Hogyan folyik a szemcsés anyag?

HTML
DOWNLOAD

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Hogyan folyik a szemcsés anyag?"

Nóra Gulyás
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 Hogyan folyik a szemcsés anyag? Börzsönyi Tamás MTA WIGNER FK SZFI, Komplex folyadékok osztály

2 Hogyan folyik a szemcsés anyag? - A szemcsés anyag reológiája - A terhelésnek kitett anyag deformációja (nyírási lokalizáció) - Anizometrikus részecskék nyírási orientációja

3 Szemcsés anyagok reológiája Long range desert group R.A. Bagnold: The physics of blown sand and desert dunes, London, Methuen (1941)

4 Szemcsés anyagok reológiája Long range desert group R.A. Bagnold: The physics of blown sand and desert dunes, London, Methuen (1941) 2 Bagnold (1954): ( ) sebességkülönbség ütközések gyakorisága Folyadékok viszkozitása Nyírási ráta: Viszkozitás: dv x dz F A z 0 dz z x

5 Szemcsés anyagok reológiája Long range desert group R.A. Bagnold: The physics of blown sand and desert dunes, London, Methuen (1941) 2 Bagnold (1954): ( ) 3/ 2 u h

6 Szemcsés anyagok reológiája Long range desert group R.A. Bagnold: The physics of blown sand and desert dunes, London, Methuen (1941) 2 Bagnold (1954): ( ) 3/ 2 u h Flow rule for dense granular flows: u gh h h s Y. Forterre and O. Pouliquen J. Fluid Mech. 486, (2003).

7 Szemcsés anyagok reológiája Long range desert group R.A. Bagnold: The physics of blown sand and desert dunes, London, Methuen (1941) 2 Bagnold (1954): ( ) sand, glass beads, and 4 copper samples Flow rule for dense granular flows: u gh h h s Y. Forterre and O. Pouliquen J. Fluid Mech. 486, (2003). T. Börzsönyi and R.E. Ecke, Flow rule of dense granular flows on a rough incline, Phys. Rev. E (2007)

8 Szemcsés anyagok reológiája Long range desert group R.A. Bagnold: The physics of blown sand and desert dunes, London, Methuen (1941) 2 Bagnold (1954): ( ) Flow rule for dense granular flows: u gh h h s eff P Y. Forterre and O. Pouliquen J. Fluid Mech. 486, (2003). Inerciális szám: (dimenziótlan nyírási ráta)

9 Áramlási instabilitás T. Börzsönyi, R.E. Ecke and J.N. McElwaine, Patterns in flowing sand: understanding the physics of granular flows Phys. Rev. Lett. 103, (2009).

10 Áramlási instabilitás T. Börzsönyi, R.E. Ecke and J.N. McElwaine, Patterns in flowing sand: understanding the physics of granular flows Phys. Rev. Lett. 103, (2009). Magasságprofilok Mintázat átmenő fényben A filmfelvétel itt megtalálható: o 42.6 Felvétel: 4000 f/s Lejátszás: 20 f/s

Numerikus szimuláció: Jim McElwaine DAMTP, Cambridge T. Börzsönyi, R.E. Ecke and J.N. McElwaine, Patterns in flowing sand: understanding the physics of granular flows Phys.

11 Numerikus szimuláció: Jim McElwaine DAMTP, Cambridge T. Börzsönyi, R.E. Ecke and J.N. McElwaine, Patterns in flowing sand: understanding the physics of granular flows Phys. Rev. Lett. 103, (2009). A filmfelvétel itt megtalálható: o 42.6 Felvétel: 4000 f/s Lejátszás: 20 f/s

12 Numerikus szimuláció: Jim McElwaine DAMTP, Cambridge T. Börzsönyi, R.E. Ecke and J.N. McElwaine, Patterns in flowing sand: understanding the physics of granular flows Phys. Rev. Lett. 103, (2009). A filmfelvétel itt megtalálható: o 42.6 Felvétel: 4000 f/s Lejátszás: 20 f/s eff P

13 Nyírási lokalizáció szemcsés anyagokban

14 Nyírási lokalizáció homogén szemcsés anyagokban A szemcsés anyagot a határoló fal mozgatásával deformáljuk. A deformáció lokalizálódik, így alakul ki a nyírási zóna (piros vonal). felülnézet: (korund mákszemekkel) korund szemcsék

15 Nyírási lokalizáció rétegzett szemcsés anyagokban Homogén anyagban Börzsönyi et al. Phys. Rev. E 2009 Soft Matter 2011 A zóna hamar kimegy a nagy súrlódású részből és a kis súrlódású részben jön a felszínre. Ez az optimális útvonal hasonló elv szerint alakul ki, mint a fénysugár útja inhomogén optikai közegben. eff Pds min. Optika: Fermat elv eff ds min. nds min. eff sin 1 eff sin sin n 2 1 sin n 2 MD szimuláció Unger T., Phys. Rev. Lett kis súrlódás nagy súrlódás

korund színezett üveggolyók színezett korund üveggolyók üveggolyók színezett korund

16 Nyírási lokalizáció inhomogén (rétegzett) szemcsés anyagokban Színezett mintát használva a mérés elvégzése után láthatóvá válik a kialakult deformáció. korund színezett üveggolyók színezett korund üveggolyók üveggolyók színezett korund Börzsönyi et al. Phys. Rev. E 2009 Soft Matter 2011 korund színezett üveggolyók

