砂山を用いた粉体の流動化メカニズム理解への相転移的アプローチ

使用砂堆了解粉末流化机制的相变方法

基本信息

批准号：
17J05552
负责人：
辻大輔
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J05552/
关键词：
粉体物理非線形拡散輸送離散要素法天体地形緩和

项目摘要

本研究では３年間にわたり、振動が駆動する粉体流ダイナミクスを記述する理論モデルの構築に取り組んだ。昨年度までに主に次の２つの成果を上げた。（１）砂山（傾斜した粉体層）を振動により流動化させる室内実験を行い、粉体流の深さ平均輸送速度を記述するモデルを構築した。（２）離散要素法を用いた数値計算で室内実験を再現し、粉体流の内部速度構造まで記述できるようモデルを改良した。今年度はモデルの理解を更に深める次の２つの成果を上げた。第一に、類似した先行研究との整合性を確認することで、モデルの普遍性を支持する結果を得た。先行研究では、振動下でも砂山の傾斜角が変化しない定常状態において、粉体流の性質が実験的に調べられていた。その結果と、本研究のモデルから理論的に予想される粉体流の性質が整合的であることを示した。第二に、モデルを別の手法により導出することを試みた。従来はランダムウォーク過程にもとづく確率論的な議論からモデルを導出していたが、運動エネルギー保存則から同様のモデルの導出が可能であることを示した。これにより、従来の確率論的な議論では説明できなかったモデルの不定性に一部制約を与えることができた。なお、当初は数値計算のデータ解析を更に進める予定であったが、上記の理論的考察に予想以上の進展が見えたので、そちらを優先した。最後に、国際ワークショップ「Discussion meeting on Granular dynamics & Planetary terrain」を開催して、粉体物理と惑星科学の分野横断的な議論も行った。そして、３年間で得られた結果をもとに博士論文「Relaxation dynamics of granular-heap structure under vertical vibration」を完成させた。

这项研究工作了三年，以建立一个描述振动驱动粉末流动动力学的理论模型。截至去年，我们已经取得了两项主要成就：（1）进行室内实验，以使通过振动流动的沙子桩（倾斜粉末层），并构建了一个模型，描述了粉末流量的平均运输速度。（2）改进了该模型，以便可以使用离散元素方法通过数值计算来重现室内实验，甚至可以描述粉末流的内部速度结构。今年，我们取得了两个结果，进一步加深了对模型的理解。首先，我们通过确认与类似的先前研究的一致性来获得支持模型普遍性的结果。先前的研究已经通过实验研究了在稳态下粉末流的特性，即即使在振动下，沙桩的斜率也不会改变。结果表明，理论上预测的粉末流量与本研究模型一致。其次，我们尝试使用不同的方法来得出模型。以前，模型是根据基于随机行走过程的概率论证得出的，但是已经表明，类似的模型可以从动能保护定律中得出。这使我们能够部分限制模型的不确定性，而传统概率论证无法解释。最初，我们计划进一步推进数值计算的数据分析，但是我们在上面的理论考虑中看到的比预期的要大，因此我们将此优先级。最后，举行了国际研讨会“关于颗粒状动力与行星地形的讨论会议”，以跨学科讨论粉末物理和行星科学进行了跨学科讨论。根据过去三年中获得的结果，他完成了博士学位论文：“垂直振动下的颗粒状岩石结构的松弛动力学”。