Experimental studies of dynamical processes in granular materials  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
60157
Type F
Principal investigator Börzsönyi, Tamás
Title in Hungarian Szemcsés anyagok dinamikai folyamatainak kísérleti vizsgálata
Title in English Experimental studies of dynamical processes in granular materials
Keywords in Hungarian szemcsés anyagok, lavinadinamika, szemcsés anyagok folyása, mintázatképződés
Keywords in English granular materials, avalanche dynamics, granular flows, pattern formation
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Physics 1
Department or equivalent Complex Fluids Dept. (Research Institute for Solid State Physics and Optics Hung. Acad. Sci.)
Starting date 2006-02-01
Closing date 2009-12-31
Funding (in million HUF) 4.501
FTE (full time equivalent) 3.45
state closed project
Summary in Hungarian
A szemcsés anyagok dinamikájának tanulmányozásával betekintést nyerhetünk számos természeti, vagy ipari folyamatban megfigyelhető jelenség mechanizmusának részleteibe. Gondolhatunk lavina-jelenségekre, folyás, vagy nyírás során létrejövő mintázatokra, vagy szegregációs jelenségekre. Szemben az elméleti módszerekkel (amelyek a számítástechnika dinamikus fejlődése ellenére is csak az egyszerűbb, gömb alakú részecskéket tartalmazó rendszereket, vagy néhány speciális esetre, közelítések segítségével kidolgozott kontínuum egyenleteket jelentenek), a realisztikusabb, anizotróp részecskékből álló és bonyolultabb geometriájú elrendezések tanulmányozására kísérleti vizsgálatok nyithatnak utat. A jelen pályázat keretében - a technikai fejlődést kihasználva - gyors (500-5000 kép/s) digitális kamera segítségével szeretnénk betekintést nyerni a szemcsés anyagokban folyás, vagy nyírás során végbemenő folyamatokba. Többféle kísérleti elrendezés vizsgálatát tervezzük: két függőleges üveglap között létrehozott (kvázi kétdimenziós) homokdomb felszínén, vagy durva felületű lejtőn megfigyelhető lavinajelenségek, vagy folyamatos folyás vizsgálata, viszkózus-ujjasodási jelenségek tanulmányozása folyadék - szemcsés anyag keverékben, ill. a száraz szemcsés anyagban, levegő bepréselésével kiváltott dinamikai folyamatok vizsgálata.
Summary
Studies on the dynamics of granular systems could provide information on the mechanisms of different natural phenomena or industrial processes. We can think of catastrophic avalanches, patterns formed during the flow or shearing of granular materials, or segregation phenomena. In contrast to the theoretical or numerical methods (which - even with the rapid increase of computational power - normally deal with spherical particles and with systems of the simplest geometries) experimental investigations could help us to learn about the behaviour of more realistic systems with anisotropic particles and more complex geometries. In the framework of the current proposal we would like to learn about the dynamical phenomena in granular materials during flow or shear with the help of high-speed (500-5000 fps) digital imaging. Several geometries are planned to be investigated: avalanches or flow behaviour on the top of a two dimensional sandpile, or on a rough inclined plane, viscous fingering phenomena in liquid-granular mixtures, or dynamical phenomena induced by pressing air into dry granular materials.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A szemcsés anyagok alapvető áramlási tulajdonságait vizsgálva javaslatot tettünk a lejtőn megfigyelhető homogén áramlásokra vonatkozó ún. folyási törvény módosított alakjára, mely a kísérleti adatok jobb skálázását adja. Megmutattuk, hogy a különböző anyagokra mért folyási törvény meredeksége szisztematikusan nő a rézsűszög növelésével. Meghatároztuk a lejtőn megfigyelhető áramlás különböző módusait, és a homogén áramlás instabilitását vizsgálva megmutattuk, hogy a szemcsés anyag effektív súrlódása a nyírás növelésével először (sűrűbb áramlásnál) növekszik, majd ez a trend megfordul és (az anyag nyírás hatására történő ritkulásával párhuzamosan) csökkenni kezd. Meghatároztuk a szemcsés rétegbe bepréselt légzárvány alapvető dinamikai tulajdonságait. A lassú nyírásnak kitett szemcsés anyagban megfigyelhető nyírási lokalizáció geometriai tulajdonságait vizsgálva megmutattuk, hogy különböző súrlódási együtthatójú rétegekből álló szemcsés közegben a nyírási zóna a rétegek határán irányt változtat, mely jelenség párhuzamba állítható a fénytörés jelenségével.
Results in English
The basic properties of granular flows were investigated experimentally. We have proposed a modified flow rule for granular flows on an inclined plane, which provides better scaling of the experimental data. Investigating various materials we have shown, that the slope of the flow rule increases systematically with increasing angle of repose. We have determined the various flow regimes of inclined plane flows. By carefully analyzing the instabilities of homogeneous flows we have shown that the effective friction of the granular material (for dense flows) increases with increasing shear rate, but above a certain shear rate this trend turns over and (together with decreasing density) the effective friction starts to decrease. We have determined the basic dynamical properties of air inclusions pressed into a granular layer. Geometrical properties of shear localization in slowly sheared granular materials were also studied. We have shown that in layered granular materials where the layers have different effective frictions, the shear zones are refracted at the layer boundaries, analogously to light refraction.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=60157
Decision
Yes





