Systematic dem and coarse-graining analysis of dense granular flows

Resumen

Los enfoques experimentales presentan ciertas limitaciones a la hora de acceder a las variables micro-mecánicas de sistemas granulares tridimensionales. Este inconveniente dificulta el establecimiento de relaciones causa-efecto que expliquen los comportamientos que se observan en dichos experimentos. En investigaciones que involucran sistemas densos de partículas, es habitual el uso de las simulaciones basadas en métodos de elementos discreto (DEM) combinadas con técnicas de promediación. Estas técnicas de promediación transforman las variables microscópicas resultado de las simulaciones en campos continuos, permitiendo brindar explicaciones sobre los orígenes de ciertos fenómenos que por vías experimentales resultaría muy intrincado. El objetivo de esta tesis es evaluar la respuesta mecánica de muestras granulares combinando DEM, metodologías de coarse-graning y formulaciones de mecánica del continuo. Este enfoque sistemático permite abordar la naturaleza multiescalar de los flujos granulares, mejorando notablemente la comprensión de su comportamiento. En este contexto, se dedican esfuerzos para determinar el origen de fenómenos aún sin respuestas provenientes de tres sistemas diferentes: el flujo de partículas en un silo, el movimiento de un intruso dentro de un sistema granular y la segregación de mezclas granulares. Específicamente, el comportamiento no monótono de la velocidad de descarga Q como una función de la frecuencia de rotación f en un silo que posee una base rotatoria. En el caso del segundo sistema, la dinámica de un intruso que se mueve dentro de un medio granular compuesto de partículas ligeras así como la respuesta de este último. Finalmente, la inversión de la dirección de segregación de sistemas determinada por las diferencias en la forma delos constituyentes de la mezcla cuando esta es sometida a cizallamiento. El uso de métodos de coarse-graining permite acceder a la escala del continuo, en la cual las magnitudes que caracterizan los sistemas brindan una mejor descripción de estos. Con este propósito, se realizan simulaciones DEM y se aplican métodos de coarse-graining. Los primeros ofrecen las magnitudes microscópicas dinámicas tanto como las fuerzas de contacto entre las partículas, mientras que la técnica de coarse-graining facilita la conversión de las variables microscópicas a macroscópica. En el caso de la descarga granular en un silo, se mostró que los cambios en el proceso de descarga están directamente conectados a la aparición de distintos patrones de flujo. Específicamente, el patrón de flujo pasa de ser un flujo de embudo a un flujo másico. Asimismo, el análisis de los perfiles de velocidad y densidad en la cercanía del orificio del silo sugiere que el comportamiento no monótono de Q como función de f se debe a que el cizallamiento provocado por la rotación influye más sobre la fracción de volumen que sobre el campo de velocidad. Simultáneamente, el valor promedio de la presión cinética presentó una pequeña variación no monótona que explica el comportamiento similar de la dilatancia. Para el problema del intruso que se mueve dentro de un medio granular, el análisis obtenido a partir del método de coarse-graining permitió una descripción precisa de la respuesta macroscópica del lecho granular, demostrando que el intruso perturba el lecho granular a una distancia más lejana que los meros alrededores. Por otro lado, independientemente de la velocidad inicial, los perfiles depresión cinética respecto al sistema de referencia del intruso decaen exponencialmente manteniendo una longitud de decaimiento similar. Esto estuvo en perfecto acuerdo con la escala de disipación inercial obtenida para todos los casos. Finalmente, estudiando la segregación que se origina debido a la forma, los resultados de aplicar un modelo de segregación basado en la mecánica del continuo evidenciaron una competición entre dos mecanismos: los mecanismos cinético y gravitatorio.