Při míchání zrnité hmoty, řádu mezi poruchami

Exposing Digital Photography by Dan Armendariz (Smět 2019).

Anonim

Míchání kapalin je snadné nebo alespoň vědecky pochopitelné: kapka potravinářského zbarvení se nakonec promíchá do šálku vody difúzí a smetana smetany může být smíšena do kávy s lžící přes to, co se nazývá turbulentní míchání.

Ale co když má materiál vlastnosti jak kapalin, tak tuhých látek, což je případ materiálů jako beton, barva a písek? Tyto materiály nazývané zátěžovými stresy mohou proudit jak kapaliny, tak i jako pevné látky.

Porozumění tomu, jak se tyto materiály mísí, má důsledky v průmyslových odvětvích, jako jsou léčiva a výroba betonu, ale je málo známo, jak je nejlépe promíchat.

V novém článku v Nature Communications profesoři z Northwestern Engineering zjistili, že míchací materiál s výtlačným stresem vytváří smíšené i nemísené oblasti a poskytuje základní základ pro pochopení toho, jak nejlépe navrhnout směšovací protokoly. Julio M. Ottino, Paul Umbanhowar a Richard Lueptow sloužili jako spoluautoři.

"Teoretické základy toku granulované hmoty jsou stále velmi neúplné, " uvedl profesor chemického a biologického inženýrství Ottino Walter P. Murphy. "Našli jsme si pozoruhodnou přetrvávající pořádek mezi chaosem."

Bylo to otázkou, do jaké míry by mohly být granulované materiály smíchány v základním systému: kulovitý pohár. Bude se materiál míchat jako pevná látka, pomocí metody "řezání a míchání" podobného balíčku karet? Nebo by se míchal jako viskózní tekutina, jako med, přes "roztahovací a skládací" vzor?

Chcete-li otestovat tuto myšlenku, vědci polovitivně naplnili kulovou bubnu s skleněnými korálky o velikosti 2 milimetry. Když se otočila, horní vrstva perliček tekla jako tekutina dolů ke spodní části koule, zatímco ostatní perličky zůstaly na místě, jako pevná látka.

Ale vědci smíchali korálky otáčením bubnu podél různých os. Aby bylo možné sledovat, jak dobře byly korálky smíchány, vložily do nich 4 mm stopovací částice a pak se střídaly, někdy až 500 krát, a zachycovaly rentgenové snímky koule, aby zjistily, kam se stopovací částice skončily.

Navzdory tomu, že zkoušejí několik různých rotačních protokolů, vědci zjistili, že tam jsou nevyhnutelně regiony, které se mísily a regiony, které se nemíchaly. Toto bylo výsledkem souhry mezi dvěma směšovacími metodami, řezání a míchání a roztahování a skládání.

"I když se materiál často pohybuje v klínech v tomto řezání a míchání, všechny tyto klíny se pohybují kolem sebe, " řekl Umbanhowar, profesor výzkumu strojírenství. "Existují regiony, které se nikdy nemíchají."

Porozumění této koncepci může vést k poznatkům na zajímavých a nečekaných místech, jako je španělská vánoční loterie, kde se v jedné sféře skládají 100 000 malých dřevěných míčků s jedinečným číslem lístku, zatímco v jiné je padlo 1 807 míčů označených cenami. Během výkresu se z každé koule vytáhne jedna míčová cena a jedno odpovídající číslo lístku, dokud není prázdná kulička s míčem. Pokud však pohánek obsahuje oblasti, které jsou smíšené a regiony, které nejsou, počáteční umístění míče v bubnu se stává přehnaným faktorem v tom, zda bude vybrán.

"Existuje očekávání náhodnosti, ale naše výsledky ukazují, že tomu tak není, " řekl Ottino.

Vědci doufají, že provedou budoucí studie, aby ukázaly, jak mohou být tyto informace použity v různých materiálech.

"Toto nám dává zcela nový nástroj, abychom pochopili, co se mísí a co se nemíchá, " řekl Umbanhowar. "Tyto výsledky mohou být nakonec použity jako návrhový nástroj."

menu
menu