Investigating the Brazil Nut Effect in non-spherical particles systems

The Brazil Nut Effect (BNE) is a granular segregation phenomenon in which larger particles in a vibrated system tend to rise, seemingly defying gravitational forcing. While extensively studied using spherical particles, real-world granular materials exhibit irregular shapes, making their behavior significantly more complex. This study investigates the BNE in systems composed of non-spherical particles, specifically icosahedral grains, using Project Chrono, an open-source multi-physics simulation engine. A cylindrical container subjected to vertical sinusoidal excitation is used to analyze the interplay between particle shape, gravity, and shaking intensity. The results reveal that the BNE is generally more pronounced in the non-spherical case compared to the spherical one. Surprisingly, the intruder in the non-spherical system reaches greater heights and does so more efficiently across all tested gravity levels, contrary to expectations based on interlocking and jamming effects. Additionally, as gravity decreases, the time required to achieve complete BNE does not increase, at least for specific forcing parameters, as in general predicted by traditional spherical models, but instead follows an exponential decrease, suggesting a distinct dynamical response of non-spherical grains. The whale effect, where the intruder temporarily segregates near the container walls before rising again, was also observed, confirming the fundamental role of convective flows in the system. However, the influence of forcing parameters was found to be highly non-trivial: while a balanced amplitude-frequency pair enhances BNE at lower gravity levels, extreme values such as high amplitude-low frequency or vice versa lead to opposite trends, indicating that the efficiency of segregation is strongly dependent on the interplay between forcing and granular convection. These findings challenge conventional assumptions regarding granular segregation and provide new insights into the behavior of complex particle systems under varying gravitational conditions. They highlight the need for further investigations into the role of particle geometry, oscillation types, and excitation conditions in determining segregation efficiency.

Il Brazil Nut Effect (BNE) è un fenomeno di segregazione granulare in cui le particelle più grandi in un sistema vibrante tendono a salire, sfidando apparentemente la forza gravitazionale. Sebbene sia stato ampiamente studiato utilizzando particelle sferiche, i materiali granulari nel mondo reale presentano forme irregolari, rendendo il loro comportamento significativamente più complesso. Questo studio analizza il BNE in sistemi composti da particelle non sferiche, in particolare grani icosaedrici, utilizzando Project Chrono, un motore di simulazione multifisica open-source. Un contenitore cilindrico sottoposto a un’oscillazione verticale sinusoidale viene utilizzato per analizzare l’interazione tra la forma delle particelle, la gravità e l’intensità dell’oscillazione. I risultati rivelano che il BNE è generalmente più intenso nel caso non sferico rispetto a quello sferico: l’intruso nel sistema non sferico raggiunge altezze maggiori e lo fa in modo più efficiente a tutti i livelli di gravità, nonostante i possibili effetti di incastro e jamming dati dalla geometria. Inoltre, al diminuire della gravità, il tempo necessario per raggiungere il BNE completo non aumenta, almeno per specifici parametri della forzante, come generalmente previsto dai modelli sferici tradizionali, ma segue invece una diminuzione esponenziale suggerendo una risposta dinamica distinta dei grani non sferici. È stato osservato anche il cosiddetto whale effect, in cui l’intruso si segrega temporaneamente vicino alle pareti del contenitore prima di risalire, confermando il ruolo fondamentale dei flussi convettivi nel sistema. Mentre una coppia bilanciata di ampiezza-frequenza aumenta il BNE a livelli di gravità inferiori, valori estremi come alta ampiezza-bassa frequenza o viceversa portano a tendenze opposte, indicando che l’efficienza della segregazione dipende fortemente dall’interazione tra forzante e convezione granulare. Questi risultati mettono in discussione le ipotesi convenzionali sulla segregazione granulare e forniscono nuovi spunti di riflessione sul comportamento di sistemi di particelle complesse in condizioni gravitazionali variabili, evidenziano la necessità di ulteriori indagini sul ruolo della geometria delle particelle, dei tipi di oscillazione e delle condizioni di eccitazione nel determinare l’efficienza della segregazione.