[論文レビュー] Dynamic shear jamming under extension in dense granular suspensions

Sayantan Majumdar, Ivo R. Peters+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2016

Granular flow and fluidized beds被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、急速な引張り流れ下での高密度粉体懸濁液における動的せん断ジャミングを調査し、臨界速度閾値を超えると、ジャミング領域の成長に伴い、法線力が著しく、桁数レベルで増加することを明らかにした。高速超音波イメージングにより、剛体境界付近に強い速度勾配が生じることが観察され、この現象が古典的流体力学的予測をはるかに超えるせん断ジャミングメカニズムと直接関連していることが示された。

ABSTRACT

Unlike dry granular materials, a dense granular suspension like cornstarch in water can strongly resist extensional flows. At low extension rates, such a suspension behaves like a viscous liquid, but rapid extension results in a response where stresses far exceed the predictions of lubrication hydro- dynamics and capillarity. To understand this remarkable mechanical response, we experimentally measure the normal force imparted by a large bulk of the suspension on a plate moving vertically upward at a controlled velocity. We observe that above a velocity threshold, the peak force increases by orders of magnitude. Using fast ultrasound imaging we map out the local velocity pro?files in- side the suspension which reveal the formation of a growing jammed region under rapid extension. This region interacts with the rigid boundaries of the container through strong velocity gradients, suggesting a direct connection to the recently proposed shear-jamming mechanism.

研究の動機と目的

• 急速な引張り流れ下における高密度粉体懸濁液の力学的応答を理解すること。
• 高引張速度下で潤滑流体力学および毛細管力の予測を上回る応力が発生する理由を調査すること。
• イン・サイトイメージングを用いて、引張り過程におけるジャミング領域の形成と進化を特徴づけること。
• 観察されたジャミングと、閉じた粉体系におけるせん断ジャミングメカニズムとの関連を確立すること。

提案手法

• 実験では、制御された速度で垂直に上昇するプレートが、バルク粉体懸濁液に及ぼす法線力を測定した。
• 引張り過程中の懸濁液内での局所的速度プロファイルをマッピングするために高速超音波イメージングが用いられた。
• ジャミング発生の臨界速度閾値を特定するために、さまざまな引張速度下でシステムを分析した。
• 剛体容器壁付近の速度勾配を定量的に評価し、ジャミング発生におけるその役割を評価した。
• 特に境界相互作用の役割を踏まえて、せん断ジャミングメカニズムの文脈でデータを解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 急速な引張り下で高密度粉体懸濁液の法線力が急激に桁数レベルで増加するのは、何が原因か？
• RQ2 引張り過程におけるジャミング領域の形成は、時間的・空間的にどのように進化するか？
• RQ3 剛体境界付近の速度勾配は、せん断ジャミング発生にどの程度寄与しているか？
• RQ4 観察された応答は、古典的潤滑流体力学的および毛細管モデルからどの程度逸脱しているか？

主な発見

• 臨界引張速度を超えると、ピーク法線力が桁数レベルで増加し、ジャミング状態への転移が示された。
• 高速超音波イメージングにより、急速な引張り下で移動プレートの下に成長するジャミング領域の形成が確認された。
• 剛体容器の壁付近に強い速度勾配が発生しており、顕著な境界相互作用が示唆された。
• 観察されたジャミング行動は、境界誘発せん断局在を通じて、直接的にせん断ジャミングメカニズムに関連している。
• 古典的流体力学的または毛細管的力では説明できないため、別個のジャミングメカニズムが関与していると示唆された。