Suche nach der "fehlenden Physik" bei Erdrutschen

Binomialverteilung, n und p gesucht, Stochastik, Wahrscheinlichkeitsrechnung | Mathe by Daniel Jung (Juli 2019).

Anonim

In den 1990er Jahren begann Charles S. Campbell, jetzt Professor an der Fakultät für Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau der University of Southern California, zu erforschen, warum große Erdrutsche große Distanzen mit scheinbar geringer Reibung durchströmen und je größer das Volumen des fließenden Gesteins ist die Reibung.

Ein Erdrutsch ist ein großflächiges Beispiel für eine körnige Strömung, in der sich feste Teilchen wie eine Flüssigkeit bewegen - denken Sie, Sand fließt durch eine Sanduhr. Groß angelegte Computersimulationen zeigten, dass sich die Reibung in Erdrutschen so verhielt, dass sie gegen alle existierenden Theorien zum granularen Fluss verstieß. Dies führte zu der Suche nach der "fehlenden Physik" bei Erdrutschen.

Ein Schlüsselstück des Puzzles wurde von Campbell in den Jahren 2002 und 2005 entdeckt, als er die elastischen Eigenschaften von Teilchen ergriff, um eine Strömungskarte für alle granularen Strömungen zu zeichnen, indem sie in zwei getrennte Regimes aufgeteilt wurde: ein "elastisches Regime", stark von Kraftketten dominiert beladene quasi-lineare "Säulen" von Partikeln, die sich intern zu den fließenden Granulaten bilden - die stark von elastischen Eigenschaften abhängig sind gegenüber einem "inertialen Regime", das frei von Kraftketten ist.

Die neueste Entdeckung, die Campbell und Doktorand Tontong Guo diese Woche in Physics of Fluids berichten, beinhaltet die Verwendung ringförmiger Scherzellenmessungen von granularen Strömen, um zu bestätigen, dass die beiden Strömungsregime existieren.

Eine ringförmige Scherzelle ist eine Vorrichtung zum Messen der Partikelfließeigenschaften, und Campbell- und Guo-Versuche führten an vier verschiedenen Arten von kugelförmigen Kunststoffteilchen bei konstanten Volumenstromraten und konstanten angelegten Stressflüssen.

"Diese Experimente waren schwierig durchzuführen", räumte Campbell ein.

Aber es hat sich gelohnt, denn "es bestätigte unsere Ergebnisse von 2002 und 2005 - wir konnten die verschiedenen Regimes und die Übergänge zwischen ihnen beobachten", sagte Campbell. "In dem kürzlich entdeckten" elastisch-inertialen Regime ", das Teil des elastischen Regimes ist, nimmt die scheinbare Reibung mit der Scherrate zu und ist wahrscheinlich dort, wo die Erdrutsch-Simulationen funktionierten, obwohl der Effekt möglicherweise nicht stark genug ist, um die geringe Reibung zu erklären in lang auslaufenden Erdrutschen beobachtet. "

Während die früheren Arbeiten mit Computersimulationen mit diskreten Teilchen durchgeführt wurden, wurde in den jüngsten Arbeiten direkt experimentiert.

Die Implikationen dieser Arbeit sind signifikant, da fast alle festen Materialien in Industrien, die vom Bergbau bis zu Pharmazeutika reichen, in granulierter Form gehandhabt oder verarbeitet werden.

"Granulare Materialien fließen unter Schwerkraft und Schwerkraft getriebene Rutschen und Trichter werden oft verwendet, um Materialien um diese Pflanzen zu bewegen. Leider ist wenig darüber bekannt, wie diese Materialien fließen, so dass diese Geräte oft durch Versuche entworfen werden, was sehr teuer ist", erklärte Campbell. "Unsere aktuelle Arbeit trägt zum grundlegenden Verständnis der granularen Fließeigenschaften bei."

Was kommt als nächstes für die Gruppe?

"Die diskreten Partikel-Computersimulationen, die in den frühen Phasen unserer Arbeit verwendet wurden, sind jetzt allgegenwärtig und moderne Computer können verwendet werden, um den granularen Fluss durch ganze Verarbeitungsanlagen zu modellieren, so dass sie während des Designprozesses für Fabriken verwendet werden" sagte Campbell. "Die Materialeigenschaften der Partikel sind die Inputs für solche Programme. Wir planen, die Daten aus diesen Experimenten mit Simulationen zu vergleichen, um die wichtigsten Materialeigenschaften zu bewerten und herauszufinden, wie genau wir die Inputeigenschaften anpassen müssen, um vernünftige Ergebnisse zu erhalten Simulationen. "

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