2021 Fiscal Year Research-status Report
Dissipative structure in granular segregation: cross-talk between rheology and interface dynamics
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19K14614
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
江端 宏之 九州大学, 理学研究院, 助教 (90723213)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 粉粒体 / パターン形成 / 相分離 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
粉粒体は熱揺らぎの影響を受けない程度の大きさを持つ粒子の集合であり、散逸的な相互作用をする。異なる大きさを持つ二種類の粉粒体の混合物に対し、振動や流動などの機械的刺激によりエネルギーを加えると、異なる粒子ごとに分離をし、動的構造形成が起こりうる。しかし、粉粒体の動的構造形成の一般的なメカニズム、現象を支配するパラメーターは共に分かっていない。本研究では水平加振実験系を用い、粉粒体の相分離による構造形成のメカニズムの解明を目指している。これまでの研究により、水平加振系では2種類の粉粒体の流動性の違いが構造形成に重要であることが分かってきている。実験では、粒径の大きいガラスビーズと粒径の小さいガラスフリットを混合したものを使用している。ガラスビーズは流動性が大きく、流動にヒステリシスを持たない。ガラスフリットは流動性が低く、流動に大きなヒステリシスを持つ。二種類の大きさの異なるガラスフリットの組み合わせや、ガラスビーズとガラスフリットの粒径比を逆転した組み合わせ、球状粒子の組み合わせでは構造形成が起こらないことが分かった。したがって、粒径比と流動性の組み合わせが重要であることが分かる。そこで、深さ方向へ相分離をしている状況を考え、２種類の粉粒体の流動性の違いを考慮した現象論的なパターン形成のモデルを考案した。モデルでは流動層中のガラスフリットの量、流動層の流動状態の二つを変数と置いている。ガラスフリットの流動性のヒステリシスを非線形関数としてモデル化した結果、相分離の強さを表すパラメーターを変えることで、定常パターンから振動パターンを通して分裂パターンへと分岐する結果が得られ、実験結果を定性的に再現することが出来た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
２０１９年度はガラスビーズとガラスフリットの粒径の組み合わせ、加振周波数を変えながらバンドダイナミクスの相図を作成した。２０２０年度は高速度カメラを用いて分離界面形成が形成された状態での粉体層の流動の詳細な測定を行い、粉体層の流動とバンド形成のダイナミクスとの関係を調べた。その結果、ガラスビーズは流動状態にヒステリシスを持たず、ガラスフリットは強いヒステリシスを持つことが分かった。さらに、２種類の粒子を混合した場合、パターン形成に伴い、表面流動層の流動性が変わることが分かった。２０２１年度はこれらの実験結果を踏まえ、相分離パターンの現象論的モデルを作成した。モデルでは、深さ方向に相分離を起こしていることを仮定し、表面の強く流動しているガラスビーズ層の中のガラスフリットの体積分率と、表面流動層の流動性を変数と置いた。実験装置の容器の幅は小さいため、容器長軸方向のみのダイナミクスを考えた１次元モデルとしている。実験から、表面流動層中のガラスフリットが増えると流動が弱くなることが分かっているため、流動性はガラスフリットの体積分率に対し線形に減少するとした。また、流動性のヒステリシスを表すため、３次の非線形項を流動性の時間発展方程式に導入した。一方、深さ方向に相分離して下層にたまったガラスフリットは表面流動により徐々に巻き上げられる様子が見られている。そのため、ガラスフリットの体積分率の時間発展については、流動状態に対し線形に増加し、深さ方向の相分離によって自然減少すると仮定した。モデルを計算した結果、相分離の強さに相当するパラメーターを変化させることで、実験で見られたパターン分岐が現れることが分かった。これは、粒子層のレオロジーと深さ方向への相分離の強さがバンド形成に大きな役割を果たしていることを示している。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの実験とモデルの数値計算から２種類の粉粒体の内、粒径の小さい粒子が流動性に強いヒステリシスを持つことが、水平加振系での構造形成に重要であることが分かってきている。昨年度までは、流動性のせん断速度依存性の評価方法として、加振周波数を変えながら粉体層を水平加振した時の粉体層表面波の振幅を用いていた。一方、これまでの研究で垂直加振機と粘度計を組み合わせた、流動化した粉体層の粘度測定装置を構築している。これまでの実験では単一のせん断速度における粉体層の粘性を測定していた。そこで、次はせん断速度を徐々に変えながら粘度測定を行い、粘性のヒステリシスの大きさについて測定を行う。まずは、粘性のヒステリシスの大きさが水平加振時の流動性のヒステリシスの大きさと定性的に合致するかを検証する。次に、粘性のヒステリシスの測定結果から、ヒステリシスの大きさの異なる粒子の様々な組み合わせについて、構造形成の有無を検証する。また、モデルの解析から深さ方向への相分離の強さも構造形成の分岐に重要であることが示唆されている。回転ドラムなどにおける粉粒体の相分離現象では相分離の強さが粒径差に依存することが報告されているため、２種類の粉粒体の流動性のヒステリシス大きさの差と粒径差から、構造形成の相図が説明できるかを検証する。また、回転ドラムにおいて、水平加振系に現れるバンドパターンと同様の構造形成が起こることが知られている。そこで、水平加振系で得られた知見から回転ドラムにおけるバンド形成機構についても説明できるかを検証し、粉粒体の分離現象一般に本質的な物理量を明らかにすることを目指す。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症による蔓延防止法発令により、参加を予定していた学会・研究会が全てオンライン開催になったため、使用予定であった旅費を一切使うことが出来なかった。そこで、2022年度に日本物理学会やアクティブマター研究会などの学会・研究会への旅費として繰越金を使用する予定である。また、現在、水平加振による相分離現象の研究結果をまとめた論文を投稿準備中である。そこで、繰越金の一部を論文の英文校正や投稿費として使用することを予定している。
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