[論文レビュー] Radial and axial segregation in horizontal rotating cylinders studied by Magnetic Resonance Imaging (MRI)

Thoa Thi Minh Nguyen, Andrew J. Sederman+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2006

Fluid Dynamics and Vibration Analysis参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ミルレットとポピーシードを充塡した水平回転シリンダーにおける径方向および軸方向の分離を、高分解能3次元およびリアルタイム2次元MRIを用いて調査した。初期の径方向分離は、ポピーシードの沈降とペルコレーションに起因し、軸方向バンドの形成、移動、融合は約3 μm s⁻¹の速度で発生する。高充填度（75%以上）のシリンダーではコア拡散が支配的メカニズムとなり、ポピーシードバンドの体積比60%という、非侵襲的かつ初めての定量的評価が得られた。

ABSTRACT

The dynamics of granular materials, mostly radial and axial segregation in horizontal rotating cylinders filled with millet and poppy seeds, is studied by Magnetic Resonance Imaging (MRI). For the first time, full 3D structures and real-time 2D MRI movies showing the progress of segregation over many hours are reported. Data are acquired with sufficiently high temporal and in-plane spatial resolutions (74 ms and 0.94 mm imes 0.94 mm, respectively), giving new insights into the underlying mechanisms. The millet and poppy mixture composition is calibrated based on the signal intensity and is quantified throughout segregation. As for radial segregation, millet and poppy mixture core formation is observed in cylinders of 75% and 82% filling level. The size of the core is calculated and the avalanche layer thickness is therefore determined. 2D MRI movies showing real-time radial segregation suggests that initial radial segregation is due to the stopping and percolation of poppy seeds. Axial segregation is characterized by the formation, traveling and merging of poppy-rich bands. In all cases studied, the formation of poppy-rich bands is observed, after which individual bands start to travel at \sim 3 μm s^{-1} until they are within \sim 3 cm of a stationary band. Adjacent bands then merge into a single, enlarged poppy band as millet seeds move out of the merging region. In both radial and axial segregation, core diffusion is shown to be another mechanism pathway for segregation besides the free surface.

研究の動機と目的

• 非侵襲的イメージングを用いて、水平回転シリンダー内での径方向および軸方向の分離を駆動するメカニズムを理解すること。
• 特に高充填系において、コア拡散と自由表面ダイナミクスの寄与を定量的に評価すること。
• 軸方向バンドの時間的発展、特に移動および融合プロセスの観察と特徴化を行うこと。
• 分離モデルの検証に用いる、高分解能3次元空間的・時間的データを提供すること。
• 分離過程中における、正確で非侵襲的かつ空間的に分解能のある粒状混合物組成の定量的評価のためのMRI信号強度のキャリブレーションを行うこと。

提案手法

• リアルタイム2次元および完全3次元の粒状分離ダイナミクスを捉えるために、74 msの時間分解能および0.94 mm × 0.94 mmの空間分解能を持つ磁気共鳴画像法（MRI）を用いた。
• 2次元FLASHリアルタイムムービーを記録し、数時間にわたる分離の発展を可視化し、バンド形成、移動、融合の観察を可能にした。
• MRIの信号強度をキャリブレーションすることで、ミルレットおよびポピーシードの局所的濃度を定量化し、非侵襲的かつ空間的に分解能のある組成測定を可能にした。
• 異なる充填度（75%および82%）における径方向分離時のコアサイズから、アバランチ層の厚さを推定した。
• 長さおよび充填率が異なるシリンダーを用いて、軸方向バンドの動きおよび融合イベントを追跡することで、バンドダイナミクスを分析した。
• 75%以上の充填度を持つシリンダーにおいて、安定したコアがアバランチ層の下に形成されることを観察し、コア拡散を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期の径方向分離の支配的メカニズムは何か。また、コア拡散とはどのように異なるか。
• RQ2 軸方向バンドはどのように形成され、時間とともに移動および融合するのか。その運動を駆動する要因は何か。
• RQ3 軸方向バンド内のポピーシード濃度は定量的にどの程度か。また、定常状態に近づく傾向があるか。
• RQ4 コア拡散は、75%以上の高充填度のシリンダー内での分離にどの程度寄与しているか。
• RQ5 MRIは、分離過程中に正確で非侵襲的かつ空間的に分解能のある粒状混合物組成の定量的評価を可能にするか。

主な発見

• 初期の径方向分離は、ポピーシードの停止とペルコレーションに起因し、小さな粒子が回転軸付近に蓄積される。
• 75%および82%充填のシリンダーでは、回転軸に沿って安定したコアが形成され、コアサイズからアバランチ層の厚さが推定された。
• 軸方向バンドは形成され、約3 μm s⁻¹の一定速度で移動し、約3 cm離れたバンド同士が融合する。この過程はミルレット粒子の横方向移動によって駆動される。
• 融合過程では、ミルレット粒子が界面領域から外側へ移動し、融合バンド内のポピーシード濃度が体積比60%に達する。
• すべてのバンドにおける最終的なポピーシード濃度は一貫して60%体積比であり、80,000回転（38時間）にわたる複数の途中および最終バンドで確認された。
• 75%以上の充填度を持つシリンダーでは、コアがアバランチ層から分離され、軸方向分離を経験するため、コア拡散が顕著な分離メカニズムであることが示された。