Nem gömbszerű részecskék áramlása és reológiája  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
116036
típus K
Vezető kutató Somfai Ellák
magyar cím Nem gömbszerű részecskék áramlása és reológiája
Angol cím Flow and rheology of non-spherical particles
magyar kulcsszavak szemcsés anyagok
angol kulcsszavak granular matter
megadott besorolás
Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)100 %
Ortelius tudományág: Statisztikus fizika
zsűri Fizika 1
Kutatóhely SZFI - Komplex Folyadékok Osztálya (HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont)
résztvevők Börzsönyi Tamás
Lévay Sára
Nagy Dániel
Szabó Balázs
Török János
projekt kezdete 2016-02-01
projekt vége 2021-09-30
aktuális összeg (MFt) 24.237
FTE (kutatóév egyenérték) 14.44
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A nem gömbszerű részecskékből álló szemcsés anyagok fizikája sokkal kevésbé kidolgozott, mint a gömböké. Jelen pályázat keretében a nem gömbszerű részecskék áramlásának és reológiájának témakörében a következő problémákat kívánjuk megoldani:

(A) Alacsony szimmetriájú részecskék áramlása
Alacsony szimmetriával rendelkező részecskék áramlását vizsgáljuk, különös tekintettel a C_2v és D_2h szimmetriákra. Ilyen alakú részecskék a téglatestek, az általános ellipszoidok, továbbá kukorica szemek, valamint hajlott törzsű (banán alakú) részecskék. Célunk ezek áramlásának numerikus és kísérleti vizsgálata, ahol a biaxialitás várhatóan lényeges szerepet játszik.

(B) Elnyújtott részecskék reológiája
A homogén és stacionárius sűrű szemcsés áramlás reologiáját az elmúlt évtizedben dolgozták ki gömbszerű részecskékre. Kulcsfontosságú mennyiség az effektív súrlódás, amely az inerciális számtól (gyakorlatilag a nyírási rátától) függ. Célunk ezen formalizmus kiterjesztése a nem gömbszerű részecskékre, különös tekintettel annak számszerűsítésére, hogy az elnyújtott részecskék orientációja milyen mértékben befolyásolja az effektív súrlódást.

(C) Elnyújtott részecskék másodlagos áramlása, púpozódás
Egy figyelemre méltó jelenséget tapasztaltunk: elnyújtott részecskékkel töltött osztott falú hengeres nyírási cellában egy jelentős nagyságú púp képződik a minta felszínén. Gömbszerű részecskék esetén ez a jelenség egyáltalán nem mutatkozik. A púp egy másodlagos konvekció hatására jön létre. Célunk a másodlagos áramlás mechanizmusának felderítése. Továbbá megválaszoljuk, hogy mi határozza meg az elsődleges és másodlagos áramlás amplitúdójának hányadosát, és irányát.

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.
A következő kérdéseket fogjuk megválaszolni:

(A) Alacsony szimmetriájú részecskék áramlása
A C_2v és D_2h szimmetriájú részecskék biaxialitása okozza-e, hogy azok áramlásakor is egy biaxiális fázis jön létre? Az áramlás szimmetriájának megváltozása (például összetartó áramlás) okoz-e változást ezen részecskék orientációjában? Várakozásaink szerint mindkét kérdésre igen a válasz.

(B) Elnyújtott részecskék reológiája
Azt várjuk, hogy a gömbszerű részecskékre kidolgozott homogén és stacionárius sűrű szemcsés áramlás reologiája kisebb módosításokkal elnyújtott részecskék esetére is érvényes lesz. Kérdésünk az, hogy mik ezek a módosítások, különös tekintettel arra, hogy az irányrendezettség milyen módon befolyásolja az effektív súrlódást.

(C) Elnyújtott részecskék másodlagos áramlása, púpozódás
Milyen mechanizmus kelti a másodlagos áramlást a púpozódási jelenségben? Mi határozza meg az elsődleges és másodlagos áramlás amplitúdójának hányadosát és irányát?

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) Alacsony szimmetriájú részecskék áramlása
Az alacsony szimmetriájú makroszkopikus részecskék valamint bizonyos folyadékkristályok viselkedése között található hasonlóság mindkét terület számára hasznos lehet. Például az egyes makroszkopikus részecskék, valamint ezek dinamikája közvetlenül megfigyelhető, amely a molekulák esetén közel lehetetlen.

