Оползень — это крупномасштабный пример потока гранул, в котором твердые частицы движутся как жидкость — представьте, что песок течет через песочные часы. Крупномасштабное компьютерное моделирование показало, что трение в оползнях ведет себя таким образом, который противоречит всем существующим теориям о гранулированном потоке, и это вдохновило на поиски «недостающей физики» в действии во время оползней.
Ключевой элемент головоломки был обнаружен Кэмпбеллом в 2002 и 2005 годах, когда он использовал упругие свойства частиц, чтобы нарисовать карту потока для всех гранулированных потоков, разделив ее на два отдельных режима: «упругий режим», в котором преобладают силовые цепи — сильно нагруженные квазилинейные «столбцы» частиц, которые образуются внутри текучих гранул, которые сильно зависят от упругих свойств по сравнению с «инерционным режимом», свободным от силовых цепей.Последнее открытие, о котором Кэмпбелл и аспирант Тонтонг Гуо сообщают на этой неделе в журнале Physics of Fluids, изданном AIP Publishing, связано с использованием измерений гранулярных потоков с помощью кольцевых ячеек сдвига для подтверждения существования двух режимов потока.
Ячейка с кольцевым сдвигом — это устройство для измерения свойств потока частиц, и Кэмпбелл и Гуо провели испытания четырех различных видов пластиковых сферических частиц при постоянном объемном расходе и постоянных потоках приложенного напряжения.«Эти эксперименты было трудно выполнить», — признал Кэмпбелл.Но это стоило усилий, потому что «оно подтвердило наши результаты за 2002 и 2005 годы — мы смогли наблюдать различные режимы и переходы между ними», — сказал Кэмпбелл. «В недавно обнаруженном« упруго-инерционном режиме », который является частью упругого режима, кажущееся трение увеличивается с увеличением скорости сдвига, и, вероятно, именно там и работало моделирование оползней, хотя эффект может быть недостаточно сильным, чтобы объяснить низкое трение наблюдается при длительных оползнях ».В то время как более ранние работы проводились с использованием компьютерного моделирования дискретных частиц, в последних работах использовалось прямое экспериментирование.
Последствия этой работы значительны, потому что почти все твердые материалы в отраслях, от горнодобывающей до фармацевтической, обрабатываются или обрабатываются в гранулированной форме.«Гранулированный материал течет под действием силы тяжести, и для перемещения материалов вокруг этих заводов часто используются желоба и бункеры с гравитационным приводом. К сожалению, мало что известно о том, как эти материалы текут, поэтому эти устройства часто проектируются путем испытаний, что очень дорого», — пояснил Кэмпбелл. . «Наша текущая работа дополняет базовое понимание свойств сыпучего потока».
Что дальше у группы?«Компьютерное моделирование дискретных частиц, используемое на ранних этапах нашей работы, теперь повсеместно, и современные компьютеры могут использоваться для моделирования потока гранул через целые перерабатывающие предприятия, поэтому их начинают использовать в процессе проектирования заводов», — сказал Кэмпбелл. «Материальные свойства частиц являются входными данными для таких программ. Мы планируем сравнить данные этих экспериментов с моделированием, чтобы оценить наиболее важные свойства материала и насколько точно нам нужно сопоставить входные свойства, чтобы получить разумные результаты от симуляции ".