Anisometric granular materials  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
107737
Type NN
Principal investigator Börzsönyi, Tamás
Title in Hungarian Anizometrikus szemcsés anyagok
Title in English Anisometric granular materials
Keywords in Hungarian szemcsés anyagok, dinamika
Keywords in English granular materials, dynamics
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Soft matter and polymer physics
Panel Physics 1
Department or equivalent Complex Fluids Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants Szabó, Balázs
Török, János
Starting date 2013-06-01
Closing date 2017-01-31
Funding (in million HUF) 17.970
FTE (full time equivalent) 7.26
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Anizometrikus szemcsékből álló anyagok tulajdonságait tervezzük vizsgálni kísérleti és numerikus módszerekkel. A vizsgálatok célja ezen komplex anyagokban lejátszódó dinamikai folyamatok és rajtuk keresztül az anyag folyási tulajdonságainak jobb megértése, felhasználva napjaink modern mérési technikáit, pl: gyors kamerás felvételek digitális elemzése, nyírási terek feltérképezése az anyag belsejében mágneses rezonanciás képalkotás (MRI) technikával, vagy röntgentomográf (CT) segítségével, illetve kihasználva a korszerű modellezési lehetőségeket, pl. numerikus szimulációk, kinetikus elasztoplasztikus modell.
A következő jelenségeket tervezzük tanulmányozni:
(1) anizometrikus részecskék rendeződése és orientálódása nyíró áramlásokban,
(2) folyási és torlódási jelenségek tartályból való kifolyásnál (hopper flow),
(3) nyírási zónák geometriája.

A kutatást nemzetközi együttműködésben tervezzük végezni, így lehetőségünk nyílik használni a magdeburgi egyetem (Németország) 3 dimenziós képalkotó berendezéseit (CT és MRI). A magyar diákok elsajátíthatják mind a berendezések kezelésének, mind pedig a felvett tomogrammok hatékony kiértékelésének módszereit.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Ezen pályázatban tervezett kutatások három kérdéskörre kívánnak választ adni:
1. A kérdések első köre a nyíró áramlásnak kitett anizometrikus részecskék dinamikáját vizsgálja. Mi a hasonlóság ill. a különbség a hosszúkás (rúd alakú) valamint az ellapított (diszk alakú) részecskék viselkedése között? Az esetleges különbségek hogyan jelennek meg a sok részecskére kiátlagolt mennyiségekben (pl. átlagos orientációs szög), ill. az egyes részecskék dinamikájában (forgás)? Hogyan viselkednek a még komplexebb alakú részecskék (pl. hajlított törzsű, vagy poláros szemcsék)?
2. A második témakör a tartályból való kifolyás (hopper flow) dinamikáját és az itt megfigyelhető torlódási jelenségeket foglalja magában. Hogyan függenek ezek a jelenségek a részecskék alakjától elnyújtott, lapított, vagy poláris részecskéket használva? Hogyan alakul ki a boltívesedés és torlódás, ami a folyás megszűnését okozza? Mik a feltorlódott konfiguráció legfontosabb geometriai jellemzői számos 3 dimenziós mérés (és azok átlagolása) alapján?
3. A harmadik kérdéskör ahhoz a jelenséghez kapcsolódik, hogy szemcsés anyagot lassan nyírva a deformáció egy keskeny tartományba lokalizálódik, amit deformációs vagy nyírási zónának nevezünk. Mekkora kiterjedésű a deformációs zóna? Hogyan függ ez az anyag belső súrlódási együtthatójától? Milyen körülmények között fordul elő, hogy ez a zóna felhasad több ágra?