(B) Elnyújtott részecskék reológiája
A sűrű szemcsés áramlás kontinuum reológiai leírása megnyitja a lehetőséget ezen áramlások elméleti megközelítésére. Mi kiterjesztjük ezt a leírást nem gömbszerű részecskék esetére, amelyek sokkal relevánsabbak a lehetséges alkalmazások nagy többségénél.

(C) Elnyújtott részecskék másodlagos áramlása, púpozódás
Várakozásaink szerint a púpozódást okozó másodlagos áramlás mögötti mechanizmus általános: a megfelelően komplex szemcsés áramlások mindegyikében jelen kell lennie. A másodlagos áramlások jelentőségét az adja, hogy erősen befolyásolják a keveredést és a szegregációt.

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.
Szemcsés anyagok - amelyek makroszkopikus részecskékből állnak, mint például homok vagy gabonafélék magjai - körülvesznek minket a hétköznapi életben, és számos iparágban alapvető jelentőségűek: bányászat, gyógyszeripar, élelmiszeripar, építőipar. A szemcsés anyagok kezelése, köztük a nyersanyagok és késztermékek keverése és szállítása megköveteli, hogy ezen anyagok tulajdonságait, különösen az áramlásukat jól ismerjük. Ezen ismeretek szükségesek bizonyos geológiai jelenségek leírásához is, mint például homokdűnék vándorlása, vagy földcsuszamlások dinamikája.

A szemcsés anyagok kutatása ezidáig leginkább gömbszerű részecskékre fókuszált - ezeket sokkal könnyebb számítógépen modellezni, sokkal könnyebb elméletileg kezelni, de gyakorlatban sokkal kevésbé relevánsak. Jelen pályázatban a nem gömbszerű részecskék folyásához kapcsolódó néhány érdekes kérdést fogunk megválaszolni.

(A) Számítógépes modellezéssel és kísérletekkel vizsgálni fogjuk különböző alakú (például téglatest vagy kukorica mag) részecskék folyását. Hasonlóságot keresünk a folyadékkristályokkal, amelyek nem gömbszerű molekulákból állnak.

(B) Módosítani fogjuk a gömbszerű részecskékből álló szemcsés anyagok folyását leíró egyenleteket, hogy azok más alakra, például rudakra is működjenek. A megadandó egyenletek segítségével nagy volumenű számítások és kísérletek nélkül kapjuk meg a folyás tulajdonságait.

(C) Van egy érdekes jelenség: ha egy kis rudakkal töltött tartályt alulról keverünk, a felszínen egy jelentős nagyságú púp képződik. Gömbszerű részecskékre a felszín teljesen vízszintes marad. Meghatározzuk, hogy miért keletkezik ez a púp.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The granular physics of non-spherical particles is strongly underdeveloped when compared to that of spherical particles. This proposal aims to solve the following key problems about the flow and rheology of non-spherical particles:

(A) Flow of low symmetry particles.
We will explore the flow of particles with low symmetry, especially C_2v and D_2h. Particles of this shape include rectangular cuboids, general ellipsoids, as well as corn and bent core (banana shaped) particles. Our aim is to explore numerically and experimentally the structure of the shear flow of such particles, where their biaxiality is expected to play and important role.

(B) Rheology of elongated particles.
The rheology of homogenous stationary dense granular flow of spherical particles has been established in the last decade. The key quantity is the effective friction, which depends on the inertial number (function of the shear rate). We aim to extend this formalism to non-spherical particles, in particular quantify how the orientational ordering of elongated particles influences the effective friction.

(C) Secondary flow of elongated particles, heaping.
A remarkable phenomenon has been observed: in a split bottom shear cell filled with elongated particles, a heap of significant height is formed in the middle. This is completely absent for spherical particles. The heap is generated by a slow secondary convection roll. We aim to determine the mechanism driving this secondary flow, including quantifying the amplitude ratio of the primary vs. secondary flow, and determine what sets the direction.

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 following questions will be answered:

(A) Flow of low symmetry particles.
Does the biaxial nature of particles with symmetry C_2v and D_2h make the shear flow of such particles biaxial as well? Does the change in symmetry of the flow (eg. converging flow) trigger changes in the orientational order of these particles?
We expect that the answer to both questions is yes.

