[논문 리뷰] Discrete modelling of capillary mechanisms in multi-phase granular media

L. Scholts, Bruno Chareyre외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 06.

Granular flow and fluidized beds참고 문헌 26인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 부분 포화된 입자상 재료에서 수면 형성과 파손을 포착하기 위해 양-라플라스 방정식을 사용하여 모세관력을 시뮬레이션하는 이산 요소 방법(DEM) 모델을 제안한다. 이는 전단 강도가 모세압보다는 액체 브릿지 밀도에 의해 주로 결정됨을 보여주며, 수면 수와 매크로스코픽 응집력 간의 강한 상관관계를 확인한다.

ABSTRACT

A numerical study of multi-phase granular materials based upon micro-mechanical modelling is proposed. Discrete element simulations are used to investigate capillary induced effects on the friction properties of a granular assembly in the pendular regime. Capillary forces are described at the local scale through the Young-Laplace equation and are superimposed to the standard dry particle interaction usually well simulated through an elastic-plastic relationship. Both effects of the pressure difference between liquid and gas phases and of the surface tension at the interface are integrated into the interaction model. Hydraulic hysteresis is accounted for based on the possible mechanism of formation and breakage of capillary menisci at contacts. In order to upscale the interparticular model, triaxial loading paths are simulated on a granular assembly and the results interpreted through the Mohr-Coulomb criterion. The micro-mechanical approach is validated with a capillary cohesion induced at the macroscopic scale. It is shown that interparticular menisci contribute to the soil resistance by increasing normal forces at contacts. In addition, more than the capillary pressure level or the degree of saturation, our findings highlight the importance of the density number of liquid bonds on the overall behaviour of the material.

연구 동기 및 목표

• 입자 스케일의 상호작용을 모의하기 위해 이산 요소 방법(DEM)을 사용하여 삼축 하중을 받는 입자 집합체에서의 입자 스케일 상호작용을 시뮬레이션한다.
• 액체 브릿지로 인한 접촉면의 부착력 모델링을 위해 양-라플라스 방정식을 활용하여 모세관력을 통합한다.
• 표면장력과 모세압 효과를 접촉력 모델에 통합하여 표준 탄성-플라스틱 입자 상호작용과 결합한다.
• 습윤 및 건조 주기 중 수면의 형성과 파손을 추적하여 열역학적 평형 기반으로 수분 히스테리시스를 모델링한다.
• 매크로스코픽 거동을 시뮬레이션하기 위해 삼축 하중 경로를 적용하고, RVE에서 효과적 응력-변형률 거동을 유도한다.
• 모의된 매크로스코픽 전단 강도와 응집력 해석 및 검증을 위해 모어-쿨롱 기준을 적용한다.

제안 방법

• 삼축 하중을 받는 입자 집합체에서 입자 스케일 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 이산 요소 방법(DEM)을 사용한다.
• 액체 브릿지로 인한 접촉면의 부착력 모델링을 위해 양-라플라스 방정식을 활용하여 모세관력을 통합한다.
• 표면장력과 모세압 효과를 접촉력 모델에 통합하여 표준 탄성-플라스틱 입자 상호작용과 결합한다.
• 습윤 및 건조 주기 중 수면의 형성과 파손을 추적하여 열역학적 평형 기반으로 수분 히스테리시스를 모델링한다.
• 매크로스코픽 거동을 시뮬레이션하기 위해 삼축 하중 경로를 적용하고, RVE에서 효과적 응력-변형률 거동을 유도한다.
• 모의된 매크로스코픽 전단 강도와 응집력의 해석 및 검증을 위해 모어-쿨롱 기준을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자 접촉 스케일에서의 모세관력이 펜듈러 상태의 입자상 재료 매크로스코픽 전단 강도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 수면 형성과 파손으로 인한 수분 히스테리시스가 수습된 입자 집합체의 기계적 거동에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 부분 포화된 입자상 재료의 매크로스코픽 응집력이 주로 모세압에 의해 제어되는가, 아니면 액체 브릿지의 수에 의해 제어되는가?
• RQ4 초기 미세구조(예: 건조 또는 습윤 역사에 의한 것)가 전단 강도와 액체 브릿지 분포의 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 고체 구조의 비대칭성이 유체 분포와 수기계학적 결합을 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 모세관 수면은 입자 접촉면에서 정규력을 크게 증가시켜 매크로스코픽 응집력으로 이어진다.
• 동일한 모세압(Δu = 20 kPa) 조건에서 건조 샘플의 최대 전단 강도는 30 kPa였고, 습윤 샘플은 27 kPa였으며, 이는 응집력에서 1.3배의 차이를 보였다.
• 건조와 습윤 조건 간 응집력 비율(1.3)은 피크 응력에서 평균 액체 브릿지 수비율(7.4 / 5.5 = 1.34)과 밀접하게 일치하여, 수면 밀도와 강도 간의 강한 연관성을 확인한다.
• 초기 차이가 있었음에도 불구하고, 큰 변형 후 두 샘플은 유사한 평균 액체 브릿지 수를 가지는 공통 잔류 상태로 수렴하여 미세구조 재조직화를 나타낸다.
• yield 상태에서의 액체 브릿지 수는 유도된 응집력과 강하게 상관관계가 있으며, 이는 액체 브릿지 밀도가 모세압 수준보다 더 중요한 제어 변수임을 시사한다.
• 고체 스켈레톤의 비대칭성이 유체 분포와 수기계학적 결합에 크게 영향을 미치며, 이는 기존 모델에서 자주 간과되는 요소이다.