A pályázatban tervezett kutatások a fenti kérdésköröket igyekeznek megválaszolni laboratóriumi kísérletek és numerikus szimulációk segítségével.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett kutatási témák nem csak alapkutatási szempontból fontosak, hanem fontos hatásuk van ipari, vagy természeti problémák/jelenségek megértésében. A szemcsés anyagok kiterjedt mindennapos ipari alkalmazása miatt a témakör mérnöki irodalma sokkal bővebb, mint a fizikusi. Sajnos, általános elmélet hiányában különböző esetekre különböző közelítéseket alkalmazó modellegyenleteket használnak. Az alapkutatásban a szemcsés folyások jelenleginél sokkal precízebb leírására van szükség, mivel a jelenleg használt modellegyenletek a jelenségek kis körét írják csak le. Ezt a folyadékok esetével érdemes szembeállítani, ahol az általános érvényű Navier-Stokes egyenletek már több mint egy évszázada ismertek. A tervezett vizsgálatok: laboratóriumi mérések és numerikus szimulációk a két legalkalmasabb módszert jelentik az új elméletek tesztelésére. A mérnöki irodalom másik fő jellemzője, hogy nagyrészt a makroszkopikus viselkedésre koncentrál. A megfigyelt dinamikai viselkedésformák mikroszkopikus leírása még mindig igen hiányos, így ezen kutatási témák ilyen kérdésekre keresik a választ:
Hogyan rendeződnek az elnyújtott részecskék nyíró áramlásokban? Milyen körülmények között torlódik fel az anyag és áll meg a folyás (boltívesedés) silószerű tartály ürítésekor? Hogyan történik a nyírási lokalizáció szabálytalan alakú részecskékből álló realisztikus anyagokban az idealizált gömbszerű részecskék esetéhez viszonyítva? (A legtöbb numerikus és elméleti modell csak a második esetre korlátozódik.) Ezek a problémák erősen kapcsolódnak ipari, geológiai vagy mezőgazdasági folyamatokhoz, ahol különböző formájú szemcsék áramlásának pontos leírása szükséges.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A szemcsés anyagok az ipar és a természeti jelenségek szempontjából is nagyon fontosak. Jelentős gazdasági hátrányt okoz, hogy a kutatók és mérnökök nem tudják precízen leírni, hogy ezek az anyagok hogyan folynak, ill. nem tudják pontosan megjósolni, hogy terhelés alatt mikor csúsznak meg. Gondolhatunk a silók optimalizálására, a velük kapcsolatos balesetek (összeomlások) megelőzésére, vagy a terhelésnek kitett szemcsés anyag megcsúszására, ami a nemrégiben bekövetkezett vörösiszap katasztrófát is okozta. Manapság rendelkezésre áll a technikai háttér, hogy olyan számítógépes modelleket , vagy laboratóriumi kísérleteket készítsünk, amelyek az eddigieknél jobban írják le, illetve meg tudják jósolni ezen anyagok viselkedését. A pályázatban tervezett kutatásban kihasználjuk a modern technikai eszközök előnyeit, úgymint a gyors kamerás (500-30000 kép/s) képrögzítést ill. a digitális képfeldolgozást a folyási jelenségek vizsgálatára, a röntgen tomográfiát (CT) és mágneses magrezonancia képalkotást (MRI) az anyag belső szekezetének feltérképezésére, valamint numerikus módszereket, amelyek alkalmasak sokrészecskés rendszerek dinamikájának pontos modellezésére. A jelen kutatási terv szerint vizsgálni kívánjuk, hogy a terhelésnek kitett szemcsés rendszerekben miként koncentrálódik a deformáció szűk tartományokra, hogyan viselkednek az anizometikus szemcsék folyás során.
A kutatást nemzetközi együttműködésben tervezzük végezni, kihasználva a magdeburgi egyetem (Németország) 3 dimenziós képalkotó berendezéseit (röntgentomográf és MRI). A magyar diákok elsajátíthatják mind a berendezések kezelésének, mind pedig a felvett tomogrammok optimális kiértékelésének részleteit.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
We plan to investigate the behavior of granular materials consisting of anisometric particles experimentally and numerically. The aim of the planned investigations is to gain a better understanding of the flow properties and the dynamics of these complex materials taking benefit of modern experimental techniques (e.g. analysis of flow fields by fast video recording, detection of internal deformation by Magnetic Resonance Imaging or X-ray Computed Tomography) and modeling tools (e.g. numerical simulations, kinetic elasto-plastic model).
We plan to investigate the following phenomena:
(1) ordering and alignment of anisometric granular materials in shear flows,
(2) flow and jamming phenomena in hopper flows,
(3) geometry of shear zones.

The planned research will be realized in international collaboration with the Department for Nonlinear Physics at the Magdeburg University, Germany, allowing us to use three-dimensional measuring techniques (X-ray CT and MRI). The Hungarian students will learn how to operate these equipments as well as different methods for analyzing the tomograms.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The questions to be answered by this research proposal form three groups.
1. The first set of questions focuses on the dynamics of anisometric particles in shear flow. What are the differences between the behavior of prolate and oblate particles? How do these differences manifest in the ensemble averaged properties of many particles (e.g. orientational angle) or in the rotation dynamics of individual grains? What are the characteristics of the dynamics of grains with even more complex shape (e.g. bent core or polar particles)?
2. The second group of questions focuses on the dynamical properties of hopper flows and jamming in such systems. How do these phenomena depend on the shape of the grains using prolate, oblate or polar particles? How does arching and jamming develop, leading to cessation of the flow? What are the most important geometrical features of the jammed state using numerous three-dimensional measurements and averaging them?
3. The third problem is related to the fact that the deformation in slowly sheared granular materials is often concentrated to a narrow region called shear zone. What is the spatial extension of the shear zone? How does this depend on the internal friction of the material? Under what circumstances will the zone split up and form multiple branches?

