[论文解读] Dynamic shear jamming under extension in dense granular suspensions

Sayantan Majumdar, Ivo R. Peters+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2016

Granular flow and fluidized beds被引用 5

一句话总结

本研究探讨了在快速拉伸流场下密集颗粒悬浮液中的动态剪切阻塞现象，发现当速度超过临界阈值时，悬浮液因阻塞区域的形成而表现出法向力急剧增加，达数个数量级。高速超声成像显示，刚性边界附近存在强烈的速度梯度，直接将该现象与经典流体动力学预测之外的剪切阻塞机制联系起来。

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.

研究动机与目标

• 理解密集颗粒悬浮液在快速拉伸流场下的力学响应。
• 探究在高拉伸速率下应力为何超过润滑流体动力学和毛细作用预测值的原因。
• 利用原位成像表征阻塞区域在拉伸过程中的形成与演化。
• 建立观测到的阻塞行为与受限颗粒系统中剪切阻塞机制之间的联系。

提出的方法

• 实验测量颗粒悬浮液在垂直向上运动的平板上施加的法向力，控制运动速度。
• 使用高速超声成像技术在拉伸过程中测绘悬浮液内部的局部速度分布。
• 通过改变拉伸速率分析系统，以识别阻塞发生的临界速度阈值。
• 量化刚性容器边界附近的速度梯度，评估其在阻塞起始中的作用。
• 结合剪切阻塞机制对数据进行解释，尤其关注边界相互作用的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在密集颗粒悬浮液快速拉伸过程中，法向力为何出现突然的、数个数量级的增加？
• RQ2 在拉伸过程中，阻塞区域的形成在时间和空间上如何演化？
• RQ3 刚性边界附近的速度梯度在剪切阻塞起始中起到多大程度的作用？
• RQ4 观测到的响应与经典润滑流体动力学和毛细模型相比有何偏离？

主要发现

• 当拉伸速度超过临界值时，峰值法向力增加数个数量级，表明系统发生向阻塞状态的转变。
• 高速超声成像揭示，在快速拉伸过程中，移动平板下方逐渐形成一个不断扩大的阻塞区域。
• 在刚性容器壁附近形成强烈的速度梯度，表明边界相互作用显著。
• 观测到的阻塞行为与剪切阻塞机制直接相关，尤其通过边界诱导的剪切局域化机制。
• 该响应无法用经典流体动力学或毛细力解释，表明存在一种不同的阻塞机制在起作用。