УЩІЛЬНЕННЯ (КОМПАКТИЗАЦІЯ) ВПАКУВАННЯ У БІ-КОМПОНЕНТНІЙ МІКРОМЕХАНІЧНІЙ (ГРАНУЛЬОВАНІЙ) СУМІШІ
DOI:
https://doi.org/10.15407/scine17.04.079Ключові слова:
захисні гранульовані екрани, гранульована бі-компонентна суміш, теорія Кірквуда-Баффа, впакування, ущільнення, модель Карнахана-Старлінга, рідинні суміші, надлишкові властивості сумішівАнотація
Вступ. Одна з традиційно актуальних проблем теоретичного базису виробництва і технологій - це опис, параметризація та прогнозування властивостей суміші залежно від параметрів компонентів. Однією із найсуттєвіших проблем,
які заважають ефективному використанню гранульованих матеріалів, наприклад у будівельній промисловості, є складність забезпечення їх максимального ущільнення для підвищення ефективності практичного застосування.
Проблематика. Розуміння принципів, завдяки яким формуються основні параметри багатокомпонентних систем спирається на базові моделі, які дозволяють параметризувати дані вимірів в термінах величин, що характеризують окремі чисті компоненти (reference data). Побудова таких моделей є складною задачею та вимагає феноменологічної інформації із декількох альтернативних джерел.
Мета. Спираючись на апарат теорії Кірквуда-Баффа, модельні рівняння стану та данні аналізу експериментальних даних з вивчення макроскопічних параметрів бідисперсної мікромеханічної суміші побудувати теоретичний алгоритм опису та параметризації їх фізико-механічних характеристик в термінах зв’язків макроскопічних та парціальних властивостей залежно від об’ємної (або молярної) фракції одного з компонентів.
Матеріали й методи. Моделі гранульованих бікомпонентних сумішей; теорія Кірквуда-Баффа; модельні рівняння стану для модельних сумішей твердих кульок типу Карнахана-Старлінга; феноменологічна інформація про динаміку ущільнення простих гранульованих сумішей.
Результати. За допомогою теорії Кірквуда-Баффа, модельних співвідношень для сумішей твердих кульок, із використанням феноменологічних даних про характер ущільнення гранульованих матеріалів, розроблено алгоритм для опису макроскопічних властивостей бінарних гранульованих систем зокрема компактизації.
Висновки. Отримані дані підтверджують наявність впливу мультидисперсності на динаміку ущільнення тобто, на можливість суміші під дією зовнішніх впливів прогнозовано змінювати локальну структуру впакування та її параметри.
Посилання
Uchida, T., Kawahara, Y., Hayashi, Y., Tateishi, A. (2020). Eulerian Deposition Model for Sediment Mixture in GravelBed Rivers with Broad Particle Size Distributions. Journal of Hydraulic Engineering, 146(10), 04020071. doi: 10.1061/ (ASCE)HY.1943-7900.0001783.
Knott, J. F. (1978). Fundamentals of fracture mechanics. Moscow: Metallurgiya [in Russian].
Gerasymov, O. I., Khudyntsev, M. M., Andrianova, I. S., Spivak, A. Ya. (2016, November). Granular materials in utilization technologies of radiation-harmful substations. Proceedings of the National Forum: ”Problems, perspectives and strategy of waste utilization in Ukraine” (22—23 Nov 2016, Kyiv), 40—42. Kyiv [in Ukrainian].
Gerasymov, O. I., Somov, M. M. (2015). Statistical description of excess properties of many-particle binary systems.
Ukrainian Journal of Physics, 60(4), 324—327. doi: 10.15407/ujpe60.04.0324.
Gerasymov, O. I., Zagorodny, A. G., Somov, M. M. (2013). Toward the analysis of the structure of granular materials. Ukrainian Journal of Physics, 58(1), 32—39. doi: 10.15407/ujpe58.01.0032.
Pillitteri, S., Lumay, G., Opsomer, E., Vandewalle, N. (2019). From jamming to fast compaction dynamics in granular
binary mixtures. Scientific Reports, 9(1), 7281. doi: 10.1038/s41598-019-43519-6.
Jaeger, H. M., Nagel, S. R. (1992). Physics of the granular state. Science, 255(5051), 1523—1531. doi: 10.1126/science.255.5051.1523.
Aste, T., Weaire, D. (2000). The Pursuit of Perfect Packing. Bristol. doi: 10.1887/0750306483.
Weitz, D. A. (2004). Packing in the spheres. Science, 303(5660), 968—969. doi: 10.1126/science.1094581.
Torquato, S. (2018). Perspective: Basic understanding of condensed phases of matter via packing models. The Journal of chemical physics, 149(2), 020901. doi: 10.1063/1.5036657.
Torquato, S., Stillinger, F. H. (2010). Jammed hard-particle packings: From Kepler to Bernal and beyond. Reviews of modern physics, 82(3), 2633—2672. doi:10.1103/RevModPhys.82.2633.
Berryman, J. G. (1983). Random close packing of hard spheres and disks. Physical Review A, 27(2), 1053—1061. doi: 10.1103/PhysRevA.27.1053.
Onoda, G. Y., Liniger, E. G. (1990). Random loose packings of uniform spheres and the dilatancy onset. Physical review letters, 64(22), 2727—2730. doi: 10.1103/PhysRevLett.64.2727.
Song, C., Wang, P., Makse, H. A. (2008). A phase diagram for jammed matter. Nature, 453(7195), 629—632. doi: 10.1038/nature06981.