The proposal aims to answer the above question by experimental investigations and numerical simulations.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The subject of the present research proposal is very important for basic research but also has far reaching impact for industry or natural phenomena. Due to the widespread industrial applications of granular materials the engineering literature is much broader than the related basic research literature. Unfortunately, in the absence of a general theory engineers can only use special model equations for different geometries. For basic science we need a much better description of granular flows than we have now since the validity of the currently used equations is usually limited to specific cases. This is to be contrasted to the case of liquids, where the Navier-Stokes equations are known for more than a century. The proposed investigations: laboratory experiments and numerical modeling are the two major methods to test the validity of emerging new theories. The other feature of engineering literature is that it concentrates mainly on macroscopic behavior. The microscopic description of the observed dynamical processes is often missing, so the proposed research projects aim to answer the such questions:
How do elongated particles align in shear flows? Which conditions lead to jamming and arching in hopper flows? How does shear localization happen for realistic materials (consisting of grains with irregular shape) compared to the idealized case of spherical beads which is the usually studied case in numerical models or theories? These problems have strong connections to phenomena observed in industry, geology or agriculture.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Granular materials are very important in nature and industry. Huge amounts of economic resources are spent because scientists and engineers can not describe accurately how these materials flow or can not accurately predict failure of such materials under load. We can think about optimization of silo flows or preventing silo failure, or failure of a granular material under load which led to the recent Alumina plant accident in Hungary. Nowadays we have the technical background to develop models and experimental tools to better describe and eventually predict the behaviour of these materials. In the present proposal we wish to take benefit of modern experimental tools such as fast video recording (500-30000 fps) and digital image analysis to investigate the flow properties of these materials, employ X-ray Computed Tomography (CT) and Magnetic Resonance Imaging (MRI) for visualizing the internal structure of the materials, and use sophisticated numerical methods by which we can model the dynamics of large grain assemblies. This proposal focuses on shear localization in granular materials under load and shear alignment of anisometric (prolate or oblate) particles.

The planned research will be realized in international collaboration with the Department for Nonlinear Physics at the Magdeburg University, Germany, allowing us to use three-dimensional measuring techniques (X-ray CT and MRI). The Hungarian students will learn how to operate these equipments as well as different methods for analyzing the tomograms.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Az anizometrikus (elnyújtott vagy lapított alakú) részecskékből álló szemcsés anyagokban nyírás hatására kialakuló rendeződést vizsgálva megállapítottuk, hogy az ennek következtében kialakuló térfogatcsökkenés csak részben tudja ellensúlyozni az általánosan megfigyelhető Reynolds tágulást. Felfedeztük, hogy a rendeződés a hengeres elrendezésű nyírócellában másodlagos áramlás kialakulásához vezethet. Egy silóban kialakuló áramlási teret vizsgálva megmutattuk, hogy az elnyújtott részecskék - az egyszerű nyírás esetéhez hasonlóan - a folyás irányával kis szöget zárnak be. Mindemellett azt találtuk, hogy a siló bedugulásának valószínűsége a részecskék elnyújtottságának növelésével emelkedik (azonos részecsketérfogat és siló nyílásméret mellett). Megmutattuk, hogy a nyírási zónák alakja egy illesztési paraméterrel (a térfogati és a határfelület melletti effektív súrlódás hányadosával) megadható, ill. hogy rendezetlen állapotból indulva, a nyírási lokalizáció kifejlődése jelentős eltérést mutat egy elnyújtott alakú, vagy gömbszerű részecskékből álló anyagban. Elsőként sikerült kísérletileg és numerikusan dokumentálnunk, hogy egy kétkomponensű keverékben, melyben a részecskék csak a felületi súrlódásukban térnek el (azonos részecskeméret, sűrűség és alak) hogyan válik szét a két komponens nyírás hatására. Numerikus szimulációinkkal egy aktuális (vasúti pálya építési) problémában is sikerült előremutató megoldást találnunk.
Results in English
We have shown that in a granular material consisting of anisometric (elongated or flattened) grains the shear induced Reynolds dilation will only be partially be compensated by the orientational ordering of the grains. We have discovered that this ordering can also lead to a secondary convection in the cylindrical shear cell. Analyzing the flow field in a silo, we have shown that the elongated particles are oriented in average nearly parallel to the flow lines (as in simple shear flows). At the same time we found that the probability of clogging is increasing with increasing grain elongation (keeping the grain volume and hopper orifice constant). We have shown that the shape of the shear zone can be fitted by using a single relevant parameter (the ratio of the effective frictions near the wall and in the bulk). Starting from a random system, the evolution of the shear zone (shear localization) strongly differs for elongated and spherical grains. We gave the first experimental demonstration (together with numerical simulations) of shear induced segregation in a binary mixture, where the two types of grains only differed in their surface friction (same grain size, density and shape). We gave a solution for an actual problem (optimizing railway track building) using our numerical model.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=107737
Decision
Yes





