[논문 리뷰] Orientational order and alignment of elongated particles induced by shear

Tamás Börzsönyi, Balázs Szabó외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 26.

Granular flow and fluidized beds참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 실험과 이산 요소 시뮬레이션을 통해 거대한 길쭉한 입자들이 비틀림에 의해 정렬되는 현상을 조사한다. 입자들은 유동 방향과 거의 비율에 독립적인 작은 각도로 정렬되며, 이는 길이 대 지름 비율이 증가함에 따라 감소하고, 이 정렬은 효과적 마찰을 약 30% 감소시킨다. 이는 매우 다른 입자 간 힘을 가진다 해도 나이프틱 액정의 거동과 유사하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 분자계와 입자계 사이의 격차를 메우기 위해 거대한 길쭉한 입자에서 비틀림에 의한 정렬 순서를 이해하는 것.
• 비틀림 속도, 입자 길이 대 지름 비율, 밀도가 건조한 입자 유동에서 정렬과 효과적 마찰에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 다른 상호작용 메커니즘을 가진다 해도, 고밀도 입자계에서의 정렬 역학이 나이프틱 액정과 유사한지 여부를 규명하는 것.
• 무작위 초기 상태에서부터 정렬 순서가 발달하는 동안 비틀림 저항의 변화를 측정하는 것.

제안 방법

• 세 가지 비틀림 속도 범위를 커버하는 국소적이고 안정된 비틀림 유동을 생성하기 위해 실린더형 분할 바닥 비틀림 셀을 사용하였다.
• 3차원 전체 이미징을 위해 X선 단층촬영을, 표면에서의 입자 정렬을 추적하기 위해 광학 영상 기법을 사용하였다.
• 정렬 순서를 정량화하기 위해 대칭 비가역 텐서 T를 적용하였으며, S는 최대 고유값이고 D는 이축 순서 파라미터이다.
• 주축이 유동 방향으로부터 벗어난 정도인 평균 정렬 각도 θ_av를 정의하였다.
• 정렬 진화 과정에서 효과적 마찰의 변화를 측정하기 위해 바닥판에 작용하는 토크를 측정하였다.
• 평면 코앤티 유동에서 길쭉한 입자를 모델링하기 위해 겹치는 구를 사용한 이산 요소 방법(DEM) 시뮬레이션을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거대한 길쭉한 입자에서 비틀림 정렬은 비틀림 속도에 의존하는가, 그리고 다양한 비틀림 속도에서 정렬 각도는 일정한가?
• RQ2 길쭉한 입자의 길이 대 지름 비율이 비틀림에 의한 정렬 각도와 순서 파라미터에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비틀림에 의한 정렬이 입자 물질의 효과적 마찰을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 무작위 초기 상태에서부터 정렬 순서가 얼마나 빨리 발달하는가, 그리고 정렬 포화에 대한 특징적인 변형도는 얼마인가?
• RQ5 다른 입자 형상(예: 쌀과 실린더) 간의 정렬 역학과 마찰 변화의 동역학은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 입자 길축과 유동 방향 사이의 평균 정렬 각도 θ_av는 세 개의 비틀림 속도 범위에 걸쳐 비틀림 속도에 거의 영향을 받지 않는다.
• 일정한 입자 형상에서 θ_av는 길이 대 지름 비율이 증가함에 따라 감소하며, 데이터에서 θ_av ∝ 1/(L/d)의 선형적 의존성이 관찰된다.
• 입자가 완전히 정렬에 도달할 때 입자 물질의 효과적 마찰은 약 30% 감소하며, 최대 토크 대 정적 토크 비율(M_max/M_∞ ≈ 1.5)로 정량화된다.
• 토크의 일시적 진화는 특징적인 변형도 γ_trans를 가진 지수 감소를 따르며, 이 γ_trans는 길이 대 지름 비율에 따라 증가한다. 쌀 입자에 대해서는 γ_trans ≈ 0.4(L/d - 1)로 관찰된다.
• 정렬 순서의 발달은 빠르게 일어나며, 비틀림 영역 내에서 입자가 약 3~4명의 이웃을 통과한 후 정렬 값이 거의 정적 상태에 도달한다.
• 완전히 다른 입자 간 힘을 가진다 해도, 건조한 입자계에서의 정렬 행동은 나이프틱 액정과 유사하며, 이 현상의 기원이 기하학적 성질에 기인할 가능성이 제기된다.