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Apr 02, 2023

Miglioramento del flusso lineare di granuli fini attraverso l'aggiunta di particelle allungate

Scientific Reports volume 5,

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 16071 (2015) Citare questo articolo

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Le clessidre sono state utilizzate per registrare il tempo per migliaia di anni a causa della loro portata costante; tuttavia, ora attirano l'attenzione per la loro sostanziale importanza scientifica e le estese applicazioni industriali. Si ritiene che la presenza di particelle allungate in un sistema granulare binario determini un flusso indesiderato perché la loro forma implica una maggiore resistenza al flusso. Tuttavia, i nostri esperimenti dimostrano che l'aggiunta di particelle allungate può ridurre sostanzialmente la fluttuazione del flusso dei granuli fini e produrre un flusso lineare stabile simile a quello di una clessidra. Sulla base di dati sperimentali e precedenti rapporti sulla dinamica del flusso, abbiamo osservato che il flusso lineare è guidato dall '"effetto particella dell'ago", compreso l'orientamento del flusso, la ridotta agglomerazione e la perturbazione locale. Questo fenomeno è osservato in diversi sistemi granulari binari, inclusi granuli fini e particelle allungate secondarie, il che dimostra che il nostro semplice metodo può essere ampiamente applicato alla misurazione accurata dei flussi granulari nell'industria.

Una clessidra è uno strumento di cronometraggio che si basa sul flusso costante di sabbia1. Questi dispositivi sono stati studiati per migliaia di anni, fornendo un sistema conveniente per ottenere approfondimenti specifici su questioni scientifiche fondamentali relative al comportamento del flusso granulare. In linea con la poesia che afferma "vedere un mondo in un granello di sabbia..."2, i materiali granulari sono importanti in vari processi e mostrano molti fenomeni intrinseci peculiari3,4,5,6. Nel processo di indagini granulari negli ultimi due secoli, i fenomeni classici7,8 e i tipici lavori sperimentali9,10 sono stati principalmente correlati a particelle grossolane e prive di coesione i cui diametri sono maggiori di diverse centinaia di micrometri. Tuttavia, prove crescenti11 indicano che si dovrebbe prestare maggiore attenzione all’applicazione diffusa dei granuli fini in quasi ogni aspetto della nostra vita. Ad esempio, flussi lineari granulari fini come quello di una clessidra vengono utilizzati nella produzione alimentare, nell'ingegneria chimica e nella produzione farmaceutica per controllare direttamente la qualità del prodotto risultante.

Tuttavia, il flusso granulare rimane un problema scientifico complicato. Numerosi meccanismi di flusso irrisolti richiedono indagini approfondite12,13,14. I fenomeni oscillatori riportati nella clessidra di sabbia sono stati confermati da esperimenti e simulazioni numeriche15,16 e sono attribuiti alle interazioni aria-solido e all'organizzazione spontanea della sabbia. Le fluttuazioni del flusso correlate ai parametri di flusso quali porosità, numero di coordinazione, magnitudo della velocità e stress17 sono state studiate quantitativamente utilizzando un modello discreto 2D e tre regimi nella clessidra18 sono stati ottenuti da indagini riguardanti l'effetto di un fluido interstiziale sullo scarico granulare. Vivanco et al.19 hanno attribuito le fluttuazioni di velocità a una rete intermittente di archi e forti catene di forze. Forti forze interparticellari formano naturalmente una distribuzione disomogenea di catene di forze filiformi20,21. Inoltre, è probabile che le catene di forze che si propagano lungo una stringa di particelle formino un arco in grado di resistere ad una certa pressione e impedire il movimento solido22,23. Rispetto alle transizioni di jamming di un sistema granulare, Majmudar24 e Valverde25 hanno osservato un comportamento a legge di potenza tra lo stress e la frazione di volume e hanno riportato che la probabilità di jamming granulare diminuisce all'aumentare del rapporto tra il diametro di uscita e la dimensione delle particelle26.

È stato dimostrato che l'aerazione e la vibrazione27 migliorano il flusso granulare fine. La credenza comune suggerisce che la presenza di particelle aghiformi in una miscela granulare binaria potrebbe influenzare negativamente la scorrevolezza poiché le forme aghiformi mostrano un elevato fattore di resistenza alla mobilità. In questa lettera riportiamo che l'aggiunta di particelle aghiformi ad una polvere fine dà luogo ad un flusso lineare analogo a quello di una clessidra; inoltre chiariamo sistematicamente il meccanismo di transizione. Questo risultato controintuitivo ci offre l’opportunità di svolgere un lavoro pionieristico in questo settore.