Д-р Эрик-младший Партели из факультета наук о Земле Кельнского университета, профессор Фэнсян Фан из Шанхайского университета науки и технологий и профессор Торстен Пошель из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге опубликовали результаты своего исследования «Происхождение гранулята». Капиллярность, выявленная с помощью моделирования на основе частиц »в Physical Review Letters.Капиллярность жидкости возникает в результате взаимодействия различных молекулярных сил: притяжение между молекулами жидкости удерживает их вместе, в то время как притяжение между молекулами и трубкой движет жидкость вверх. Это объяснение исключает возникновение капиллярности для песка, потому что песчинки настолько больше, чем составляющие их молекулы, что межмолекулярными силами можно безопасно пренебречь по сравнению с гравитацией и инерцией зерна.
Однако, как ни удивительно, капиллярность гранул наблюдалась в лабораторных экспериментах, в которых гранулированный материал подвергался крошечной вертикальной вибрации с амплитудой в несколько диаметров зерна и частотой всего в несколько герц. Происхождение этого гранулярного капиллярного эффекта было давней загадкой, которую удалось раскрыть международной группе ученых.Они исследовали проблему с помощью метода численного моделирования на основе частиц, который называется методом дискретных элементов.
В этом методе траектория каждого отдельного зерна вычисляется путем численного решения уравнений поступательного и вращательного движения Ньютона из-за сил, действующих на каждое зерно. Таким образом, с помощью такого численного эксперимента можно отслеживать траекторию и скорость всех зерен, включая те зерна, которые находятся глубоко в объеме гранул, которые трудно оценить в лаборатории.
В ходе моделирования исследовательская группа заметила, что то, что заставляет столб песка подниматься в трубе, — это конвективное движение песчинок внутри приемника, которое присуще зернистым материалам при вертикальных колебаниях. Этот конвективный поток вызывает боковой перенос массы внутри вибрирующей насадки из гранул, что приводит к давлению вверх на основание гранулированного столба в трубе, поэтому столбик поднимается. Ученые обнаружили, что то, насколько быстро и далеко поднимается столбик, зависит от размера трубы.
Примечательно, что моделирование показало, что высота гранулярного мениска (высота капилляра, которую гранулярный столбик достигает через долгое время) обратно пропорциональна размеру трубки. Это точно такое же поведение, как и для капиллярности жидкости, хотя движущие силы в этих двух системах сильно различаются.В своем исследовании физики показали, что такой же капиллярный эффект может быть получен путем встряхивания трубки вместо контейнера, что открывает многообещающие применения в секторах погрузочно-разгрузочных работ и транспортировки. Например, частицы можно перекачивать из очень больших контейнеров, просто используя капиллярность гранул.
Сейчас они изучают этот процесс более глубоко, чтобы понять влияние геометрии системы и частиц.