Experimental Study of turbulent-like transitions in quasi-static flow of granular media : velocity field analysis from particle tracking with the 1gamma 2epsilon apparatus

This work has the goal of testing experimentally the results on DEM simulations of F.Radjai & S. Roux, revealing similarities between the kinematic scaling properties of fluid turbulence and the ones of a 2D granular system, submitted to an homogeneous quasi static shearing test. Such time and space scaling features, ignored up to now, might need to be considered into the microscopic description of the kinematic behaviour of the grains. This could potentially affect also the macroscopic behaviour description in a micro-macro upscaling framework. Such similarities might lead to unsuspected links in the two, theoretically very different, physics involved. This would lead to a new insight in both the fields and would enable the use of the powerful tools of fluid turbulence framework in the field of quasi static granular flow. To perform the mirror experiment two simple shear tests have been executed with the 1γ2ε machine filled with wood and PVC Schneebeli rods. The kinematics of the particles has been followed through a digital image correlation process portrayed on pictures taken along the tests by a 24 Megapixel camera. The mass centres of the rods has been tracked instead of the usual points on a regular grid, in order to accomplish the requests of the analysis we want to reproduce. Such approach has revealed to offer a wide range of new possibilities going from quantitative quality tests of the DIC predictions to automated contact orientation analysis of the grains. The gain in the insight of the kinematic behaviour has been remarkable. The possibility of quality test has lead to an investigation about the effects of the DIC parameter set as well as the feasibility of different approaches to the problem. Despite the lower time resolution we can obtain experimentally, the DIC computation intrinsic limits, and the differences on the boundary conditions the results of Radjai & Roux [1] are substantially confirmed but for some minor and theoretically more reasonable differences. This confirms the physical veracity of the revealed phenomena, opening a new interesting branch for further studies. A statistical relevance in the relations between the strain localizations and the velocity fluctuations, not studied by the author, has furthermore been revealed. The kinetic energy of the granular assembly along the tests has then been studied, revealing a behavior that can be related to the one of loose sands.

Il presente lavoro ha lo scopo di verificare sperimentalmente il risultato ottenuto attraverso le simulazione numeriche svolte tramite un modello a elementi discreti (DEM) da F.Radjai & S. Roux. In tale lavoro sono evidenziate similitudini tra le propieta di scala della turbolenza nei fluidi e quelle di un sistema granulare bidimensionale sottoposto a un test di puro taglio in condizioni quasi statiche. Potrebbe rivelarsi necessario inserire tali proprieta di scala, ignorate finora, nella descrizione alla microscala del comportamento cinematico di dei mezzi granulari. Queste proprieta potrebbero potenzialmente influenzare anche la descrizione macroscopica del comportamento, nell’ottica di un approccio di omogeneizzazione dalla scala granulare a quella macroscopica. Tali similitudini potrebbero aprire inoltre la strada a nuove e insospettate similitudini tra le due, in teoria profondamente differenti, fisiche coinvolte. Questo potrebbe portare inoltre a una piu’ profonda comprensione di entrambi i campi di studio e permettere l’applicazione dei notevoli strumenti sviluppati nel campo della turbolenza nei fluidi a quello della meccanica dei solidi granulari in condizioni di quasi staticita. Al fine di eseguire la controparte sperimentale delle similazioni DEM sono state eseguite due prove di puro taglio con l’apparato 1γ2ε riempito con materiale Schneebeli in legno e PVC. La cinematica dei grani e’ stata seguita attraverso un processo di correlazione digitale di immagini (DIC) eseguito su fotografie eseguite lungo il processo da una fotocamera digitale da 24 Megapixel. Sono stati monitorati i centri di massa dei cilindri invece di punti su una maglia regolare come normalmente avviene a causa delle specifiche necessita delle analisi eseguite. Tale approccio si e’ inoltre rivelato in grado offrire un’ampia gamma di nuove possibilita che vanno dal controllo quantitativo della qualita della correlazione digitale di immagini all’analisi automatizzata dei contatti tra i grani. Il guadagno inoltre in termini di capacita di descrizione dei fenomeni si rivelato notevole. La possibilita di eseguire controlli di qualita sulla correlazione digitale di immagini ha portato a un’indagine sugli effetti dei parametri della correlazione digitale di immagini a ad una valutazione di fattibilita di differenti approcci al problema. A dispetto della minore capcita di risoluzione temporale ottenibile sperimentalmente, gli intrinisechi limiti della DIC e le differenze nelle condizioni al bordo, i risultati di Radjai & Roux [1] sono sostanzilmente riscontrabili anche sperimentalmente, salvo per alcune minori e in teoria pi ragionevoli differenze. Questo conferma la veridicita fisica del fenomeno osservato, aprendo ioltre nuovi interessanti sviluppi per ulteriori studi. Una rilevanza statistica tra i fenomeni di strain localisation osservati e le fluttuazioni del campo di velcita, non rivelate dagli autori della simulazione numerica, e’ inoltre stata osservata. Un ulteriore studio dell’energia cinetica del provino durante il test stato svolto, rivelando fenomeni di instabilita locale che possono essere correlati a quelli delle sabbie sciolte.