 

List of publications

  
Sandra Wegner, Ralf Stannarius, Axel Boese, Georg Rose, Balázs Szabó, Ellák Somfai, Tamás Börzsönyi: Effects of grain shape on packing and dilatancy of sheared granular materials, SOFT MATTER, 2014
Tamás Börzsönyi, Balázs Szabó, Sandra Wegner, Kirsten Harth, Tomasz Bien, Ralf Stannarius, János Török, Ellák Somfai: Shear Induced Alignment of Elongated Particles, Talk at the 2nd IMA Conference on Dense Granular Flows 1-4 July 2013 Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences, Cambridge, Abstracts Book p. 12., 2013
Balázs Szabó, János Török, Ellák Somfai, Sandra Wegner, Ralf Stannarius, Axel Boese, Georg Rose, Frank Angenstein, Tamás Börzsönyi: Evolution of shear zones in granular materials, PHYSICAL REVIEW E 90, 032205,, 2014
G. Wortel, T. Börzsönyi, E. Somfai, S. Wegner, B. Szabó, R. Stannarius, M. van Hecke: Heaping, secondary flows and broken symmetry of elongated granular particles, Soft Matter 11, 2570, 2015
Balázs Szabó, Sandra Wegner, Ralf Stannarius, Ellák Somfai, János Török, Tamás Börzsönyi: Packing and ordering of particles under shear, Talk at the Conference on Packing and Jamming of Particulate Systems, 15-18 September 2014, Erlangen Abstract Book pp. 50-51, 2014
Tamás Börzsönyi, Balázs Szabó, Zsolt Kovács, Ellák Somfai, Sandra Wegner, David Fischer, Ralf Stannarius: Hopper flow and clogging: experiments with spherical and elongated grains, Invited talk at the ZCAM WORKSHOP on Flow and clogging in bottlenecks: simulations and experiments, September 17-19, Zaragoza, Spain, 2014
Tilo Finger, Florian von Rüling, Sára Lévay, Bence Szabó, Tamás Börzsönyi, Ralf Stannarius: Segregation of granular mixtures in a spherical tumbler, PHYSICAL REVIEW E 93, 032903, 2016
Tamás Börzsönyi, Balázs Szabó, Ellák Somfai, Sandra Wegner, Ralf Stannarius: Rotation and ordering of elongated particles under shear, Invited talk at XXXVI Dynamics Days Europe, Corfu, Greece, on June 6-10, 2016
Balázs Szabó, János Török, Ellák Somfai, Sandra Wegner, Ralf Stannarius, Axel Boese, Georg Rose, Frank Angenstein, Tamás Börzsönyi: Characterization of wide shear zones in dry granular matter, Poster at the Imaging Particles Workshop, 4-8 April, Erlangen, Germany, 2016
Sára Lévay, János Török: [Dynamical mesoscopic model for granular shear, Talk at the DPG Tagungen, 6-11 March, Regensburg, Germany, 2016
János Török, Sára Lévay: Fluctuating band model, Talk at the IVth International Conference on Particle Based Methods: Fundamentals and Applications, 28-30 September, Barcelona, Spain, 2015
János Török, Balázs Szabó, Ellák Somfai, and Tamás Börzsönyi: Hopper flow of nonspherical granular particles, Talk at the DPG Tagungen, 6-11 March, Regensburg, Germany, 2016
G. Wortel, T. Börzsönyi, E. Somfai, S. Wegner, B. Szabó, R. Stannarius, M. van Hecke: Heaping, secondary flows and broken symmetry of elongated granular particles, Soft Matter 11, 2570, 2015
T. Börzsönyi, E. Somfai, B. Szabó, S. Wegner, P. Mier, G. Rose, R. Stannarius: Packing, alignment and flow of shape-anisotropic grains in a 3D silo experiment, New J. Phys. 18, 093017, 2016
D. Fischer, T. Börzsönyi, D.S. Nasato, T. Pöschel, R. Stannarius: Granular materials composed of shape-anisotropic grains, New J. Phys. 18, 113006, 2016