17 A kialakult elmozdulásprofil látható a felszínen Szimuláció Unger Tamás, BME eff P ds min.

18 Teljesül-e az optikából ismert Snellius-Descartes törvény? sin sin eff corundum eff glass Becslés eff corundum eff glass értékére a rézsűszögek mérésével: eff corundum eff glass tanr tan corundum glass r tan 33.2 tan 21.9 o o 1.63 T. Börzsönyi, T. Unger and B. Szabó, Shear zone refraction and deflection in layered granular materials, Phys. Rev. E Rapid Comm. (2009). T. Börzsönyi, B. Szabó, T.Unger, S. Wegner, F. Angenstein and R. Stannarius Reflection and exclusion of shear zones in inhomogeneous granular materials, Soft Matter (2011)

19 Elnyújtott alakú részecskék folyása különböző méretskálákon fatörzsek a folyón mezőgazdaság baktériumok nanorudak, nanohuzalok vírusok nematikus folyadékkristályok MBBA molekula

20 Nematikus folyadékkristályok folyási orientációja Az orientációs szög egy anyagi paraméter, nem függ a nyírási rátától, de szisztematiusan csökken a rendezettség növekedésével. Az anyag viszkozitása jelentősen (~50%) csökken a folyási orientáció következtében

21 Szemcsés anyagok: nyírási orientáció egyenes cellában felülnézet

22 Hengeres elrendezésű nyíró áramlás elnyújtott alakú részecskék Mozi (felülnézet) (rizs: L/D = 3.4) - rizs: L/D = 2.0, 3.4, üveg rudak: L/D = , - fa rudak: L/D = 2.0, 3.3, 5.0 Kísérletek: BT, Törös Gábor, Szabó Balázs

23 Hengeres elrendezésű nyíró áramlás elnyújtott alakú részecskék Mozi (felülnézet) (long grain rice: L/D = 3.4) T. Börzsönyi, B. Szabó, G. Törös, S. Wegner, J. Török, E. Somfai, T. Bien and R. Stannarius, Phys. Rev. Lett. (2012) S. Wegner, T. Börzsönyi, T. Bien, G. Rose and R. Stannarius, Soft Matter (2012) T. Börzsönyi, B. Szabó, S. Wegner, K. Harth, J. Török, E. Somfai, T. Bien and R. Stannarius, Phys. Rev. E (2012) T. Börzsönyi and R. Stannarius, Soft Matter (2013)

24 Átlagos orientáció iránya és a rendezettség mértéke a nyírási ráta függvényében. N n ij n j n i ij l l N T 1 ) ( ) ( ) 3 1 ( 2 3 S = T legnagyobb sajátértéke egytengelyű eset: 3 1 cos S av nem függ a nyírási ráta () értékétől

25 Átlagos orientáció iránya és a rendezettség mértéke a L/d és S függvényében. av nem függ a nyírási ráta () értékétől av csökken L/d növelésével av csökken S növekedésével

26 Átlagos orientáció iránya és a rendezettség mértéke a L/d és S függvényében. av nem függ a nyírási ráta () értékétől av csökken L/d növelésével

27 MD szimlációk Török János (BME)

28 Az egyes részecskék dinamikája Kemény ellipszoid folyadékban Jeffery, 1922 D. Das L/D=3.4

29 Az egyes részecskék dinamikája Kemény ellipszoid folyadékban Jeffery, 1922 D. Das L/D=3.4

30 Mekkorora erő (forgatónyomaték) szükséges a rendszer nyírásához? Hogyan változik a rendszer ellenállása (súrlódása) a rendeződés hatására? M M stat e / T

Folyási jelenségek szemcsés anyagokban MTA WIGNER FK SZFI, www.szfki.

2009 Réteges szerkezetű szemcsés anyag deformációja Snellius-Descartes törvény: sin sin eff 1 eff 2 eff P ds min.

Phys. Rev. Lett. 2012, Phys. Rev. E 2012, Börzsönyi & Stannarius. Soft Matter 2013, S. Wegner et al.

31 Folyási jelenségek szemcsés anyagokban MTA WIGNER FK SZFI, Komplex reológia, mintázatok Börzsönyi et al. Phys. Rev. Lett Réteges szerkezetű szemcsés anyag deformációja Snellius-Descartes törvény: sin sin eff 1 eff 2 eff P ds min. Börzsönyi et al. Phys. Rev. E 2009 Soft Matter 2011 Elnyújtott részecskék folyási orientációja Börzsönyi et al. Phys. Rev. Lett. 2012, Phys. Rev. E 2012, Börzsönyi & Stannarius. Soft Matter 2013, S. Wegner et al. Soft Matter 2012, 2014 Együttműködők: Szabó Balázs, Törös Gábor, Török János, Somfai Ellák, Unger Tamás Sandra Wegner, Kirsten Harth, Georg Rose, Ralf Stannarius, Jim McElwaine Támogatók: OTKA, MTA (Bolyai Ösztöndíj), MÖB-DAAD

Hasonló dokumentumok

Nyírási lokalizáció és rendeződés szemcsés anyagokban (munkabeszámoló) Szabó Balázs

Nyírási lokalizáció és rendeződés szemcsés anyagokban (munkabeszámoló) Szabó Balázs fiatal kutató, MTA Wigner FK, SZFI Komplex Folyadékok Osztály, Részben Rendezett Rendszerek Csoport 2010. szeptember