粒子が動くとき(When Particles Move)

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凝集力と侵食の関係を深堀りする A deep dive into the relationship between cohesion and erosion

2022-08-02 カリフォルニア大学サンタバーバラ校(UCSB)

研究グループは、最近開発したモデル粒子間の凝集力を制御する技術を用い、ジェット気流で粒子を移動させる実験を行った結果、粒子をつなぎとめる凝集力、粒子を分離させる侵食、移動させた粒子がどこまで移動するかという輸送について、より深く理解できるようになった。
この研究により、凝集力の大きさが侵食の開始に必要な局所的な応力量をどのように変化させるかを定量化する手法が確立された。
粒子間の凝集力を制御するために、研究者たちは、直径0.8ミリの同一のガラス球(粒子用のアナログ)にポリマーコーティングを施しました。コーティングの厚みを正確に増減させることで、凝集力を増減させることができた。乱流は、粒状床に向けられた可変ジェット気流によってモデル化される。
この実験により、研究チームは、粒子径などのシステムの特殊性に関係なく、侵食が粒子間凝集力に打ち勝つ閾値のスケーリング則を決定することができた。この2つの力の関係を定量化することで、さまざまな粒径の粒子に対する侵食の閾値を予測するための手法を提示することができた。
この研究結果は、太陽電池パネルのような表面から塵や雪などの凝集性沈殿物を除去するプロセスに最も直接的に適用できる。

<関連情報>

衝突する乱流ジェットによる凝集性結晶粒の侵食 Erosion of cohesive grains by an impinging turbulent jet

Ram Sudhir Sharma, Mingze Gong, Sivar Azadi, Adrien Gans, Philippe Gondret, and Alban Sauret
Physical Review Fluids  Published 15 July 2022
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.7.074303

ABSTRACT

The erosion and transport of particles by an impinging turbulent jet in air is observed in various situations, such as the cleaning of a surface or during the landing of a spacecraft. The presence of interparticle cohesive forces modifies the erosion threshold beyond which grains are transported. The cohesion also influences the resulting formation and shape of the crater. In this paper we characterize the role of the cohesive forces on the erosion of a flat granular bed by an impinging normal turbulent jet in air. We perform experiments using a cohesion-controlled granular material to finely tune the cohesion between particles while keeping the other properties constant. We investigate the effects of the cohesion on the erosion threshold and show that the results can be rationalized by a cohesive Shields number that accounts for the interparticle cohesion force. Despite the complex nature of a turbulent jet, we can provide a scaling law to correlate the jet erosion threshold, based on the outlet velocity at the nozzle, to a local cohesive Shields number. The presence of cohesion between the grains also modifies the shape of the resulting crater, the transport of grains, and the local erosion process.

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