Estabilidad y dinámica en materiales granulares : comportamiento aislado y colectivo de granos

• Autores: Aguirre, María Alejandra
• Año de publicación: 2001
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Calvo, Adriana Leila; Ippolito, Irene Paula
• Materia: MEDIOS GRANULARES; FLUJO GRANULAR; AVALANCHA; GRANULAR MEDIA; GRANULAR FLOW; AVALANCHE
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Se estudia el comportamiento de un flujo de granos sobre la pendiente de unapilamiento. El trabajo se divide en dos partes: 1) Movimiento de una esfera sobre un lecho granular Se analiza el movimiento individual de un grano aislado sobre un lecho rugoso fijo. Dicha interacción se modeló experimentalmente a través del movimiento de una esferade diametro D sobre un lecho inclinado constituido por granos dc diametro medio (d < D). Según el valor del angulo de inclinación de la superficie respecto de lahorizontal, se pueden observar tres regímenes de movimiento diferentes: dcsacelerado.con velocidad constante y acelerado. Los resultados experimentales permitieron comprender en mayor detalle losmecanismos involucrados en la disipación de la energía que una esfera gana en sudescenso por un plano inclinado. Estos mecanismos permiten a su vez comprender elregimen dcsacelerado que se observa a ángulos de inclinación pequeños. En la región de velocidad constante donde la fuerza que actúa sobre la partícula esde tipo viscosa, se determinan mediante técnicas de sonido y video, la frecuencia dechoque de la esféra móvil con las bolitas de vidrio de la superficie a fin de comprenderla forma en que dicha esfera disipa energía por colisiones. Se observa como varía estafuente de disipación en función del ángulo de inclinación. 2) Estabilidad y dinámica en empaquetamientos granulares Se estudia el proceso de avalancha donde existe una interacción colectiva entre losgranos. Un empaquetamiento de esferas monodispersas colocadas en una caja cerradacon humedad controlada se inclina suavemente hasta que el sistema se desestabilizadando lugar a una avalancha. Dicho proceso se caracteriza mediante la masa desalojaday dos ángulos característicos:maximo angulo de estabilidad: es el que forma la superficie libre delempaquetamiento con la horizontal cuando el sistema se desestabiliza y comienza laavalancha. - ángulo de reposo: es el que forma la superficie libre del empaquetamiento con lahorizontal cuando la avalancha concluye. Se analizó la influencia de la cantidad de capas granulares (N), la humedad relativaambiente, la fracción de compactación inicial y el tamaño del empaquetamiento en lavariación de estos ángulos críticos y de la masa de la avalancha. Se encuentra que para empaquetamientos con un número dc capas mayor que uncierto valor crítico Nc,el proceso de avalanchas sólo afecta a las Nc,capas superficialesy tanto los ángulos críticos como la masa desplazada, son independientes de N. Finalmente se verifica la relación que para sistemas abiertos existe entre el angulode reposo y el denominado angqu neutro donde un flujo de granos (avalancha) noproduce erosión ni sedimentación sobre la superficie de un empaquetamiento granular.
The behavior of a flow of grains over the slope of a granular packing is studied. This work is presented in two parts: l) Motion of a sphere over a granular bed. Individual motion of an isolated grain over a granular bed is studied. Thisinteraction is experimentally modeled by means of the motion of a sphere of diameter Dover an inclined bed constituted of grains with mean diameter d < D. According to theslope of the granular surface, three different regimes are observed: decelerated, constantvelocity and accelerated motions. Experimental results lead to understand in detail the energy dissipationmechanisms involved when a sphere gains energy rolling down an inclined rough plane. This mechanisms also allow us to understand the decelerated motion that occurs at lowinclination angles. In the constant velocity regime where there is a viscous dissipative force actingover the sphere its collision frequency with the grains that constitute the bed isdetermined using acoustic and video techniques. This helps to understand the way inwhich the sphere dissipates energy by collisions. The variation of this dissipative sourcewith the inclination angle of the granular bed is studied. 2) Stability and dynamics in granular packings. The avalanche process where there is collective interaction between grains isstudied. A monodisperse glass sphere packing under controlled humidity is slowlyinclined until the system loose its stability and an avalanche takes place. This process ischaracterized by the avalanche mass and two characteristics angles: - Maximum angle of stability: the angle between the packing free surface and thehorizontal at which the system looses its stability and when the avalanche begins. - Angle of repose: the angle between the packing free surface and the horizontalwhen the avalanche ends. The influence of the number of granular layers (N), relative humidity, initialpacking fraction and packing size on the critical angles and the avalanche mass isanalyzed. It is found that for packing with more than a certain critical number of layers Nc.the avalanche process only involves the Nc superficial layers and both the critical anglesand the avalanche mass are independent on N. Finally, for open systems, the relation between the angle of repose and the neutralangle where a granular flow (avalanche) produces no erosion nor sedimentation over thegranular packing surface is verified.
Fil: Aguirre, María Alejandra. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.