Embed Size (px)
Citation preview
Ruhewinkel Der Ruhewinkel entspricht dem kritischen Winkel, ab dem die Schubspannung (verursacht durch FSchub) im Granulat beim Kippen größer als die innere Reibung ist, so dass es zu Massenbewegung in Form von Lawinen kommt. Der Schüttwinkel eines Sandberges beispielsweise befindet sich in einem Intervall zwischen Ruhewinkel und einem maximalen Schüttwinkel, ab dem garantiert Massenbewegungen einsetzen.
Gedruckt im Rechenzentrum der Universität Leipzig.
Granulare Materie Segregation – Fluch und Segen
Sebastian Wirthgen, Wolfgang Oehme
Segregationsfaktoren
Ansprechpartner: [email protected]
Fakultät für Physik und Geowissenschaften
Lawinen als kinetisches Sieb Innerhalb von Granulatlawinen kommt es zu Entmischungen. Hierbei fallen die kleineren Partikel durch Lücken und sammeln sich im unteren Teil der Lawine. Große Partikel schwimmen auf der Lawine und werden nach vorn getrieben. Solange die Lawine in Bewegung ist, wirkt diese wie ein Sieb. Kommt sie an einem Hindernis zum Stehen, setzt sich dieser Stillstand schlagartig in einer Stoßwelle den Hang hinauf fort und bringt die Lawinen an Ort und Stelle zum Erliegen.
Strukturen von Segregationserscheinungen
Dynamischer Schüttwinkel
Streifenbildung
Literatur /1/ Gray, J. M. N. T. & Hutter, K. (1998). Physik granularer Lawinen. Phys. Bl. 54 (1), S. 37 - 43. /2/ Finger T, Voigt A, Stadler J, Niessen HG, Naji L, Stannarius R., Phys. Rev. E 74, 031312 (2006) /3/ Hill, K. M. & Kakalios, J., Phys. Rev. E 49, R3610 (1994) /4/ Nordmeier, V. & Schlichting, J. H. (1997). Ein Sandhaufen mit Erinnerung. Physik in der Schule. 5/35
Aufteilung der Gewichtskraft im geneigten Granulat
Ruhewinkel der Granulate
Das Größenverhältnis von kleinen zu großen Teilchen sollte für eine gute Entmischung etwa 1:3 betragen. Weiterhin ist die Rauigkeit der jeweiligen Oberflächen gegenüber der anderen Teilchensorte für den Ruhewinkel von großer Bedeutung. Streifen bilden sich nur, wenn sich die Winkel wie folgt unterscheiden:
Streifenbildung und Größensegregation am Feuerrad; rechts nach 0, 2 und 2000 Umdrehungen
Streifenbildung volumengleichen binären Gemischs
Das Feuerrad
Axiale Segregation in langen Röhren
Radiale Segregation tritt bereits nach nur einer Umdrehung des Feuerrades auf. Das binäre Gemisch im inneren Kreis wird nicht von den Lawinen erfasst und bleibt in Ruhe.
Bei einer getrennten Füllung kommt es zunächst im Außenbereich zu einer Mischung. Über längere Zeit werden alle großen Partikel aus dem inneren Kreis herausgedrängt. Minimale Kornbewegungen und Lückenfüllungen durch kleine Partikel sind die Ursache.
Axiale Segregation von braunem Zucker und Quarzsand nach 2 und 8 min
Unterschiede in den dynamischen Schüttwinkeln führen in langen rotierenden Röhren zu axialer Segregation. Es kommt zur Initialisierung einer Driftbewegung entgegen der Diffusionsbewegung. Über längere Zeit hin vergröbern sich die gebildeten Segregationsstreifen.
Bei bestimmten, meist niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten findet keine axiale Segregation statt, das Granulat bleibt homogen.
Segregationsentwicklung bei langen Rotationszeiten [2]
Schema von Rolllawine und Stoßwelle [1]
Bestimmung des dynamischen Schüttwinkels
Unterschiedliche dynamische Schüttwinkel verstärken die axiale Segregation
Der dynamische Schüttwinkel ist gegenüber dem statischen Schütt-winkel zusätzlich von der Rotations-geschwindigkeit abhängig und ur-sächlich für die axiale Segregation mitverantwortlich. Er beeinflusst die Driftbewegung der Teilchen, welche der natürlichen Diffusion entgegen-gesetzt ist. Dynamischer Schüttwinkels
und Entmischung [3]