 

List of publications

  
Börzsönyi, T; Ecke, R.E;: Rapid granular flows on a rough incline: phase diagram, gas transit ion, and effects of air drag., Phys. Rev. E., 74, 061301-1 - 061301-9, 2006
Börzsönyi, T; Ecke, R.E;: Flow rule of dense granular flows down a rough incline., Phys. Rev. E., 76, 031301-1 - 031301-10, 2007
Börzsönyi, T.: Lejtőn lefolyó szemcsés anyag dinamikája: instabilitások, lavinák., Fizikai Szemle, LVII (7) 217-220., 2007
Börzsönyi, T; Halsey, T.C; Ecke, R.E;: Avalanche dynamics on a rough inclined plane., Phys. Rev. E., 78, 011306-1 - 011306-15, 2008
Börzsönyi, T; Ecke, R.E; McElwaine, J.N;: Patterns in flowing sand: understanding the physics of granular flow, Phys. Rev. Lett., 103, 178302-1 - 178302-4, 2009
Börzsönyi, T; Unger, T; Szabó, B;: Shear zone refraction and deflection in layered granular materials, Phys. Rev. E, 80, 060302(R)-1 - 060302(R)-4, 2009
Ecke, R.E; Börzsönyi, T;: Dense granular flows down an inclined plane (előadás), APS March Meeting, Baltimore, USA, Web: http://meetings.aps.org/Meeting/MAR06/Content/346 absztrakt azonosító: N8.00003; március 13-17, 2006
Ecke, R.E; Börzsönyi, T;: Phase diagram of granular flow on a roughinclined plane (előadás), 59th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics, Tampa Bay, Florida, USA, Web: http://dfd2006.mae.ufl.edu/; absztrakt azonosító: OH.00002, november 19-21, 2006
Börzsönyi, T; Ecke, R.E;: Instability of a granular flow down an inclined plane (előadás), The 8th Minerva Winter School Weizmann Institute Of Science, Rehovot, Izrael, Web: www.weizmann.ac.il/home/conferen/minerva8/; február 11-20, 2006
Börzsönyi, T; Ecke, R.E;: Regimes of granular flow on a rough inclined plane (poszter), Gordon Research Conference on Granular & Granular-fluid Flow, Oxford, UK, The Queens College, Web: www.grc.org/programs.aspx?year=2006&program=granular; július 23-28, 2006
Börzsönyi, T.: Viscous fingering in granular materials in a vertical Hele-Shaw cell (előadás), 60th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics, Salt Lake City, USA, Web: http://dfd2007.eng.utah.edu/; absztrakt azonosító: BM7, november 18-20, 2007
Börzsönyi, T.: Áramlási instabilitások szemcsés anyagokban (habilitációs előadás), MTA SZFKI, Web: http://www.szfki.hu/sem-cgi/seminar.pl?task=show&rdate=2007-03-13&rtime=10:00 március 13, 2007
Börzsönyi, T; Ecke, R.E;: New type of stripe structure in a granular flow down an inclined plane (poszter), Statics and dynamics of granular media and colloidal suspensions, Nápoly, Olaszország, július 4-6, 2007
Börzsönyi, T; Ecke, R.E;: Predicting important properties of grain avalanches - shape matters (előadás), Fall seminar on Nonlinear Dynamics, University of Bayreuth, Bayreuth, Németország, Web: http://www.nonlinear.uni-bayreuth.de/en/index.html, szeptember 28 - október 1, 2008
Ecke, R.E; Börzsönyi, T; Jim. N McElwaine;: Lateral instabilities of dense granular flows on a rough incline (előadás), IMA Conference on Dense Granular Flows, Cambridge, Nagy-Britannia, Web: http://www.ima.org.uk/Conferences/dense_granular_flows.html, január 5 - 9, 2009



Back »