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Dec 12, 2023

Melhorando o fluxo linear de grânulos finos através da adição de partículas alongadas

Relatórios Científicos volume 5,

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 16071 (2015) Citar este artigo

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Ampulhetas têm sido usadas para registrar o tempo por milhares de anos por causa de suas taxas de fluxo constantes; no entanto, eles agora estão chamando a atenção por sua importância científica substancial e extensas aplicações industriais. Acredita-se que a presença de partículas alongadas em um sistema granular binário resulte em fluxo indesejado, pois sua forma implica em maior resistência ao fluxo. No entanto, nossos experimentos demonstram que a adição de partículas alongadas pode reduzir substancialmente a flutuação do fluxo de grânulos finos e produzir um fluxo linear estável semelhante ao de uma ampulheta. Com base em dados experimentais e relatórios anteriores da dinâmica do fluxo, observamos que o fluxo linear é impulsionado pelo "efeito partícula agulha", incluindo orientação do fluxo, aglomeração reduzida e perturbação local. Este fenômeno é observado em vários sistemas granulares binários, incluindo grânulos finos e partículas alongadas secundárias, o que demonstra que nosso método simples pode ser amplamente aplicado para a medição precisa de fluxos granulares na indústria.

Uma ampulheta é um instrumento de cronometragem que depende do fluxo constante de areia1. Esses dispositivos foram investigados por milhares de anos, fornecendo um sistema conveniente para obter informações específicas sobre questões científicas fundamentais do comportamento do fluxo granular. Em consonância com o poema que afirma, "ver um mundo em um grão de areia..."2, os materiais granulares são importantes em vários processos e apresentam muitos fenômenos intrínsecos peculiares3,4,5,6. No processo de investigações granulares ao longo dos últimos dois séculos, os fenômenos clássicos7,8 e trabalhos experimentais típicos9,10 têm sido relacionados principalmente a partículas grosseiras e sem coesão cujos diâmetros são maiores que várias centenas de micrômetros. No entanto, evidências crescentes11 indicam que mais atenção deve ser dada à ampla aplicação de grânulos finos em quase todos os aspectos de nossas vidas. Por exemplo, fluxos lineares granulares finos, como o de uma ampulheta, são usados ​​na produção de alimentos, engenharia química e fabricação farmacêutica para controlar diretamente a qualidade do produto resultante.

No entanto, o fluxo granular continua sendo um problema científico complicado. Numerosos mecanismos de fluxo não resolvidos requerem extensa investigação12,13,14. Os fenômenos oscilatórios relatados na ampulheta de areia foram confirmados por experimentos e simulações numéricas15,16 e são atribuídos a interações ar-sólido e organização espontânea da areia. As flutuações de fluxo relacionadas a parâmetros de fluxo como porosidade, número de coordenação, magnitude de velocidade e tensão17 foram estudadas quantitativamente usando um modelo discreto 2D e três regimes na ampulheta18 foram obtidos a partir de investigações sobre o efeito de um fluido intersticial na descarga granular. Vivanco et al.19 atribuíram flutuações de velocidade a uma rede intermitente de arcos e fortes cadeias de força. Fortes forças interpartículas formam naturalmente uma distribuição não homogênea de cadeias de força semelhantes a fios20,21. Além disso, as cadeias de força que se propagam ao longo de uma cadeia de partículas provavelmente formam um arco que pode resistir a uma certa pressão e impedir o movimento sólido22,23. Com relação às transições de jamming de um sistema granular, Majmudar24 e Valverde25 observaram um comportamento de lei de potência entre a tensão e a fração de volume e relataram que a probabilidade de jamming granular diminui com o aumento da relação entre o diâmetro de saída e o tamanho da partícula26.

Foi demonstrado que a aeração e a vibração27 melhoram o fluxo granular fino. A crença comum sugere que a presença de partículas semelhantes a agulhas em uma mistura granular binária pode afetar negativamente a fluidez porque as formas semelhantes a agulhas exibem um alto fator de resistência à mobilidade. Nesta carta, relatamos que a adição de partículas em forma de agulha a um pó fino dá origem a um fluxo linear análogo ao de uma ampulheta; nós também elucidamos sistematicamente o mecanismo de transição. Esse resultado contra-intuitivo nos dá a oportunidade de realizar um trabalho pioneiro nessa área.