粉体に代表される巨視的な離散系の動力学とジャミング現象

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粉体の運動が流動状態から固体状態に移るのは、外力によって不規則で高密度な状態となり、運動が制限されるジャミング現象であると考えられている。この特徴的な振舞いを理解するため、(1)高密度な乾燥粉体のレオロジー、及び(2)湿った粉体の動力学について研究を行った。(1)粉体系は、非弾性衝突するため、粒子間の相対速度が小さくなり、空間的な速度相関が生じる。この速度相関は、一様冷却状態でのエネルギー減衰に大きく寄与することが知られており、流れのある系のレオロジーにも大きく影響する可能性がある。しかし一方で、せん断があると、相関は発達しにくいとも考えられるが、せん断流中の速度相関はよく調べられていない。我々は、三次元非弾性剛体球系の単純せん断流について、数値実験と速度相関を考慮しない運動論を比較しながら、速度相関が構成関係式に与える影響を調べた。その結果、エネルギー散逸率が、高密度側や運動論の構成関係式の見積りよりも小さい値になった。圧力やせん断応力についても、高密度側である程度の不一致が見られた。多重衝突前の相対速度の分布を調べることで、この散逸の低下には、同じペアの粒子が短時間に複数回非弾性衝突することによる、法線方向の相対速度の低下が寄与していることがわかった。また、この相対速度の低下により、高密度側での圧力の低下も説明できた。(2)湿った粉体では、毛管力のために粉体粒子間に凝集力が働く。すると粒子が自由に動きにくくなるため、ジャミング状態になりやすくなると予想される。我々は、湿った粉体の研究の現状についてまとめ、レビュー論文として発表した。.また、湿った粉体において液体の量を増加させると、2体の液体架橋による凝集力だけでなく、複数の粒子が一つの液体の固まりを通じて相互作用する多体効果が現れると考えられているが、この多体効果の単純なモデルを提案し、動的振舞いについて解析した。