[論文レビュー] Shear induced alignment and dynamics of elongated granular particles

Tamás Börzsönyi, Balázs Szabó+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2012

Granular flow and fluidized beds参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、円筒形スプリットボトムシェアセルを用い、光学画像法とX線コンputedトモグラフィーを併用して、細長い顆粒粒子のせん断誘起配列および回転運動を調査した。粒子はせん断速度に依存しないせん断配列角度に整列し、回転速度は方向に強く依存しており、配列方向に対して垂直な方向に最も速く、整列している方向に最も遅い。また、秩序化遷移中に有効摩擦は最大50％低下した。

ABSTRACT

The alignment, ordering and rotation of elongated granular particles was studied in shear flow. The time evolution of the orientation of a large number of particles was monitored in laboratory experiments by particle tracking using optical imaging and x-ray computed tomography. The experiments were complemented by discrete element simulations. The particles develop an orientational order. In the steady state the time and ensemble averaged direction of the main axis of the particles encloses a small angle with the streamlines. This shear alignment angle is independent of the applied shear rate, and it decreases with increasing grain aspect ratio. At the grain level the steady state is characterized by a net rotation of the particles, as dictated by the shear flow. The distribution of particle rotational velocities was measured both in the steady state and also during the initial transients. The average rotation speed of particles with their long axis perpendicular to the shear alignment angle is larger, while shear aligned particles rotate slower. The ratio of this fast/slow rotation increases with particle aspect ratio. During the initial transient starting from an unaligned initial condition, particles having an orientation just beyond the shear alignment angle rotate opposite to the direction dictated by the shear flow.

研究の動機と目的

• 定常せん断流れ下での個々の細長い顆粒粒子の時間発展的配向および回転運動を理解すること。
• 粒子のアスペクト比がせん断配列角度および回転速度分布に与える影響を定量化すること。
• 初期に整列していない、もしくは逆方向に整列した粒子配置に対して、急激にせん断を加えたときの遷移的ダイナミクスを調査すること。
• マクロな摩擦抵抗とミクロ的粒子再配列および回転行動との相関関係を明らかにすること。
• 実験的観察を離散要素法（DEM）シミュレーションで検証し、3次元X線CTと2次元光学画像法で相違を検証すること。

提案手法

• 回転する底板を備えた円筒形スプリットボトムシェアセルを用い、明確なせん断ゾーンを生成した。
• ガラスシリンダーやライス粒の表面粒子追跡には光学画像法を、ペグの完全な3次元再構成にはX線コンputedトモグラフィーを用いた。
• 時間分解能のある粒子の配向および回転速度を抽出するために、粒子追跡アルゴリズムを適用した。
• 半径依存性を用いてせん断率プロファイルを測定し、統計的平均化にバインを用いた。
• 実験的結果を補完および検証するために、離散要素法（DEM）シミュレーションを実施した。
• 回転板にかかるトルク測定を用いて有効摩擦を定量化し、漸近値に対して正規化し、球形のマスタードシードを基準として補正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 細長い顆粒粒子の定常状態におけるせん断配列角度は何か？また、粒子のアスペクト比およびせん断速度にどのように依存するか？
• RQ2 個々の粒子の回転速度は、せん断配列方向に対するその配向にどのように依存するか？
• RQ3 ランダムまたは逆方向に整列した初期状態からの遷移時における粒子再配列のダイナミクスは何か？
• RQ4 せん断誘起秩序化過程中における顆粒材料の有効摩擦はどのように変化するか？
• RQ5 粒子の回転運動および配向秩序が、マクロな機械的抵抗とどの程度相関しているか？

主な発見

• 定常状態におけるせん断配列角度 Θ_av はせん断速度に依存せず、粒子のアスペクト比が増加するにつれて減少する。
• 粒子は長軸をせん断配列方向に対して垂直に保つと最も速く回転し、整列している方向では最も遅くなる。また、アスペクト比が増加するにつれて、速い回転と遅い回転の比が増加する。
• 定常状態では、粒子のネット回転は負（標準設定では時計回り）であり、せん断流れの方向と整合しており、一様な回転傾向があることが示された。
• 遷移状態では、せん断配列角度をわずかに超えた配向にある粒子は逆方向（せん断流れとは逆）に回転し、好ましい整列状態への再配列が速やかに進行する。
• 系が整列していない状態からせん断配列状態に移行する過程で、顆粒材料の有効摩擦は約50％低下した。
• 有効摩擦の遷移的変化は、特徴的な時定数 γ_M ≈ 1.46 の指数関数的減衰に従い、構造的秩序（γ_S）と角度的秩序（γ_θ）の両者の時定数の間の中間的な値を示した。