Noirhomme, M., Ludewig, F., Vandewalle, N., Opsomer, E. (2017). Cluster growth in driven granular gases. Physical Review E, 95(2), 022905 doi: 10.1103/PhysRevE.95.022905.
Lumay, G., Vandewalle, N. (2005). Experimental study of granular compaction dynamics at different scales: grain mobility, hexagonal domains, and packing fraction. Physical review letters, 95(2), 028002. doi: 10.1103/PhysRevLett.95.028002.
Carvente, O., Ruiz-Suarez, J. (2005). Crystallization of confined non-brownian spheres by vibrational annealing. Physical review letters, 95(1), 018001. doi: 10.1103/PhysRevLett.95.018001.
Panaitescu, A., Reddy, K. A., Kudrolli, A. (2012). Nucleation and crystal growth in sheared granular sphere packings. Physical review letters, 108(10), 108001. doi: 10.1103/PhysRevLett.108.108001.
Knight, J. B., Fandrich, C. G., Lau, C. N., Jaeger, H. M., Nagel, S. R. (1995). Density relaxation in a vibrated granular
material. Physical Review E, 51(5), 3957—3963. doi:10.1103/PhysRevE.51.3957.
de Richter, S. K., Hanotin, C., Marchal, P., Leclerc, S., Demeurie, F., Louvet, N. (2015). Vibration-induced compaction of granular suspensions. The European Physical Journal E, 38(7), 74. doi: 10.1140/epje/i2015-15074-7.
Nicolas, M., Duru, P., Pouliquen, O. (2000). Compaction of a granular material under cyclic shear. The European Physical Journal E, 3(4), 309—314. doi:10.1007/s101890070001.
Roquier, G. (2016). The 4-parameter compressible packing model (cpm) including a new theory about wall effect and loosening effect for spheres. Powder Technology, 302, 247—253. doi: 10.1016/j.powtec.2016.08.031.
Farr, R. S., Groot, R. D. (2009). Close packing density of polydisperse hard spheres. The Journal of chemical physics, 131(24), 244104. doi: 10.1063/1.3276799.
Danisch, M., Jin, Y., Makse, H. A. (2010). Model of random packings of different size balls. Physical Review E, 81(5),
doi:10.1103/PhysRevE.81.051303.
Chen, D., Torquato, S. (2015). Confined disordered strictly jammed binary sphere packings. Physical Review E, 92(6), 062207. doi:10.1103/PhysRevE.92.062207.
Hopkins, A. B., Jiao, Y., Stillinger, F. H., Torquato, S. (2011). Phase diagram and structural diversity of the densest binary sphere packings. Physical Review Letters, 107(12), 125501. doi:10.1103/PhysRevLett.107.125501.
Behringer, R. P., Chakraborty, B. (2018). The physics of jamming for granular materials: a review. Reports on Progress in Physics, 82(1), 012601. doi: 10.1088/1361-6633/aadc3c.
Boutreux, T., de Gennes, P. G. (1997). Compaction of granular mixtures: a free volume model. Physica A, 244(1—4), 59—67. doi: 10.1016/S0378-4371(97)00236-7.
Gerasymov, O. I., Khudyntsev, N. N., Klymenkov, O. A., Spivak, A. Y. (2005). The kinetics of processes occurring in
granular materials in the field of vibroaccelerations. Ukrainian Journal of Physics, 50(6), 623—631.
Gerasymov, O. I., Vandewalle, N., Spivak, A. Ya., Khudyntsev, N. N., Lumay, G., Dorbolo, S., Klymenkov, O. A. (2008).
Stationary states in a 1D system of inelastic particles. Ukrainian Journal of Physics, 53(11), 1128—1135.
Kirkwood, J. G., Buff, F. P. (1951). The statistical mechanical theory of solutions. I. The Journal of chemical physics, 19(6), 774—777. doi:10.1063/1.1748352.
Carnahan, N. F., Starling, K. E. (1969). Equation of state for nonattracting rigid spheres. The Journal of chemical physics, 51(2), 635—636. doi:10.1063/1.1672048.
Mansoori, G. A., Carnahan, N. F., Starling K.E., Leland Jr., T. W. (1971). Equilibrium Thermodynamic Properties of the Mixture of Hard Spheres. The Journal of Chemical Physics, 54(4), 1523—1525. doi:10.1063/1.1675048.
Pillitteri, S., Opsomer, E., Lumay, G., Vandewalle, N. (2020). How size ratio and segregation affect the packing of binary granular mixtures. Soft Matter, 16(39), 9094-9100. doi: 10.1039/D0SM00939C.
Vandewalle, N., Lumay, G., Gerasimov, O., Ludewig, F. (2007). The influence of grain shape, friction and cohesion on granular compaction dynamics. The European Physical Journal E, 22(3), 241—248. doi:10.1140/epje/e2007-00031-0.
Aliotta, F., Gapiński, J., Pochylski, M., Ponterio, R. C., Saija, F., Salvato, G. (2007). Excess compressibility in binary liquid mixtures. The Journal of chemical physics, 126(22), 224508. doi:10.1063/1.2745292.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Положення про авторські права Автори, які публікуються у журналі «Наука та інновації», погоджуються на такі умови: Автори зберігають авторські права та надають журналу право першої публікації. Автори можуть вступати в окремі, додаткові договірні угоди для не ексклюзивного розповсюдження надрукованої у журналі «Наука та інновації» версії своєї роботи (статті) (наприклад, розмістити її в інституційному сховищі або опублікувати в своїй книзі), із підтвердженням її первинної публікації у журналі «Наука та інновації». Авторам дозволено розміщувати свою роботу в Інтернеті (наприклад, в інституційних сховищах або на їх веб-сайті).
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
