[论文解读] Orientational order and alignment of elongated particles induced by shear

Tamás Börzsönyi, Balázs Szabó+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2012

Granular flow and fluidized beds参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究通过实验和离散元模拟，探究了宏观长形颗粒在剪切作用下的取向排列行为。研究发现，颗粒在流动方向上以一个与剪切速率无关的小角度排列，且该角度随长径比增加而减小；这种排列使有效摩擦降低约30%，其行为与向列相液晶相似，尽管颗粒间作用力存在显著差异。

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.

研究动机与目标

• 理解宏观长形颗粒在剪切作用下的取向有序行为，弥合分子系统与颗粒系统之间的差距。
• 量化剪切速率、颗粒长径比和密度对干燥颗粒流中取向排列和有效摩擦的影响。
• 确定在密集颗粒系统中，取向排列动力学是否与向列相液晶相似，尽管其相互作用机制不同。
• 测量从随机初始构型发展出取向有序过程中剪切阻力的演化。

提出的方法

• 采用圆柱形对称剪切盒，在三个十年剪切速率范围内产生局部、稳定的剪切流，剪切速率可控。
• 利用X射线断层扫描进行三维体成像，结合表面光学成像，追踪颗粒取向与排列状态。
• 应用对称无迹张量T量化取向有序度，其中S为最大特征值，D为双轴有序参数。
• 将平均排列角θ_av定义为T的主轴与流动方向之间的夹角。
• 测量底部平板所受转矩，量化排列演化过程中有效摩擦的变化。
• 采用重叠球模型的离散元方法（DEM）模拟平面剪切流中长形颗粒的行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 宏观长形颗粒的剪切排列是否依赖于剪切速率？在不同剪切速率下，排列角是否保持恒定？
• RQ2 长形颗粒的长径比如何影响剪切诱导排列角和有序参数？
• RQ3 剪切诱导排列在多大程度上降低了颗粒材料的有效摩擦？
• RQ4 从随机初始状态开始，取向有序的发展速度如何？其排列饱和的特征应变是多少？
• RQ5 不同颗粒形状（如米粒与圆柱体）的排列动力学与摩擦演化行为有何异同？

主要发现

• 颗粒长轴与流动方向之间的平均排列角θ_av在三个十年剪切速率范围内几乎与剪切速率无关。
• 对于特定颗粒形状，排列角θ_av随长径比增加而减小，数据中观察到θ_av ∝ 1/(L/d)的线性关系。
• 当颗粒完全排列时，颗粒材料的有效摩擦降低约30%，该结果通过最大转矩与稳定状态转矩之比（M_max/M_∞ ≈ 1.5）量化。
• 转矩的瞬态演化遵循指数衰减，其特征应变γ_trans随长径比增加而增大，对米粒颗粒有γ_trans ≈ 0.4(L/d - 1)。
• 取向有序的发展迅速，当颗粒在剪切区通过约三至四个邻近颗粒后，排列即接近其稳定值。
• 尽管颗粒间作用力完全不同，干燥颗粒的排列行为与向列相液晶极为相似，提示该现象具有几何起源。