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Author(s)

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Keywords

Silo bidimensional, Partículas, Morfología, Materias Investigacion::Física

Date of the defense

2013-05-17

Abstract

En esta memoria se presentan resultados experimentales del efecto que tiene la presencia de caras planas en las partículas que conforman un medio granular cuando se carga y descarga un silo bidimensional. Se estudia además como la morfología de estos sistemas se ve afectada por el modo en que se realizan los depósitos y la relación de aspecto de las partículas (definida como el cociente entre el lado m ́as largo y el m ́as corto de las mismas). En trabajos previos se mostro que en depósitos bidimensionales la relación de aspecto de las partículas con caras planas condiciona fuerte mente el estado final que alcanza el sistema. Así, las partículas muy alargadas tienden a alinearse horizontalmente, preferencia que se va atenuando a medida que la relación de aspecto disminuye. En el caso lımite de partículas cuadradas, simulaciones numéricas sugerían que la orientación m ́as probable es aquella en la que la diagonal de la partícula apunta en la dirección de la gravedad; es decir, los cuadrados tienden a ponerse de punta. En este trabajo se ha confirmado experimentalmente esta predicción. Para generar depósitos usando diferentes condiciones de llenado se ha optado por variar la fracción de empaquetamiento inicial (φ0) de la muestra a partir de la cual se realizan los depósitos. Para las partículas alargadas se encuentra que el efecto de φ0 es prácticamente inapreciable en cuanto a la orientación que adoptan las mismas. Sin embargo se puede observar que el incremento de φ0 da lugar a la aparición de defectos (huecos) en la estructura disminuyendo el empaquetamiento. Para las partículas cuadradas la realidad es notablemente diferente ya que la morfología de los depósitos muestra una dependencia importante con la fracción de empaquetamiento inicial. As ́ı, un valor bajo de φ0 propicia una tendencia muy marcada hacia orientaciones verticales que se va perdiendo a medida que φ0 aumenta. Además, el empaquetamiento final del depósito muestra una dependencia no monótona con φ0.Si φ0 es bajo, cuando aumenta se genera desorden y el empaquetamiento final decrece. Pero si φ0 es lo suficientemente alto esta tendencia se invierte obteniéndose un aumento de la fracción de empaquetamiento final con φ0. El origen de este fenómeno se explica –a la luz de resultados previos en sistemas granulares parecidos– basándonos en que los medios granulares tienen ‘memoria’(dependen de la historia). En cuanto al proceso de descarga, se ha observado que los esfuerzos de corte que se generan en el interior del silo dan lugar a alineamientos de las partículas en la dirección de dichos esfuerzos. Este alineamiento, que parece facilitar el flujo, se da independientemente de la relación de aspecto de las partículas aunque es mucho m ́as marcado para partículas cuadradas. En este caso, se observa el desarrollo de estructuras columnares a ambos lados del orificio de salida que resultan ser muy estables dando lugar a un fenómeno llamado ‘ratholing’. Es de destacar que hasta ahora, este fenómeno solo se había observado en sistemas de partículas cohesivas. Finalmente se explora el efecto de la geometría de las paredes en los sistemas de partículas cuadradas. Para eso, se comparan los resultados primitivos utilizando paredes planas con otros donde se emplean paredes en forma de diente de sierra triangular. Durante la carga las paredes en forma de diente de sierra dan lugar a depósitos donde aumenta el número de partículas que están alineadas perfectamente de punta. Sin embargo, parece que la estructura generada es más rígida que la obtenida con paredes planas propiciando que también aumente el número de defectos donde las partículas se orientan horizontalmente. En el proceso de descarga las paredes con forma de diente de sierra triangular previenen la formación de estructuras columnares. Sin embargo se observa que la orientación mas probable en ciertas zonas del silo es la horizontal, efecto que es atribuido –de nuevo– a los esfuerzos de corte.

In this report we present experimental results about the effect that faceted particles have in the charge and discharge of granular material from a bidimensional silo. In particular, we analyze the effect of the feed rate and the particles aspect ratio (defined as the ratio between their longest and shortest side) on the deposits morphology. In previous works it was found that the aspect ratio of faceted particles strongly affects the deposits configuration. Indeed, the longest particles tend to align horizontally, a tendency that is attenuated as the particles become shorter. For the limit case of square particles numerical simulations predicted a configuration where most of the particles align with a diagonal in the direction of gravity, i.e. pointing downwards. This behaviour has been experimentally confirmed in this work. We show that the effect of increasing the feed rate -which was varied by controlling the initial packing fraction of the configuration from which the deposits were performed- was different depending on the type of particles utilized. For elongated particles the feed rate has a negligible effect on the particles orientation. Nevertheless, increasing the feed rate causes an augment of the number of defects (holes) within the structure, leading to a reduction of the packing fraction. For the square particles the behavior is completely different. Effectively, the deposits morphology displays a well marked dependence on the feed rate. Indeed, the strong preference of the squares for the pointing down alignment is reduced as the feed rate is increased. At the same time, we observe a non monotonous dependence of the final packing fraction of the sample on the feed rate (or initial packing fraction of the sample). Hence, the reported behavior for low feeding rates resembles the obtained for elongated particles: increasing feed rate causes a reduction of the final packing fraction. But if the feed rate is sufficiently high, this tendency is reversed and the packing fraction increases again. The origin of this phenomenon is discussed in relation with results reported in other granular systems which show that granular media are history-dependent. Concerning the silo discharge process, we have observed that the shear stress developed within the silo seems to lead to the alignment of particles in the direction of such stress. This alignment seems to facilitate the flowability of the particles and occurs independently on their aspect ratio. For the case of square particles this behavior is specially important as it gives rise to the development of columnar arrangements of particles. These columns are proved to be extremely stable, a phenomenon that is known as ratholing which, before this work, was only observed in cohesive particles. Finally, we explore the effect that the lateral walls geometry has on the systems of square particles. To this end, we compare the original results using flat lateral walls with additional ones using triangular sawtooth walls. The deposits obtained with sawtooth lateral walls reveal an increase of the number of particles perfectly aligned pointing. Nonetheless it seems that the obtained structure is more rigid that the one obtained with flat walls causing also an augment of the number of defects where the particles get aligned horizontally. During the discharge process, the triangular sawtooth walls clearly prevent the columnar arrangements. Still, in some regions within the silo the horizontal alignment is the most likely, a behavior that is related with the shear stress.