A. Ashour, S. Wegner, T. Trittel, T. Börzsönyi, R. Stannarius: Outflow and clogging of shape-anisotropic grains in hoppers with small apertures, SOFT MATTER 13, 402, 2017
K.A. Gillemot, E. Somfai, T. Börzsönyi: Shear-driven segregation of dry granular materials with different friction coefficients, SOFT MATTER 13, 415, 2017
T. Börzsönyi, E. Somfai, B. Szabó, S. Wegner, A. Ashour, R. Stannarius: Elongated grains in a hopper, Powders and Grains, AIP Conf. Proc. accepted, 2017
J. Török, S. Lévay, B. Szabó, E. Somfai, S. Wegner, R. Stannarius, T. Börzsönyi: Arching in three-dimensional clogging, Powders and Grains, AIP Conf. Proc. accepted, 2017
R. Stannarius, D. Fischer, T. Börzsönyi: Heaping and secondary flows in sheared granular materials, Powders and Grains, AIP Conf. Proc. accepted, 2017
Sandra Wegner, Ralf Stannarius, Axel Boese, Georg Rose, Balázs Szabó, Ellák Somfai, Tamás Börzsönyi: Effects of grain shape on packing and dilatancy of sheared granular materials, SOFT MATTER, 2014
Balázs Szabó, János Török, Ellák Somfai, Sandra Wegner, Ralf Stannarius, Axel Boese, Georg Rose, Frank Angenstein, Tamás Börzsönyi: Evolution of shear zones in granular materials, PHYSICAL REVIEW E 90, 032205,, 2014
G. Wortel, T. Börzsönyi, E. Somfai, S. Wegner, B. Szabó, R. Stannarius, M. van Hecke: Heaping, secondary flows and broken symmetry of elongated granular particles, Soft Matter 11, 2570, 2015
Balázs Szabó, Sandra Wegner, Ralf Stannarius, Ellák Somfai, János Török, Tamás Börzsönyi: Packing and ordering of particles under shear, Conference on Packing and Jamming of Particulate Systems, 15-18 September 2014, Erlangen Abstract Book pp. 50-51, 2014
Tamás Börzsönyi, Balázs Szabó, Zsolt Kovács, Ellák Somfai, Sandra Wegner, David Fischer, Ralf Stannarius: Hopper flow and clogging: experiments with spherical and elongated grains, ZCAM WORKSHOP on Flow and clogging in bottlenecks: simulations and experiments, September 17-19, Zaragoza, Spain, 2014
Robabeh Moosavi, M. Reza Shaebani, Maniya Maleki, János Török, Dietrich E. Wolf, Wolfgang Losert: Coexistence and Transition between Shear Zones in Slow Granular Flows, PHYSICAL REVIEW LETTERS 111, 148301, 2013
Sandra Wegner, Ralf Stannarius, Axel Boese, Georg Rose, Balázs Szabó, Ellák Somfai, Tamás Börzsönyi: Effects of grain shape on packing and dilatancy of sheared granular materials, SOFT MATTER, 2014
Tamás Börzsönyi, Balázs Szabó, Sandra Wegner, Kirsten Harth, Tomasz Bien, Ralf Stannarius, János Török, Ellák Somfai: Shear Induced Alignment of Elongated Particles, 2nd IMA Conference on Dense Granular Flows 1-4 July 2013 Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences, Cambridge, Abstracts Book p. 12., 2013
István Fejér, László Halmai, János Török: Erhöhung der Verwerfungssicherheit von lückenlosen Gleisen, Der Eisenbahningenieur, pp.6-11, 2014/03., 2014
János Török, László Halmai, István Fejér: A recézés növeli a betonalj keresztirányú ellenállását, Innorail magazin, pp. 38-41, 2014/1., 2014
János Török: Increasing the buckling safety of continuous welded rail, Innorail 2013, 2013
L. Brendel, J. Török, A. Ries, D. E. Wolf: Relaxation Times in Simple Shear and the Role of Walls, Powders and Grains, AIP Conf. Proc. accepted, 2017
Sára Lévay, János Török: Dynamical mesoscopic model for granular shear, Talk at the DPG Tagungen, 6-11 March, Regensburg, Germany, 2016



Back »