~ 5 x 10-6J, 토크 값은 0 ~ 1 x 10-5Nm, 회전 운동 마찰력 값은 0 ~ 5 x 10-7J, 총합에너지 0 ~ 5 x 10-5J, 총합물리력은 0 ~ 5 x 10-3N으로 나타나 시비량 변화에 따른 살포패턴 변 화와는 관계가 없는 것으로 판단되었다. 하지만 압 축력, 각속도 및 속도 등은 변화하는 것으로 나타났 다. 압축력의 경우 시비량 20%에서 0 ~ 3 x 10-3N 으로 나타났으나, 시비량 40%, 60%에서는 0 ~ 5 x 10-3N으로 내부 날개를 장착하기 전과 같이 입자량 이 증가함에 따라 원판 위의 비료입자가 많은 압축 력을 받는 것으로 나타났으며, 내부날개를 장착하기 전에 비하여 압축력이 높게 나타난 것은 내부날개가 강제로 입자를 이동시키면서 나타난 현상으로 판단 된다. 내부날개에 의해 이동되는 비료입자는 출구부 분에서 살포될 때, 시비량 20%, 40%에서 0 ~ 1m/s, 0 ~ 3m/s으로 나타났으며 시비량 60%에서 는 0 ~ 6m/s으로 속도가 증가하는 것으로 나타났 다. 비료입자의 각속도는 시비량 20%와 40%에서 각각 0 ~ 270rad/s, 0 ~ 350rad/s, 시비량 60%에 서는 0 ~ 420rad/s으로 나타났다. 압축력과 속도, 각속도의 변화로 볼 때, 내부날개에 의해 입자가 살 포되는 속도가 증가하여 내부날개가 없을 때 보다 멀리 살포될 것으로 판단되며, 압축력의 증가로 인 하여 원판 위에서 파손되는 입자의 양도 증가할 것 으로 판단된다.

    4.내부날개 장착 후 고속카메라 촬영을 통한 원판 위 입자거동 분석

    Figure 12는 내부날개를 장착한 원판 위를 고속 카메라로 촬영한 것이다. 이산요소 모델링의 결과와 같이 시비량에 상관없이 비료입자는 출구방향 조절 장치의 벽을 타고 돌아서 출구의 시작지점에서 빠져 나가 살포되는 것으로 나타나 시비량의 변화에 따른 살포패턴의 변이가 줄어들 것으로 판단된다. 하지만 시비량이 증가함에 따라 회전축 주변에 낙하한 입자 들이 출구방향 조절장치의 벽으로 강제로 이동하게 되면서 내부날개의 높이보다 더 높게 벽을 타고 돌 게 되어 살포되지 못하는 입자가 계속적으로 회전하 는 것으로 나타났다. 이 문제는 내부 날개의 형상을 변경시킴으로써 해결 될 것으로 보인다. 차후, 균일 한 살포패턴을 만들기 위해서 내부날개를 설치한 원 판식 입제 살포기를 이용하여 다양한 시비조건에 따 른 살포패턴 데이터를 수집 및 분석하고자 한다.

    감사의 글

    본 연구는 농촌진흥청 과제의 일환으로 진행 중인 ‘콩 재배 정밀농업 시스템 기반기술 연구’과제 (PJ01050303)의 지원에 의해 수행되었습니다.

    Figure

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    Typical granule fertilizer spreaders with a single disc.

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    Particle trajectory on a disc and spread pattern variation by variable application rates in a single disc spreader(Kweon, 2006a).

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    Test apparatus of a single disc spreader(Han et al., 2015).

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    Spread pattern variation by variable application rates in a single disc spreader(Han et al., 2015).

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    Particle and disc modeling.

    (ⓐ: A control device of discharge location, ⓑ: A spinner disc)

    JALS-50-5-225_F6.gif

    Test bed configuration.

    (ⓐ: Start point of a discharge location control device, ⓑ: End point of discharge location control device, ⓒ: An acrylic plate)

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    Modeling of a spinner disc with an inner vane.

    (ⓐ: An inner vane)

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    A spinner disc with an inner vane.

    (ⓐ: An inner vane)

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    Analysis of particle motion on the disc with EDEM.

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    Analysis of particle motion on the disc with a high speed camera.

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    Analysis of particle motion on the disc with an inner vane with EDEM.

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    Analysis of particle motion on the disc with an inner vane with a high speed camera.

    Table

    EDEM configuration for materials

    EDEM configuration for materials interaction

    Properties of particles on the disc of a spreader by EDEM simulation

    Properties of particles on the disc of a spreader with an inner vane by EDEM simulation

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