Physical elucidation and modeling of non-locality in granular flows by full-scale discrete particle simulation

通过全尺寸离散粒子模拟对颗粒流中的非局域性进行物理阐明和建模

基本信息

批准号：
22K03926
负责人：
辻拓也
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では，粉粒体が有する非局所性発生メカニズムの詳細解明と，これをべースとした新しいレオロジーモデルの構築を目的に掲げている．初年度として，三次元定常せん断流れ場であり，粉粒体流れの重要な特徴の一つであるせん断帯形成を伴うスプリットボトムセル系を対象としたフルスケール離散粒子シミュレーション（DEM）モデルと，計算から得られた速度や接触力などの粒子データ（ミクロ量）を空間平均化することにより，速度や応力などの連続データ（マクロ量）を取得し，粉粒体のマクロ―ミクロ関係の詳細な検討を可能とするフレームワークの構築を行った．・壁面に粒子を貼り付けることにより固体壁面上における滑り無し条件を実現し，せん断速度や粒径などの諸量を変化させ計算を行ったところ，平均速度分布について，本計算により実験結果を定量的に再現できることを確認した．・粉粒体の非局所性を考慮した非局所粉粒体流動度（NGF）モデルに注目した．NGFモデルにおいては，粉粒体流動性を表す流動度が導入されるが，これはマクロ的な考察から導入されたものであり，非局所性を引き起こすと考えられるミクロスケールでの物理量との関係はよくわかっていない．構築したフレームワークに基づき，流動度と粒子スケールでの振る舞いを特徴づける物理量との関係を調査し，流動度が粒子の速度ゆらぎ，局所空隙率，粒径などと関係があることを明らかにした．また，流動度が摩擦係数や反発係数など系のエネルギー散逸を司るパラメータに依存して大きく変化することも明らかにした．・含水粉粒体の非局所性については，ほとんど知られていない．液添加による液架橋形成を考慮した計算を行い，その影響を調査した．粒子間引力の大きさを表す無次元量であるボンド数に応じて流動度が変化することを明らかにし，付着を伴う粉粒体の非局所レオロジー則を新規に提案した．

本研究的目的是阐明粉末和颗粒材料中非局域性产生的详细机制，并在此基础上构建新的流变模型。第一年，我们开发了针对裂底单元系统的全尺寸离散粒子模拟（DEM）模型，该系统是一个三维稳定剪切流场，涉及剪切带形成，这是该系统的重要特征之一。计算得出粉状和粒状物料的流量。通过对速度、接触力等颗粒数据（微观量）进行空间平均，可以获得速度、应力等连续数据（宏观量），对粉粒体材料的宏观微观关系进行详细考察。我们构建了一个框架，使这成为可能。・我们通过将颗粒粘贴在墙壁上来实现固体壁上的无滑移条件，并通过改变剪切速率和颗粒尺寸等各种量进行计算。我们通过该计算对平均速度分布的实验结果进行了量化。它可以被复制。・我们专注于非局域粉末流动性（NGF）模型，该模型考虑了粉末和颗粒材料的非局域性。在NGF模型中，引入了代表粉状和粒状材料流动性的流动性，但这是从宏观考虑引入的，它是基于与微观尺度上被认为会引起非局域性的物理量的关系。不太理解。基于构建的框架，我们研究了流动性与表征颗粒尺度行为的物理量之间的关系，发现流动性与颗粒速度波动、局部孔隙率、颗粒尺寸等有关。研究还表明，流动性根据系统中控制能量耗散的参数（例如摩擦系数和排斥系数）而变化很大。 - 对含水粉末和颗粒的非局部特性知之甚少。我们进行的计算考虑了由于添加液体而形成的液桥，并研究了其影响。我们阐明了流动性的变化取决于键数（键数是代表颗粒之间吸引力大小的无量纲量），并提出了一种新的具有粘附性的粉末和颗粒材料的非局部流变定律。

项目成果

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专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Granular fluidity in cohesive split-bottom granular flows

DOI：
10.1103/physrevfluids.7.084306
发表时间：
2022-08
期刊：
Physical Review Fluids
影响因子：
2.7
作者：
Dorian Faroux;Kimiaki Washino;T. Tsuji;Toshitsugu Tanaka
通讯作者：
Dorian Faroux;Kimiaki Washino;T. Tsuji;Toshitsugu Tanaka

Influence of capillary forces on non-local granular fluidity

毛细管力对非局部颗粒流动性的影响

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
Faroux Dorian;Washino Kimiaki;Tsuji Takuya;Tanaka Toshitsugu;Faroux Dorian，Kimiaki Washino，Takuya Tsuji，Toshitsugu Tanaka
通讯作者：
Faroux Dorian，Kimiaki Washino，Takuya Tsuji，Toshitsugu Tanaka