[논문 리뷰] Shear induced alignment and dynamics of elongated granular particles

Tamás Börzsönyi, Balázs Szabó외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 13.

Granular flow and fluidized beds참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 실린더형 분할 바닥 측정장치에서 광학 영상 및 X선 단층촬영을 병행하여 길쭉한 입자 입자들이 비틀림에 의해 정렬되고 회전하는 동역학을 조사한다. 연구 결과, 입자들은 비틀림 속도에 관계없이 일정한 비틀림 정렬 각도로 정렬되며, 이 때 입자의 회전 속도는 정렬 방향에 대한 정렬 방향에 따라 크게 달라지는데, 정렬 방향과 수직일 경우 가장 빠르고, 정렬된 상태일 경우 가장 느리다. 이와 동시에 효과적 마찰 계수는 정렬 전이 상태 동안 최대 50% 감소한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 정 steady 비틀림 유동 조건에서 개별 길쭉한 입자 입자의 시간에 따른 정렬 동역학을 이해하기 위해.
• 입자 외형 비율이 비틀림 정렬 각도와 회전 속도 분포에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 초기로 무질서하거나 반대 방향으로 정렬된 입자 구성을 갖는 상태에서 비틀림을 갑작스럽게 적용했을 때의 잠깐 동안의 동역학을 조사하기 위해.
• macroscopic 마찰 저항과 미세 수준의 입자 재정렬 및 회전 행동 간의 상관관계를 규명하기 위해.
• 실험적 관찰 결과를 이산 요소 시뮬레이션과 비교 검증하고, 3차원 X선 CT 및 2차원 광학 영상 결과와 교차 검증하기 위해.

제안 방법

• 균일한 비틀림 영역을 생성하기 위해 회전하는 바닥판을 갖춘 실린더형 분할 바닥 비틀림 셀을 사용하였다.
• 유리 실린더와 쌀 알갱이의 표면 입자 추적을 위해 광학 영상 기법을 사용하였고, 페그의 전체 3차원 재구성을 위해 X선 단층촬영을 사용하였다.
• 시간에 따라 변화하는 입자 정렬 상태와 회전 속도를 추출하기 위해 입자 추적 알고리즘을 적용하였다.
• 반경 방향 의존성을 사용하여 비틀림 속도 프로파일을 측정하였으며, 통계적 평균화를 위해 밴드를 설정하였다.
• 실험 결과를 보완하고 검증하기 위해 이산 요소 방법(DDEM) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 정상 상태 값에 대해 정규화하고, 구형 Mustard 씨앗을 기준으로 보정하여, 토크 측정을 통해 효과적 마찰 계수를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 길쭉한 입자 입자의 정 steady 비틀림 정렬 각도는 무엇이며, 입자 외형 비율과 비틀림 속도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 개별 입자의 회전 속도는 비틀림 정렬 방향에 대한 입자의 정렬 상태에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 무질서하거나 반대 방향으로 정렬된 초기 상태에서 비틀림을 가했을 때의 입자 재정렬 동역학은 어떠한가?
• RQ4 비틀림에 의해 정렬되는 과정에서 입자 물질의 효과적 마찰 계수는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 입자 회전 동역학과 정렬 질서가 매크로스코픽 기계적 저항과 얼마나 관련이 있는가?

주요 결과

• 정 steady 상태에서의 비틀림 정렬 각도 Θ_av 는 비틀림 속도에 영향을 받지 않으며, 입자 외형 비율이 증가할수록 감소한다.
• 입자의 장축이 비틀림 정렬 방향과 수직일 경우 가장 빠르게 회전하고, 정렬된 상태일 경우 가장 느리게 회전하며, 이 빠른/느린 회전 비율은 외형 비율이 증가함에 따라 증가한다.
• 정 steady 상태에서 입자의 순회전은 음수(표준 설정에서 시계 방향)이며, 이는 비틀림 유동 방향과 일치하여 네트워크 회전 경향을 나타낸다.
• 전이 상태 동안 비틀림 정렬 각도를 略로 넘어서 정렬된 입자는 유동 방향과 반대 방향으로 후진 회전을 하며, 이는 선호 정렬 상태로의 더 빠른 재정렬을 가능하게 한다.
• 입자 물질의 효과적 마찰 계수는 무질서 상태에서 비틀림 정렬 상태로의 진화 과정에서 약 50% 감소한다.
• 전이 상태에서 효과적 마찰 계수의 변화는 특성 시간 상수 γ_M ≈ 1.46 를 갖는 지수 감소를 따르며, 이는 구조적 질서(γ_S)와 각도 질서(γ_θ)의 특성 시간 상수 사이에 위치한다.