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Apr 02, 2023

길쭉한 입자를 첨가하여 미세한 과립의 선형 흐름을 향상시킵니다.

과학 보고서 5권,

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 16071(2015) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

모래시계는 일정한 흐름 속도로 인해 수천 년 동안 시간을 ​​기록하는 데 사용되었습니다. 그러나 이제는 상당한 과학적 중요성과 광범위한 산업적 응용으로 주목을 받고 있습니다. 이원 과립 시스템에 길쭉한 입자가 존재하면 그 모양이 흐름에 대한 더 큰 저항을 의미하기 때문에 바람직하지 않은 흐름이 발생하는 것으로 믿어집니다. 그러나 우리의 실험은 길쭉한 입자를 추가하면 미세 과립의 흐름 변동을 실질적으로 줄이고 모래시계에서와 유사한 안정적인 선형 흐름을 생성할 수 있음을 보여줍니다. 실험 데이터와 유동 역학에 대한 이전 보고서를 바탕으로 우리는 선형 유동이 유동 방향, 응집 감소 및 국부적 섭동을 포함한 "바늘 입자 효과"에 의해 구동된다는 것을 관찰했습니다. 이 현상은 미세 과립 및 2차 길쭉한 입자를 포함한 여러 이원 과립 시스템에서 관찰되며, 이는 우리의 간단한 방법이 산업계에서 과립 흐름의 정확한 측정에 널리 적용될 수 있음을 보여줍니다.

모래시계는 모래의 지속적인 흐름에 의존하는 시간 측정 도구입니다1. 이러한 장치는 수천 년 동안 조사되어 세분화된 흐름 거동의 근본적인 과학적 문제에 대한 구체적인 통찰력을 얻을 수 있는 편리한 시스템을 제공합니다. "모래알에서 세계를 본다…"2라는 시에 따르면, 입상 물질은 다양한 과정에서 중요하며 많은 독특한 고유 현상을 나타냅니다3,4,5,6. 지난 2세기 동안 세분화된 연구 과정에서 고전적인 현상7,8과 전형적인 실험 작업9,10은 주로 직경이 수백 마이크로미터보다 큰 거칠고 응집력이 없는 입자와 관련이 있었습니다. 그러나 증가하는 증거11는 우리 삶의 거의 모든 측면에서 미세한 과립을 광범위하게 적용하는 데 더 많은 관심을 기울여야 함을 나타냅니다. 예를 들어, 모래시계와 같은 미세한 입상 선형 흐름은 식품 생산, 화학 공학 및 제약 제조에 사용되어 결과 제품의 품질을 직접 제어합니다.

그럼에도 불구하고, 세분화된 흐름은 여전히 ​​복잡한 과학적 문제로 남아 있습니다. 해결되지 않은 수많은 흐름 메커니즘에는 광범위한 조사가 필요합니다. 모래시계에서 보고된 진동 현상은 실험과 수치 시뮬레이션을 통해 확인되었으며15,16 공기-고체 상호작용과 자발적인 모래 조직에 기인합니다. 다공성, 배위수, 속도 크기 및 응력과 같은 유동 매개변수와 관련된 유동 변동은 2D 이산 모델을 사용하여 정량적으로 연구되었으며 모래시계의 세 가지 영역은 간질액이 과립형 배출에 미치는 영향에 관한 조사를 통해 얻어졌습니다. Vivanco et al.19는 속도 변동이 아치와 강한 힘 사슬의 간헐적인 네트워크에 기인한다고 설명했습니다. 강한 입자 간 힘은 자연스럽게 실 같은 힘 체인의 불균일한 분포를 형성합니다. 또한 일련의 입자를 따라 전파되는 힘 체인은 특정 압력에 저항하고 견고한 움직임을 방지할 수 있는 아치를 형성할 가능성이 높습니다. 입상 시스템의 재밍 전이와 관련하여 Majmudar24와 Valverde25는 응력과 부피 비율 사이의 거듭제곱 거동을 관찰했으며 출구 직경과 입자 크기 사이의 비율이 증가함에 따라 입상 재밍 확률이 감소한다고 보고했습니다.

폭기 및 진동27은 미세한 입상 흐름을 개선하는 것으로 입증되었습니다. 일반적인 믿음은 바늘 모양이 높은 이동성 저항 계수를 나타내기 때문에 이성분 과립 혼합물에 바늘 모양 입자가 존재하면 유동성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다고 제안합니다. 이 편지에서 우리는 미세한 분말에 바늘 모양의 입자를 추가하면 모래시계와 유사한 선형 흐름이 발생한다고 보고합니다. 우리는 또한 전환 메커니즘을 체계적으로 설명합니다. 이러한 직관에 반하는 결과는 우리에게 이 분야에서 선구적인 작업을 수행할 수 있는 기회를 제공합니다.