[論文レビュー] Mixing Grains with Different Elongation in a Rotating Drums

Claudia Piacenza, Marco Marconati+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2018

Granular flow and fluidized beds参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本実験的研究では、体積は同一だが形状比（延長率）が異なる二成分の粉粒体混合物が回転ドラム内でする混合のダイナミクスを調査している。結果から、延長率の差が臨界閾値未満である場合にのみ、有効な混合が達成されることが示された。それ以上の差があると、より延長率の高い粒子が豊富なコアが強く分離して形成され、長時間にわたる混合にもかかわらず均一性が制限される。

ABSTRACT

Mixing grains with different properties is a remarkably challenging process, relevant to many industrial applications. Rotating drums have been used extensively as model systems to study granular media flow and mixing and segregation. Numerous studies considered the mixing of grains with different sizes, but only few studies considered shape and elongation, which have been already identified as important characteristics affecting packing and inducing segregation. In this contribution, the mixing of binary mixtures of grains having the same volume, but different elongations was studied experimentally. The mixing dynamics of a layered granular medium was characterized in a rotating drum, highlighting the impact of the grain shape, of the drum angular speed and of the drum filling ratio. A mixed or segregated state is reached very rapidly, but experiments are continued to verify that the state reached is a steady state. The experiments demonstrated that below a critical difference of elongation, the grains can be mixed effectively. Conversely, when grain elongations are very different, a central core is formed, rich in the more elongated grains. In this case only limited mixing can be achieved. These results can guide the formulation of mixtures of grains with different elongations.

研究の動機と目的

• 粒の形状、特に延長率が回転ドラム系における混合と分離に与える影響を理解すること。
• ドラムの回転速度と充填率が延長粒の混合ダイナミクスに果たす役割を調査すること。
• 同じ体積だが延長率が異なる二成分混合物が、どのような条件下で有効な混合状態に達するか、あるいは分離状態に陥るかを特定すること。
• 回転系において、不可逆的分離を引き起こす延長率差の臨界閾値を同定すること。

提案手法

• 同じ体積だが異なる形状比を有する粒の二成分混合物を用いた透明回転ドラムを用いた実験を実施した。
• 各実験の開始時に層状に粒混合物を配置し、初期の不均一性を模倣し、時間経過に伴う変化をモニタリングした。
• ドラムを制御された回転速度で回転させ、充填率を系統的に変化させ、それが混合行動に与える影響を評価した。
• 混合状態を視覚的および定量的に時間経過でモニタリングし、定常状態に達したかどうかを判断した。
• 最終的な粒子の空間的分布を分析し、コア形成に注目して、混合状態か分離状態かを分類した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒の延長率の差が回転ドラム内での混合効率にどのように影響するか？
• RQ2 ドラムの回転速度は、延長粒の分離または均一化にどのような役割を果たすか？
• RQ3 ドラムの充填率は、二成分粉粒体混合物における分離領域の形成にどのように影響するか？
• RQ4 延長率差がどの臨界値に達すると、有効な混合が崩れ、コア分離が支配的になるか？

主な発見

• 粒の延長率の差が臨界閾値未満である場合、分離は最小限に抑えられ、有効な混合が達成される。
• この臨界閾値を超えると、より延長率の高い粒子が豊富な中心コアが急速に形成され、強い分離が生じることが示された。
• 混合ダイナミクスは速やかに定常状態に達するが、最終状態は粒間の延長率対比に強く依存する。
• 延長率の高い粒子が豊富なコアの形成は、長時間にわたる回転後でさえも、混合の範囲を制限する。
• ドラムの回転速度と充填率は分離の進行速度を調整するが、延長率の不一致が及える根本的影響を打ち破ることはできない。
• 同じ体積でも形状比が異なる粒は、形状依存の充填性および流れのダイナミクスにより、異なる移動パターンを示す。