[論文レビュー] Orientational order and alignment of elongated particles induced by shear

Tamás Börzsönyi, Balázs Szabó+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2012

Granular flow and fluidized beds参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、実験と離散要素法シミュレーションを用いて、マクロな細長い粒状粒子のせん断誘発整列を調査した。粒子は流れ方向に対して、せん断速度に依存しない小さな角度で整列し、アスペクト比が大きいほどその角度は小さくなる。この整列により有効摩擦が約30%低下し、分子系と粒状系の間のギャップを埋めるものであり、非常に異なる粒子間力にもかかわらずネマチック液体結晶の挙動に類似している。

ABSTRACT

Shear induced alignment of elongated particles is studied experimentally and numerically. We show that shear alignment of ensembles of macroscopic particles is comparable even on a quantitative level to simple molecular systems, despite the completely different types of particle interactions. We demonstrate that for dry elongated grains the preferred orientation forms a small angle with the streamlines, independent of shear rate across three decades. For a given particle shape, this angle decreases with increasing aspect ratio of the particles. The shear-induced alignment results in a considerable reduction of the effective friction of the granular material.

研究の動機と目的

• マクロな細長い粒子におけるせん断誘発配向秩序の理解を深め、分子系と粒状系の間のギャップを埋めること。
• せん断速度、粒子のアスペクト比、密度が、乾燥した粒状流れにおける整列および有効摩擦に与える影響を定量化すること。
• 異なる相互作用メカニズムを持つにもかかわらず、密度の高い粒状系における整列ダイナミクスが、ネマチック液体結晶のそれと類似しているかどうかを特定すること。
• ランダムな初期状態から配向秩序が発展する過程におけるせん断抵抗の変化を測定すること。

提案手法

• 3桁のスケールにわたる制御されたせん断速度で局所的かつ定常的なせん断流れを発生させるために、円筒形の分割底面せん断セルを用いた。
• 3次元バルクイメージングにはX線トモグラフィー、表面での粒子の配向と整列の追跡には光学イメージングを用いた。
• 配向秩序を定量化するために、対称的トレースレスな秩序テンソルTを適用し、Sを最大固有値、Dを二軸秩序パラメータとした。
• 主軸が流れ方向から逸脱する角度として、平均整列角θ_avを定義した。
• 整列の発展過程における有効摩擦の変化を測定するために、底面にかかるトルクを測定した。
• 平面コウテイ流れにおける細長い粒子をオーバーラップする球体を用いてモデル化した離散要素法（DEM）シミュレーションを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マクロな細長い粒子のせん断整列はせん断速度に依存するか。また、異なるせん断速度において整列角は一定か。
• RQ2 細長い粒子のアスペクト比が、せん断誘発整列角および秩序パラメータに与える影響は何か。
• RQ3 せん断誘発整列が、粒状材料の有効摩擦をどの程度低減するか。
• RQ4 ランダムな初期状態から配向秩序がどの程度の速さで発展するか。整列の飽和に至る特徴的なひずみは何か。
• RQ5 異なる粒子形状（例：お米とシリンダー）における整列ダイナミクスおよび摩擦の変化の比較は、どのように異なるか。

主な発見

• 粒子の長い軸と流れ方向との間の平均整列角θ_avは、3桁にわたるせん断速度の範囲でほぼせん断速度に依存しない。
• 同一の粒子形状に対して、アスペクト比が大きくなるほど整列角θ_avは小さくなり、データではθ_av ∝ 1/(L/d) の線形依存関係が観察された。
• 粒子が完全に整列した際、粒状材料の有効摩擦は約30%低下し、最大トルクと定常トルクの比（M_max/M_∞ ≈ 1.5）によって定量的に示された。
• トルクの過渡的変化は、特徴的なひずみγ_transとともに指数関数的減衰を示し、γ_transはアスペクト比に応じて増加する。お米粒ではγ_trans ≈ 0.4(L/d - 1) と近似された。
• 配向秩序の発展は速やかに進行し、せん断領域内を約3〜4個の隣接粒子を通過した後、整列はほぼ定常値に近づく。
• 粒子間力が全く異なるにもかかわらず、乾燥した粒状粒子の整列行動はネマチック液体結晶と類似しており、現象の起源が幾何学的要因に起因している可能性を示唆している。