Trods fysikkens love? Ingeniører demonstrerer bobler af sand

Strømmen af ​​granulerede materialer, såsom sand og katalytiske partikler, der anvendes i kemiske reaktorer, forklarer en lang række naturfænomener, fra mudderskred til vulkaner, og muliggør en bred vifte af industrielle processer, fra farmaceutisk produktion til kulstoffangst. Mens bevægelse og blanding af granulat ofte viser slående ligheder med væsker, som i bevægelige klitter, laviner, og kviksand, fysikken, der ligger til grund for granulære strømme, er ikke så velforstået som væskestrømme.

Nu, en nylig opdagelse af Chris Boyce, assisterende professor i kemiteknik ved Columbia Engineering, forklarer en ny familie af gravitationsstabilitet i granulerede partikler med forskellige densiteter, der drives af en gaskanaliseringsmekanisme, der ikke ses i væsker. I samarbejde med Energy and Engineering Science Professor Christoph Müllers gruppe ved ETH Zürich, Boyces team observerede en uventet Rayleigh-Taylor (R-T) -lignende ustabilitet, hvor lettere korn stiger gennem tungere korn i form af "fingre" og "granulære bobler." RT-ustabilitet, som produceres ved interaktioner mellem to væsker med forskellige densiteter, der ikke blandes - olie og vand, for eksempel - fordi lettere væske skubber den tungere til side, er ikke set mellem to tørre granulerede materialer.

Studiet, offentliggjort i dag i Procedurer fra National Academy of Sciences , er den første til at demonstrere, at "bobler" af lettere sand dannes og stiger gennem tungere sand, når de to typer sand udsættes for vertikal vibration og opadgående gasstrøm, ligner boblerne, der dannes og stiger i lavalamper. Teamet fandt ud af, at ligesom luft- og oliebobler stiger i vand, fordi de er lettere end vand og ikke vil blande sig med det, bobler af let sand stiger op gennem tungere sand, selvom to typer sand gerne blander sig.

"Vi tror, ​​at vores opdagelse er transformerende, "siger Boyce" Vi har fundet en granulær analog af en af ​​de sidste store væskemekaniske ustabiliteter. Mens analoger til de andre større ustabilitet er blevet opdaget i granulatstrømme i de seneste årtier, RT-ustabiliteten har unddraget sig direkte sammenligning. Vores fund kunne ikke kun forklare geologiske formationer og processer, der ligger til grund for mineralforekomster, men kunne også bruges i pulverbehandlingsteknologier inden for energien, konstruktion, og medicinalindustrien. "

Boyces gruppe brugte eksperimentel og beregningsmæssig modellering for at vise, at gaskanalisering gennem lettere partikler udløser dannelsen af ​​finger- og boblemønstre. Gaskanaliseringen opstår, fordi klyngerne af lettere, større partikler har en højere permeabilitet for gasstrømning end de tungere, mindre korn. Den R-T-lignende ustabilitet i granulære materialer stammer fra en konkurrence mellem opadgående trækkraft, der øges lokalt ved gaskanalisering og kontaktkræfter nedad, en fysisk mekanisme helt anderledes end den, der findes i væsker.

De fandt ud af, at denne gaskanaliseringsmekanisme også genererer andre gravitationsinstabilitet, herunder den kaskadende forgrening af en faldende granulatdråbe. De demonstrerede også, at den R-T-lignende ustabilitet kan forekomme under en lang række forskellige gasstrømnings- og vibrationsforhold, danner forskellige strukturer under forskellige excitationsbetingelser.

"Disse ustabilitet, som kan anvendes på en række forskellige systemer, kaste nyt lys over granulær dynamik og foreslå nye muligheder for mønstre inden for granulære blandinger for at danne nye produkter i medicinalindustrien, for eksempel, "Tilføjer Boyce." Vi er især begejstrede for den potentielle indvirkning af vores fund på de geologiske videnskaber - disse ustabilitet kan hjælpe os med at forstå, hvordan strukturer har dannet sig over Jordens lange historie og forudsige, hvordan andre kan danne sig i fremtiden. "

Boyce undersøger nu andre væskelignende og strukturerede fænomener i sandpartikler og kvantificerer deres adfærd. Han er også i samtaler med geologer og vulkanologer for at undersøge mere om, hvordan denne proces og lignende forekommer i den naturlige verden.