Design and development of an axisymmetric drop experiment of a dry granular collapse
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Título: Design and development of an axisymmetric drop experiment of a dry granular collapse
Autor: García Villena, Francisco
Resumen:
[ES] Desde flujos piroclásticos, deslizamientos de tierra y avalanchas hasta aplicaciones en la industria farmacéutica, alimentaria o de la construcción, el estudio de flujos granulares nos permite una mayor comprensión del comportamiento de elementos como el suelo, la nieve, el hormigón y otros materiales en grano o en polvo, pudiéndose en diferentes circunstancias comportarse como sólidos, líquidos o gases. En este contexto, la mayoría de los experimentos realizados en este campo son experimentos con configuraciones de apertura de puertas de una presa en 2D o experimentos de levantamiento del molde en configuración axisimétrica en 3D. En el primer caso, las partículas están confinadas entre dos placas paralelas y la barrera se levanta creando un evento de dispersión en 2D. En el segundo caso, las partículas colapsan en una geometría tridimensional al levantar el elemento que las confina, generalmente un cilindro. Se ha realizado en estos experimentos análisis matemático para establecer fórmulas adimensionales que relacionan cómo las condiciones iniciales afectan la disposición final. Asimismo, una de las limitaciones observadas en la literatura es la capacidad de mantener constante las condiciones iniciales al colapsar columnas de alta relación de aspecto en configuración axisimétrica. En los casos de levantamiento del molde, las partículas en el centro caen debido a la gravedad mientras que las partículas en contacto con la pared son arrastradas hacia arriba, por otro lado, en otras configuraciones de caída la apertura inicial se realiza deslizando la superficie que cubre la parte inferior trasfiriendo componente perpendicular inicial capa inferior de partículas. En este proyecto, se ha diseñado y desarrollado un nuevo experimento axisimétrico en 3D utilizando una configuración de caída y teniendo el mecanismo de liberación en forma de compuerta. Este informe proporciona una prueba de concepto para la configuración de caída en colapsos granulares y describimos las posibilidades de escalar el estudio de colapsos de alta relación de aspecto (>10) bajo condiciones iniciales controladas y repetibles. Se presenta los resultados iniciales obtenidos en el experimento de caída para registrar la dinámica de la pila con una cámara de alta velocidad y un escáner láser, y posteriormente se analiza la disposición final de la pila mediante procesamiento de imágenes. Por lo que el objetivo establecido a largo plazo es avanzar y obtener una mejor comprensión de los colapsos granulares de alta relación de aspecto y cómo los factores iniciales, la rugosidad del terreno, el diámetro de las partículas, la altura de caída, así como las condiciones iniciales afectan a la disposición final.
[EN] From pyroclastic flows, landslides and avalanches to applications in the pharmaceutical, food or construction industry, the study of granular flows allows us to better understand the behavior of elements such as soil, snow, concrete and other powdered and granular materials, where in different circumstances can behave as a solid, liquid or gas. In this context, most of the experiments performed in this field are either 2D dam-break experiments or 3D axisymmetric lifting experiments. In the former case, particles are confined between two parallel plates and the barrier is lifted creating a 2D slumping event. In the latter case, particles collapse in a cylindrical geometry when the confining boundary, usually a cylinder, is pulled upwards. Mathematical modelling using dimensionless formulas has been performed to relate how the initial conditions affect the final configuration and dynamics of the final granular pile. One of the limitations noted in literature is the ability to maintain the initial conditions when high aspect ratio columns collapse in an axisymmetric configuration. In the experiments where the container was lifted, particles in the center fall due to gravity while particles at the wall are dragged up. In dropping experiments, the release mechanism was a sliding gate, giving the bottom layer some perpendicular velocity. In this project, we designed and developed a novel 3D axisymmetric experiment using a drop configuration with a gate release mechanism. This report provides a proof of concept for the drop configuration for granular collapses and outline the possibilities to scale this up to high aspect ratio collapses (>10) under controlled and repeatable initial conditions. We also present initial results acquired from our drop experiment to record the dynamics of the pile with a slow-motion camera and a laser scanner and subsequently analyze the final layout of the pile with image processing. Our long-term aim is to advance and gain a better understanding of high aspect ratio granular collapses and how the initial factors affect the final configuration of the pile.
