A conveyor belt experimental setup to study the internal dynamics of granular avalanches
01摘要
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本文展示了如何用传送带装置来研究静止颗粒流的动力学。为了可视化颗粒体内部的流动，特别是确定其组成和速度场，我们使用了折射率匹配(RIM)技术，结合颗粒跟踪测速和粗粒化算法。实施RIM带来了各种技术、设计和施工上的困难。为了测试实验设置并超越单纯的概念证明，我们进行了涉及单分散和双分散硼硅玻璃珠的颗粒流动实验。这些流动导致了具有不同区域的静止雪崩，其结构被分类为:(i)对流凸起的前缘，(ii)紧密分层的尾部，以及它们之间的(iii)破碎的尺寸分离波结构。我们发现，以张量不变量表示的体应变率在已识别的流动结构之间存在显著差异，其值支持观测到的雪崩特征。尽管测量到相当大的基础速度滑移，但插值后的流速场剖面调整得很好，符合Bagnold-like剖面。我们利用粒径偏析理论的最新发展计算了偏析通量。随着垂直速度的变化和膨胀速率的增大，雪崩前缘的偏析通量明显增大，表明流动流变与颗粒偏析之间存在联系。实验输送带的结果显示了流变学和分离耦合模型进一步理论发展的潜力。
02图表
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03结论
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利用特制的倾斜传送带，我们对颗粒状雪崩进行了实验研究。使用单分散或双分散介质进行的所有10个实验都显示出准均匀的稳定行为，其特征是倾斜水槽下坡端有对流锋，而水槽上坡端有颗粒分层尾。我们的实验结果揭示了典型的颗粒流的特征和结构，这已经在文献中描述过。这些特征包括钝锋(Denissen et al. 2019)，破碎的尺寸分离波(Thornton and Gray 2008;Gray and Ancey 2009;Johnson et al. 2012;van der Vaart et al. 2018)和结晶(Tsai and Gollub 2004)。
即使对于双分散介质，时间平均速度剖面也显示出与Bagnold流变学一致的h3 / 2标度，并与早期观察结果一致(Silbert et al. 2001;Mitarai and Nakanishi 2005)，以及_(I)流变学(Jop et al. 2006)。在这方面，u *剖面所表现出的一致行为表明存在依赖于d_和__的等效颗粒直径，如Eq.(15)所定义(Tripathi和Khakhar 2011)。这一发现促使人们计算出流动的惯性数I作为深度和浓度平均直径的函数。我们发现，大颗粒浓度越高，惯性数越大，但与流动平均I值的偏差越大。这些偏差是由于沿流动主方向的颗粒分布尖锐和分离造成的。
最后，这些速度剖面可以作为Gray和Ancey(2009)提出的尺寸分离和颗粒雪崩耦合模型的输入。我们用Trewhela等人(2021a)提出的表达式计算了隔离通量fsl，朝着这个方向又迈进了一步。我们发现雪崩前缘的fsl较高，大颗粒再循环和两个应变率张量不变量的高值进一步证实了这一点(Trewhela et al. 2021b)。
应该探索不同的速度和坡度条件，以识别与本文结果的异同。皮带的粗糙度和上辊产生的垂直边界的影响也可以解决，但消除它们对流动的影响目前是不切实际的，超出了本文的范围。我们认为，这方面的进一步工作不会改变目前试验的意义。尽管如此，这个实验传送带装置被证明是有用的可视化和颗粒流的内部动力学研究。
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