Intruder dynamics in fluid saturated granular medium

流体饱和颗粒介质中的入侵动力学

基本信息

  • 批准号:
    1805398
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 33.48万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-07-15 至 2023-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Media composed of solid grains and fluids occur in geology, oil recovery, and chemical and food processing industries. The motion of an intruder in these situations, for example, the burrowing or locomotion of an octopus through the sea bed, is currently difficult to predict. This is true whether the intruder is a large, rigid object that is denser than the solid grains or an active object such as a robot or worm. This research will develop a set of models that predict the detailed motion of intruders as a function of their physical properties and those of the medium. In addition, experiments will be performed with three-dimensional imaging techniques that allow simultaneous measurement of the intruder motion and the motion of the surrounding grains and fluid. The experiments and models will focus first on spherical intruders, and then extend to rods and multi-link robot intruders. Design rules for these robots, which might be used to probe marine sediments, will be developed by studying the motion of freshwater worms. Ultimately, the results will be applied to efficient processing of wet granular materials in industry and the development of robots that can move through complex environments. The project will provide research experience for students at various stages of their educational careers in a collaborative environment focused on STEM.Intruder motion in dry granular materials has been studied to understand non-ergodic behavior in dynamical systems and segregation mechanisms. However, an understanding of intruder dynamics in fluid saturated granular medium, important to an even wider range of natural and industrial systems, is largely underdeveloped. Rheological descriptions of the medium developed recently as a function of dimensionless inertial and viscous numbers from granular and suspensions research will be combined with low-Reynolds number hydrodynamic resistive force theory to describe the motion of the intruder in multi-phase particulate systems. Closely coupled fluorescence-tagged internal imaging techniques will be further developed and used to measure the rearrangements of the granular and fluid phase at the single-grain level. Detailed measurement of the shape and orientation dependent drag of the intruder combined with the connection of the observed drag to the micromechanics of the medium will enable the development of a fundamental rheology model of active and passive intruder dynamics through wet granular medium. The project activities will also support a range of educational activities including enabling undergraduate and graduate laboratory research experience, and outreach activities targeting school students and members of the public.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
由固体颗粒和流体组成的介质出现在地质、石油开采、化学和食品加工工业中。入侵者在这些情况下的运动,例如,章鱼在海底的挖洞或运动,目前很难预测。无论入侵者是一个比固体颗粒密度大的大型刚性物体,还是一个像机器人或蠕虫这样的活动物体,都是如此。这项研究将开发一套模型,预测入侵者的详细运动,作为他们的物理性质和那些介质的函数。此外,实验将使用三维成像技术进行,可以同时测量入侵者的运动和周围颗粒和流体的运动。实验和模型将首先集中在球形闯入者,然后扩展到杆和多连杆机器人闯入者。这些机器人的设计规则将通过研究淡水蠕虫的运动来制定,这些机器人可能用于探测海洋沉积物。最终,研究结果将应用于工业中湿颗粒材料的有效处理以及可以在复杂环境中移动的机器人的开发。该项目将在一个专注于STEM的协作环境中,为处于教育生涯不同阶段的学生提供研究经验。研究了干粒状材料中的侵入体运动,以理解动力系统中的非遍历行为和分离机制。然而,对流体饱和颗粒介质中的入侵者动力学的理解在很大程度上是不发达的,这对更广泛的自然和工业系统很重要。最近从颗粒和悬浮液研究中发展起来的介质流变学描述是无因次惯性和粘性数的函数,将与低雷诺数流体动力阻力理论相结合,以描述多相颗粒系统中入侵者的运动。密切耦合荧光标记内部成像技术将进一步发展,并用于测量颗粒和流体相的重排在单粒水平。对入侵者的形状和方向相关阻力的详细测量,结合观察到的阻力与介质微观力学的联系,将使通过湿颗粒介质的主动和被动入侵者动力学的基本流变模型得以发展。项目活动还将支持一系列教育活动,包括提供本科生和研究生的实验室研究经验,以及针对在校学生和公众的外展活动。该奖项反映了美国国家科学基金会的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Burrowing dynamics of aquatic worms in soft sediments
Escape dynamics of confined undulating worms
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2023-06-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Biswas,Animesh;Kudrolli,Arshad
  • 通讯作者:
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Drag anisotropy of cylindrical solids in fluid-saturated granular beds
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Pal, Ankush;Kudrolli, Arshad
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 作者:
    Biswas, Animesh;Huynh, Trinh;Desai, Balaram;Moss, Max;Kudrolli, Arshad
  • 通讯作者:
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 作者:
    Chang, Brian;Kudrolli, Arshad
  • 通讯作者:
    Kudrolli, Arshad
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