Statistical dynamics of soft low-friction grains

Abstract

Granular systems are very common in nature and have been applied widely in industry. Even though granular systems have been studied for decades, the behavior of some granular material systems has been rarely studied before, for example, soft, smooth grains. To study the behaviors of granular material, discharging particles in a silo is one of the experiments to characterize the statistical dynamics of granular systems. A silo is also an important container for the storage of particles in industry. Shear cells are another important experimental setup to study on rheology of granular systems, especially on shear banding. In this thesis, we systematically study the statistical dynamics of granular systems, especially soft, low-friction grains. The first chapter is about the introduction of granular systems and the experimental methods to characterize granular behavior. The second chapter starts on the intermittent flow of soft grains passing narrow orifices compared with hard beads. Then the next chapter discusses mixtures of soft and hard grains in silo discharge and both of these two chapters strongly demonstrate the influence of elasticity and friction of grains on silo discharge and probabilities of clog formation. Continuing on the research of the factor of silo discharge and clogging, we also present the effect of an obstacle in silo discharge with soft, low-friction grains in the 4th chapter. Additionally, based on identical features of soft grains, the dynamics of soft grains in a shear cell is presented in the 5th chapter. An MRI method is applied in this chapter to track the shear flow of soft particles. In the end, the summary of soft granular systems and the outlook of this research are given in the 6th chapter.

Granulares Systeme sind in der Natur weit verbreitet und werden in der Industrie vielseitig angewendet. Obwohl granulare Systeme seit Jahrzehnten untersucht werden, ist das Verhalten verschiedener granularer Systeme, beispielsweise weicher, glatter Körner, unzureichend verstanden. Um das Verhalten von granularem Material zu untersuchen, wird beispielsweise das Ausfließen von Partikeln aus einem Silo in Experimenten angewendet, um die statistische Dynamik des Schüttgutes zu charakterisieren. Silos sind wichtige Behälter für die Lagerung von Partikeln in der Industrie. Scherzellen sind ein weiterer wichtiger experimenteller Aufbau zur Untersuchung der Rheologie granularer Systeme, insbesondere von Scherbändern. In dieser Arbeit untersuchen wir systematisch die statistische Dynamik granularer Systeme, insbesondere aus weichen, reibungsarmen Partikeln. Das erste Kapitel befasst sich mit der Einführung granularer Systeme und der experimentellen Methoden zur Charakterisierung des granularen Verhaltens. Das zweite Kapitel beginnt mit dem intermittierenden Fluss weicher Partikel, die eine enge Öffnung passieren, im Vergleich zu harten Kugeln. Dann, nach dem nächsten Kapitel, wird die Mischung von weichen und harten Körnern bei der Siloentleerung diskutiert, und beide Kapitel deuten stark auf den Einfluss der Elastizität und Reibung von Körnern auf die Siloentleerung und die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Verstopfungen hin. Als Fortsetzung der Erforschung der Auswirkung auf Siloausfluss und Verstopfung stellen wir im 4. Kapitel auch den Effekt von Hindernissen beim Siloausfluss von weichen, reibungsarmen Körnern vor. Zusätzlich wird, basierend auf den gleichen Merkmalen der weichen Körper, die Dynamik in Scherzellen im 5. Kapitel vorgestellt. Technisch wird in diesem Kapitel eine MRIMethode angewendet, um den Scherfluss von weichen Partikeln zu verfolgen. Abschließend wird im 6. Kapitel die Zusammenfassung und der Ausblick dieser Forschung gegeben.