[論文レビュー] Accelerated drop detachment in dense granular suspensions

Claire Bonnoit, Éric Clément+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2010

Granular flow and fluidized beds被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、体積率（15–55%）と粒子径（20–140 μm）を調整可能なモデル懸濁液を用いて、密集した粒子系懸濁液における滴の剥離を調査した。2つの異なる剥離領域が特定された：初期段階では懸濁液の粘性が支配的であり、後期段階では依然として首の部分に粒子が存在するが、間隙流体の挙動と一致する。最終的かつびりん剥離が粒子径の効果による首の細まりを受けて加速されることが明らかになった。

ABSTRACT

We experimentally study the detachment of drops of granular suspensions using a density matched model suspension with varying volume fraction ({\phi} = 15% to 55%) and grain diameter (d = 20 {\mu}m to 140 {\mu}m). We show that at the beginning of the detachment process, the suspensions behave as an effective fluid. The detachment dynamics in this regime can be entirely described by the shear viscosity of the suspension. At later stages of the detachment the dynamics become independent of the volume fraction and are found to be identical to the dynamics of the interstitial fluid. Surprisingly, visual observation reveals that at this stage particles are still present in the neck. We suspect rearrangements of particles to locally free the neck of grains, causing the observed dynamics. Close to the final pinch off, the detachment of the suspensions is further accelerated, compared to the dynamics of pure interstitial fluid. This acceleration might be due to the fact that the neck diameter gets of the order of magnitude of the size of the grains and a continuous thinning of the liquid thread is not possible any more. The crossover between the different detachment regimes is function of the grain size and the initial volume fraction. We characterize the overall acceleration as a function of the grain size and volume fraction.

研究の動機と目的

• 体積率と粒子径を変化させた状況下における密集した粒子系懸濁液の剥離ダイナミクスを理解すること。
• 粒子間相互作用と懸濁液の流れの性質が剥離プロセスに与える影響を特定すること。
• 懸濁液における粘性的および流体的剥離領域の間の遷移を調査すること。
• 首の部分に粒子が存在するにもかかわらず、最終的びりん剥離段階で予期しない加速が生じる理由を説明すること。

提案手法

• 浮力の影響を除くために密度が一致するモデル懸濁液を用いて、流れの性質にのみ注目した実験を実施した。
• 体積率（φ = 15% から 55%）と粒子径（d = 20 μm から 140 μm）を制御した懸濁液を調製した。
• 高速撮影を用いて首の進化とびりん剥離タイミングを追跡することで、剥離ダイナミクスを分析した。
• 初期段階の剥離挙動をモデル化するために、懸濁液のせん断粘性率を測定した。
• 後期段階の挙動を間隙流体の挙動と比較し、乖離点や類似点を特定した。
• 視覚的観察を用いて、後期段階の細まりにおける首領域内の粒子再配置を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子の体積率が粒子系懸濁液の初期段階の剥離ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ2 首の部分に顕著な粒子が存在するにもかかわらず、懸濁液の後期段階の剥離ダイナミクスが間隙流体の挙動と一致するのはなぜか？
• RQ3 純粋な流体挙動と比較して、観察された最終的びりん剥離段階の加速はどのような要因によるか？
• RQ4 粒子径と初期体積率は、剥離領域間の遷移にどのように影響するか？

主な発見

• 初期剥離段階では、ダイナミクスが懸濁液のせん断粘性率によって完全に記述される。
• 後期段階では、剥離ダイナミクスが体積率に依存せず、間隙流体の挙動と一致する。
• 流体的挙動と一致するにもかかわらず、視覚的観察により、粒子が後期段階の細まり中も首領域に残留していることが確認された。
• 純粋な間隙流体と比較して、最終的びりん剥離において顕著な加速が観察された。これは、粒子径が首の細まりに与える影響によるものとされた。
• 剥離領域間の遷移は、粒子径と初期体積率の両方に依存する。
• 全般的な剥離の加速は、粒子径と体積率の関数として定量的に特徴づけられた。