[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究结合光学成像与X射线计算机断层扫描，在圆柱形对开底部剪切腔中研究了长形颗粒在剪切作用下的取向排列与转动动力学。结果表明，颗粒的取向排列角与剪切速率无关，且在排列方向上旋转速度强烈依赖于取向——当长轴垂直于排列方向时旋转最快，当与排列方向一致时旋转最慢，而有效摩擦在有序瞬态过程中可降低高达50%。

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.

研究动机与目标

• 理解在稳态剪切流作用下，单个长形颗粒取向与转动动力学的时变行为。
• 量化颗粒长径比对剪切排列角与转动速度分布的影响。
• 研究在初始处于无序或反向排列状态时，突然施加剪切后系统的瞬态动力学行为。
• 将宏观摩擦阻力与微观颗粒重取向及转动行为相关联。
• 通过离散元模拟验证实验观测结果，并与三维X射线CT和二维光学成像结果交叉验证。

提出的方法

• 采用带有旋转底板的圆柱形对开底部剪切腔，以形成定义明确的剪切区域。
• 利用光学成像追踪玻璃圆柱和大米颗粒的表面运动，利用X射线计算机断层扫描实现长钉的完整三维重构。
• 应用颗粒追踪算法提取随时间变化的颗粒取向与转动速度。
• 通过径向依赖关系测量剪切区内的剪切速率分布，并使用分箱方法进行统计平均。
• 开展离散元方法（DEM）模拟，以补充并验证实验结果。
• 通过测量旋转盘上的转矩量化有效摩擦，归一化至渐近值，并使用球形芥末种子作为参考进行校正。

实验结果

研究问题

• RQ1 长形颗粒的稳态剪切排列角是多少？其与颗粒长径比和剪切速率的关系如何？
• RQ2 单个颗粒的转动速度如何随其相对于剪切排列方向的取向而变化？
• RQ3 从随机或反向排列初始状态开始，颗粒重取向的瞬态动力学行为如何？
• RQ4 在剪切诱导有序化过程中，颗粒材料的有效摩擦如何演变？
• RQ5 颗粒转动动力学与取向有序性在多大程度上与宏观机械阻力相关？

主要发现

• 稳态剪切排列角 Θ_av 与剪切速率无关，且随颗粒长径比增加而减小。
• 当颗粒长轴垂直于剪切排列方向时旋转最快，当与排列方向一致时旋转最慢，且快慢旋转速度之比随长径比增加而增大。
• 在稳态下，颗粒的净旋转为负（在标准实验设置中为顺时针），与剪切流方向一致，表明存在净的旋转趋势。
• 在瞬态过程中，略微超出剪切排列角的颗粒会反向旋转（与剪切流方向相反），从而加速向优选排列状态的重取向。
• 当系统从无序状态演化至剪切排列状态时，颗粒材料的有效摩擦降低约50%。
• 有效摩擦在瞬态过程中的演化遵循指数衰减，特征时间尺度为 γ_M ≈ 1.46，介于结构有序（γ_S）与角度有序（γ_θ）的时间尺度之间。