[논문 리뷰] Dynamic shear jamming under extension in dense granular suspensions

Sayantan Majumdar, Ivo R. Peters외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 07.

Granular flow and fluidized beds인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 급속한 확장 유동 조건에서 밀도가 높은 입자성 슬러리에서의 동적 전단 잠금 현상을 조사하며, 임계 속도 임계값을 초과하면 잠금된 영역의 확장으로 인해 법선력이 수십만 배 이상 급격히 증가하는 것으로 드러났다. 빠른 초음파 영상 촬영을 통해 경직된 경계 근처에서 강한 속도 기울기가 관찰되어, 고전적 유체역학 예측을 초월한 전단 잠금 메커니즘과 직접적인 연관성을 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 빠른 확장 유동 조건에서 밀도가 높은 입자성 슬러리의 기계적 거동을 이해하기 위해.
• 고속 확장 속도에서 윤활 유체역학과 표면장력 모델이 예측하는 것보다 응력이 크게 초과되는 이유를 조사하기 위해.
• 현장 영상 촬영을 통해 확장 중 잠금 영역의 형성과 진화를 특성화하기 위해.
• 관측된 잠금 현상과 밀봉된 입자계에서의 전단 잠금 메커니즘 간의 연관성을 설정하기 위해.

제안 방법

• 실험적으로 수직으로 상승하는 판에 의해 밀도가 높은 입자성 슬러리가 가하는 법선력을 제어된 속도로 측정한다.
• 확장 중 슬러리 내 국소 속도 프로파일을 매핑하기 위해 빠른 초음파 영상 촬영 기법을 사용한다.
• 잠금 발생의 임계 속도 임계값을 특정하기 위해 다양한 확장 속도로 시스템을 분석한다.
• 경직된 용기 벽 근처의 속도 기울기를 정량화하여 잠금 발생에 대한 경계 상호작용의 역할을 평가한다.
• 특히 경계 상호작용의 역할을 고려하여 전단 잠금 메커니즘의 맥락에서 데이터를 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빠른 확장 중에 밀도가 높은 입자성 슬러리에서 법선력이 갑작스럽게 수십만 배 이상 증가하는 원인은 무엇인가?
• RQ2 확장 중에 잠금 영역의 형성은 시간과 공간적으로 어떻게 진화하는가?
• RQ3 경직된 벽 근처의 속도 기울기가 전단 잠금 발생에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 관측된 거동은 고전적 윤활 유체역학 및 표면장력 모델과 얼마나 다를까?

주요 결과

• 임계 확장 속도를 초과하면 피크 법선력이 수십만 배 이상 증가하여 잠금 상태로의 전이를 나타낸다.
• 빠른 초음파 영상 촬영을 통해 빠른 확장 중에 움직이는 판 아래에 성장하는 잠금 영역이 형성되는 것으로 확인되었다.
• 경직된 용기 벽 근처에서 강한 속도 기울기가 발생하여 중요한 경계 상호작용이 있음을 나타낸다.
• 관측된 잠금 거동은 특히 경계 유도 전단 국소화를 통해 전단 잠금 메커니즘과 직접적으로 연관되어 있다.
• 고전적 유체역학적 또는 표면장력력으로는 설명할 수 없으며, 이는 별개의 잠금 메커니즘이 작용하고 있음을 시사한다.