(B) Rheology of elongated particles.
We expect that the rheology of homogenous stationary dense granular flow, that is established for spherical particles, will be valid for elongated particles as well with certain modifications. Our question: what are these modifications, in particular how the orientational order affects the effective friction?

(C) Secondary flow of elongated particles, heaping.
What is the mechanism driving the secondary flow in the heaping phenomenon? What sets the amplitude ratio of the primary vs. secondary flow, and what determines its direction?

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.
(A) Flow of low symmetry particles.
Similarities observed between low symmetry granular particles and certain liquid crystalline phases can benefit both fields. For example the individual granular particles, and their dynamics is directly accessible, which is much harder, if not impossible for molecules.

(B) Rheology of elongated particles.
The continuum rheological description of dense granular flow opens up the possibility of theoretical description of these flows. We extend this to non-spherical particles, which are much more relevant for a large majority of
potential applications.

(C) Secondary flow of elongated particles, heaping.
We expect that the mechanism behind the secondary flow causing the heaping is general: it should be present in all granular flows of appropriate complexity. Secondary flows are important as they can have a strong influence on mixing and segregation.

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 matter - materials that consist of individual macroscopic particles like sand or cereal grains - surround us in everyday life, and are also crucial for a number of industries: mining, pharmaceutical, food and construction industries. The handling of granular materials, including the transportation, mixing and storage of raw materials and final products, requires a thorough understanding of their properties, in particular of their flow. It also helps to explain geological phenomena, like the migration of sand dunes or the dynamics of landslides.

Research into the physics of granular matter so far focused mostly on spherical particles - these are much easier to simulate in a computer, much easier to treat in theories, but much less relevant in practice. In this proposal we aim to unravel a few interesting questions about the flow of non-spherical particles.

(A) We will perform computer simulations and experiments to see how a large collection of particles with different shape flows, for example bricks or corn seeds. We search for similarities with liquid crystals (the key materials in LCDs), which are in fact consist of non-spherical molecules.

(B) We will modify the equations describing the flow of spherical granular particles to work for other shapes like rods. Having an equation is a powerful tool, which makes it possible to predict the behavior without large amount of computer calculations or experiments.

