Depósitos y flujo de partículas con caras planas en un silo

Resumen

En esta memoria se presentan resultados experimentales del efecto que tiene la presencia de caras planas en las partículas que conforman un medio granular cuando se carga y descarga un silo bidimensional. Se estudia además como la morfología de estos sistemas se ve afectada por el modo en que se realizan los depósitos y la relación de aspecto de las partículas (definida como el cociente entre el lado m ́as largo y el m ́as corto de las mismas). En trabajos previos se mostro que en depósitos bidimensionales la relación de aspecto de las partículas con caras planas condiciona fuerte mente el estado final que alcanza el sistema. Así, las partículas muy alargadas tienden a alinearse horizontalmente, preferencia que se va atenuando a medida que la relación de aspecto disminuye. En el caso lımite de partículas cuadradas, simulaciones numéricas sugerían que la orientación m ́as probable es aquella en la que la diagonal de la partícula apunta en la dirección de la gravedad; es decir, los cuadrados tienden a ponerse de punta. En este trabajo se ha confirmado experimentalmente esta predicción. Para generar depósitos usando diferentes condiciones de llenado se ha optado por variar la fracción de empaquetamiento inicial (φ0) de la muestra a partir de la cual se realizan los depósitos. Para las partículas alargadas se encuentra que el efecto de φ0 es prácticamente inapreciable en cuanto a la orientación que adoptan las mismas. Sin embargo se puede observar que el incremento de φ0 da lugar a la aparición de defectos (huecos) en la estructura disminuyendo el empaquetamiento. Para las partículas cuadradas la realidad es notablemente diferente ya que la morfología de los depósitos muestra una dependencia importante con la fracción de empaquetamiento inicial. As ́ı, un valor bajo de φ0 propicia una tendencia muy marcada hacia orientaciones verticales que se va perdiendo a medida que φ0 aumenta. Además, el empaquetamiento final del depósito muestra una dependencia no monótona con φ0.Si φ0 es bajo, cuando aumenta se genera desorden y el empaquetamiento final decrece. Pero si φ0 es lo suficientemente alto esta tendencia se invierte obteniéndose un aumento de la fracción de empaquetamiento final con φ0. El origen de este fenómeno se explica –a la luz de resultados previos en sistemas granulares parecidos– basándonos en que los medios granulares tienen ‘memoria’(dependen de la historia). En cuanto al proceso de descarga, se ha observado que los esfuerzos de corte que se generan en el interior del silo dan lugar a alineamientos de las partículas en la dirección de dichos esfuerzos. Este alineamiento, que parece facilitar el flujo, se da independientemente de la relación de aspecto de las partículas aunque es mucho m ́as marcado para partículas cuadradas. En este caso, se observa el desarrollo de estructuras columnares a ambos lados del orificio de salida que resultan ser muy estables dando lugar a un fenómeno llamado ‘ratholing’. Es de destacar que hasta ahora, este fenómeno solo se había observado en sistemas de partículas cohesivas. Finalmente se explora el efecto de la geometría de las paredes en los sistemas de partículas cuadradas. Para eso, se comparan los resultados primitivos utilizando paredes planas con otros donde se emplean paredes en forma de diente de sierra triangular. Durante la carga las paredes en forma de diente de sierra dan lugar a depósitos donde aumenta el número de partículas que están alineadas perfectamente de punta. Sin embargo, parece que la estructura generada es más rígida que la obtenida con paredes planas propiciando que también aumente el número de defectos donde las partículas se orientan horizontalmente. En el proceso de descarga las paredes con forma de diente de sierra triangular previenen la formación de estructuras columnares. Sin embargo se observa que la orientación mas probable en ciertas zonas del silo es la horizontal, efecto que es atribuido –de nuevo– a los esfuerzos de corte.