[ES] Desde flujos piroclásticos, deslizamientos de tierra y avalanchas hasta aplicaciones en la industria farmacéutica, alimentaria o de la construcción, el estudio de flujos granulares nos permite una mayor comprensión del comportamiento de elementos como el suelo, la nieve, el hormigón y otros materiales en grano o en polvo, pudiéndose en diferentes circunstancias comportarse como sólidos, líquidos o gases. En este contexto, la mayoría de los experimentos realizados en este campo son experimentos con configuraciones de apertura de puertas de una presa en 2D o experimentos de levantamiento del molde en configuración axisimétrica en 3D. En el primer caso, las partículas están confinadas entre dos placas paralelas y la barrera se levanta creando un evento de dispersión en 2D. En el segundo caso, las partículas colapsan en una geometría tridimensional al levantar el elemento que las confina, generalmente un cilindro. Se ha realizado en estos experimentos análisis matemático para establecer fórmulas adimensionales que relacionan cómo las condiciones iniciales afectan la disposición final. Asimismo, una de las limitaciones observadas en la literatura es la capacidad de mantener constante las condiciones iniciales al colapsar columnas de alta relación de aspecto en configuración axisimétrica. En los casos de levantamiento del molde, las partículas en el centro caen debido a la gravedad mientras que las partículas en contacto con la pared son arrastradas hacia arriba, por otro lado, en otras configuraciones de caída la apertura inicial se realiza deslizando la superficie que cubre la parte inferior trasfiriendo componente perpendicular inicial capa inferior de partículas. En este proyecto, se ha diseñado y desarrollado un nuevo experimento axisimétrico en 3D utilizando una configuración de caída y teniendo el mecanismo de liberación en forma de compuerta. Este informe proporciona una prueba de concepto para la configuración de caída en colapsos granulares y describimos las posibilidades de escalar el estudio de colapsos de alta relación de aspecto (>10) bajo condiciones iniciales controladas y repetibles. Se presenta los resultados iniciales obtenidos en el experimento de caída para registrar la dinámica de la pila con una cámara de alta velocidad y un escáner láser, y posteriormente se analiza la disposición final de la pila mediante procesamiento de imágenes. Por lo que el objetivo establecido a largo plazo es avanzar y obtener una mejor comprensión de los colapsos granulares de alta relación de aspecto y cómo los factores iniciales, la rugosidad del terreno, el diámetro de las partículas, la altura de caída, así como las condiciones iniciales afectan a la disposición final.
[EN] From pyroclastic flows, landslides and avalanches to applications in the pharmaceutical, food or construction industry, the study of granular flows allows us to better understand the behavior of elements such as soil, snow, concrete and other powdered and granular materials, where in different circumstances can behave as a solid, liquid or gas. In this context, most of the experiments performed in this field are either 2D dam-break experiments or 3D axisymmetric lifting experiments. In the former case, particles are confined between two parallel plates and the barrier is lifted creating a 2D slumping event. In the latter case, particles collapse in a cylindrical geometry when the confining boundary, usually a cylinder, is pulled upwards. Mathematical modelling using dimensionless formulas has been performed to relate how the initial conditions affect the final configuration and dynamics of the final granular pile. One of the limitations noted in literature is the ability to maintain the initial conditions when high aspect ratio columns collapse in an axisymmetric configuration. In the experiments where the container was lifted, particles in the center fall due to gravity while particles at the wall are dragged up. In dropping experiments, the release mechanism was a sliding gate, giving the bottom layer some perpendicular velocity. In this project, we designed and developed a novel 3D axisymmetric experiment using a drop configuration with a gate release mechanism. This report provides a proof of concept for the drop configuration for granular collapses and outline the possibilities to scale this up to high aspect ratio collapses (>10) under controlled and repeatable initial conditions. We also present initial results acquired from our drop experiment to record the dynamics of the pile with a slow-motion camera and a laser scanner and subsequently analyze the final layout of the pile with image processing. Our long-term aim is to advance and gain a better understanding of high aspect ratio granular collapses and how the initial factors affect the final configuration of the pile.
URI: http://hdl.handle.net/10251/212085
Fecha: 2024-11-21
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ETSII - Trabajos académicos [10404]
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
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