(C) There is an interesting phenomenon: when a container filled with little rods is stirred at the bottom, a large heap forms in the top surface. For spherical beads the surface remains completely flat. We will determine why this heap forms.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
Nem-gömbszerű részecskékből álló szemcsés rendszerek áramlását vizsgáltunk kísérleti, numerikus és analitikus módszerekkel. Kimértük numerikusan az elnyújtott részecskékből álló rendszer reológiai paramétereit. Vizsgálatainkat kiterjesztettük hosszúkás részecskék szuszpenziójára, valamint általánosabb lágy anyagokra is, több féle áramlási geometriában. Megmutattuk, hogy fragmentációs folyamatokban milyen alakú részecskék keletkeznek 2 és 3 dimenzióban. Meghatároztuk, hogy a gravitáció milyen módon befolyásolja az aszimmetrikus alakú részecskék irányeloszlását. Analitikus módszerekkel megmutattuk, hogy hosszúkás részecskék áramlásakor a második normál feszültség-különbség másodlagos áramláshoz vezet, amit numerikusan is igazoltunk. Végül vizsgáltunk numerikus, kísérleti és analitikus módszerekkel egy kvázi-2D rendszert, amely alkalmas a szemcsés anyagok Edwards elméletének tesztelésére.
kutatási eredmények (angolul)
We investigated the flow of granular systems consisting of non-spherical particles with experimental, numerical and analytical methods. We measured the rheological parameters of systems of elongated particles. Our investigations were extended to suspensions of elongated particles, as well as more general soft materials, in various types of flow geometries. We determined the shapes of particles are generated in 2 and 3 dimensional fragmentation procedures. We determined how the gravity affects the orientational distribution of asymmetric particles. We showed with analytical methods that during the flow of elongated particles the second normal stress difference leads to secondary flow. Finally we investigated a quasi-2D system with numerical, experimental and analytical methods, which is suitable to test the Edwards theory of granular packings.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=116036
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Pongó T, Stiga V, Török J, Lévay S, Szabó B, Stannarius R, Hidalgo RC, Börzsönyi T: Flow in an hourglass: particle friction and stiffness matter, New Journal of Physics, 2021
Wang J, Fan B, Pongó T, Harth K, Trittel T, Stannarius R, Illig M, Börzsönyi T, Hidalgo RC: Silo discharge of mixtures of soft and rigid grains, Soft Matter, 2021
To K, Mo YK, Pongó T, Börzsönyi T: Discharge of elongated grains from silo with rotating bottom, Physical Review E, 2021
Madani M, Maleki M, Török J, Shebani MR: Evolution of shear zones in granular packings under pressure, Soft Matter 17, 1814, 2021
Lévay S, Fischer D, Stannarius R, Somfai E, Börzsönyi T, Brendel L, Török J: Interacting jammed granular systems, Physical Review E, 2021
Boschan J, Vågberg D, Somfai E, Tighe BP: Beyond linear elasticity: Jammed solids at finite shear strain and rate, SOFT MATTER 12: (24) pp. 5450-5460., 2016
Lévay S, Fischer D, Stannarius R, Szabó B, Börzsönyi T, Török J: Frustrated packing in a granular system under geometrical confinement, Soft Matter, 2018
Ashour A, Trittel T, Börzsönyi T, Stannarius R: Silo outflow of soft frictionless spheres, Physical Reivew Fluids, 2017
Lévay S, Török J: Multiple shear bands in granular materials, EPJ Web of Conferences, 2017
Hidalgo RC, Szabó B, Gillemot K, Börzsönyi T, Weinhart T: Rheological response of nonspherical granular flows down an incline, Physical Review Fluids 3, 074301, 2018
Szabó B, Kovács Zs, Wegner S, Ashour A, Fischer D, Stannarius R, Börzsönyi T: Flow of anisometric particles in a quasi-two-dimensional hopper, Physical Review E 97, 062904, 2018
Stannarius R, Martinez DS, Finger T, Somfai E, Borzsonyi T: Packing and flow profiles of soft grains in 3D silos reconstructed with X-ray computed tomography, Granular Matter, 2019
Stannarius R, Martinez DS, Börzsönyi T, Bieberle M, Barthel F, Hampel U: High-speed x-ray tomography of silo discharge, New Journal of Physics, 2019
Nagy D, Claudin P, Börzsönyi T, Somfai E: Flow and rheology of frictional elongated grains, New Journal of Physics 22, 073008, 2020
Domokos G, Jerolmack DJ, Kun F, Török J: Plato’s cube and the natural geometry of fragmentation, Proceedings of the National Academy of Sciences 117, (31), 18178-18185, 2020
Tegze G, Podmaniczky F, Somfai E, Börzsönyi T, Gránásy L: Orientational order in dense suspensions of elliptical particles in the non-Stokesian regime, Soft Matter 16, 8925, 2020
Salamon P, Geng Y, Eremin A, Stannarius R, Klein S, Börzsönyi T: Rheological and flow birefringence studies of rod-shaped pigment nanoparticle dispersions, Journal of Molecular Liquids 313, 113401, 2020
Hernández-Delfin D, Pongó T, To K, Börzsönyi T, Hidalgo RC: Particle flow rate in silos under rotational shear, Physical Review E 102, 042902, 2020
Madani M, Maleki M, Török J, Shebani MR: Evolution of shear zones in granular packings under pressure, Soft Matter 17, 1814, 2021
Pongó T, Stiga V, Török J, Lévay S, Szabó B, Stannarius R, Hidalgo RC, Börzsönyi T: Flow in an hourglass: particle friction and stiffness matter, New Journal of Physics (accepted 2021 jan), 2021
Boschan J, Vågberg D, Somfai E, Tighe BP: Beyond linear elasticity: Jammed solids at finite shear strain and rate, SOFT MATTER 12: (24) 5450-5460, 2016
Nagy DB, Claudin P, Borzsonyi T, Somfai E: Rheology of dense granular flows for elongated particles, PHYSICAL REVIEW E 96: (6) Paper 062903. 5 p. , 2017
Boschan J, Vasudevan SA, Boukany PE, Somfai E, Tighe BP: Stress relaxation in viscous soft spheres, SOFT MATTER 13: (38) pp. 6870-6876., 2017
Dagois-Bohy S, Somfai E, Tighe BP, van Hecke M: Softening and yielding of soft glassy materials, SOFT MATTER 13: (47) pp. 9036-9045., 2017




 

Projekt eseményei

  
2019-09-12 13:57:54
Résztvevők változása
2018-01-15 14:57:42
Résztvevők változása



vissza »