Granulare Materie: Wie die Struktur das Antwortverhalten fern des Gleichgewichts bestimmt

• Antragsteller: Dr. Wolf Till Kranz
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 335058789

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Fluidisierte granulare Medien sind weit verbreitet in der Natur und Industrie. Lawinen, Erdrutsche und der Transport landwirtschaftlicher Güter oder von Bausand sind Beispiele für Prozesse, die von einem detaillierten Verständnis granularer Flüsse profitieren würden. Trotz dieser Bedeutung fehlte eine umfassende granulare Rheologie bislang. In diesem Projekt habe ich den Granular Integration Trough Transients (GITT) Formalismus entwickelt und ihn durch gezielte Experimente in einem modernen kommerziellen Rheometer validiert. Kurz gesagt, die granulare Rheologie wird durch wenige Zeitskalen erfasst: (i) Newtonsches Verhalten wird beobachtet, wenn die Schergeschwindigkeit langsam ist im Vergleich zur strukturellen Relaxationsrate. Scherverdünnung, und die Ausbildung von Scherbändern in derTaylor-Couette Geometrie, für höhere Scherraten, bis die Schererwärmung über die Fluidisierung und dominiert und die Rheologie dem Bagnold-Verhalten folgt. Vielversprechende erste Ergebnisse für ein kompatibles Beschreibung des Jammingübergangs und für die Verwendung im Kontinuums-Simulationen ebnen den Weg für zukünftige Arbeiten. Zusammenfassend ist es in der Tat die Struktur in Form der strukturellen Entspannungsrate, die weitgehend die granulare Rheologie bestimmt. Auf einer detaillierteren Ebene kann GITT auch das empirische µ(I)-Gesetz erklären das im Bagnold-Regime gilt und Vorhersagen für schwierig zu messende Größen wie z.B. die granulare Temperatur treffen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Kinetic theory for strong uniform shear flow of granular media at high density. EPJ Web of Conferences, 140, 03064.
  Kranz, W. Till & Sperl, Matthias
  
• Rheology of Inelastic Hard Spheres at Finite Density and Shear Rate. Physical Review Letters, 121(14).
  Kranz, W. Till; Frahsa, Fabian; Zippelius, Annette; Fuchs, Matthias & Sperl, Matthias
  
• Trail-mediated self-interaction. The Journal of Chemical Physics, 150(21).
  Kranz, W. Till & Golestanian, Ramin
  
• Asymptotically Exact Solution of the Fredrickson-Andersen Model
  K. Önder, M. Sperl & W. T. Kranz
  
• Granular rheology: a tale of three time scales
  O. Coquand, W. T. Kranz & M. Sperl
  
• Integration through transients approach to the µ(I) rheology. Phys. Rev. E 102, 032602.
  Coquand, O.; Sperl, M. & Kranz, W. T.
  
• Integration through transients for inelastic hard sphere fluids. Physical Review Fluids, 5(2).
  Kranz, W. Till; Frahsa, Fabian; Zippelius, Annette; Fuchs, Matthias & Sperl, Matthias
  
• A gravity-independent powder-based additive manufacturing process tailored for space applications. Additive Manufacturing, 47, 102349.
  D.’Angelo, Olfa; Kuthe, Felix; Liu, Szu-Jia; Wiedey, Raphael; Bennett, Joe M.; Meisnar, Martina; Barnes, Andrew; Kranz, W. Till; Voigtmann, Thomas & Meyer, Andreas
  
• Comment on “Explicit Analytical Solution for Random Close Packing in d=2 and d=3”
  W. T. Kranz
  
• Granular piston-probing in microgravity: powder compression, from densification to jamming
  D.’Angelo, Olfa; Horb, Anabelle; Cowley, Aidan; Sperl, Matthias & Kranz, W. Till
  
• Granular piston-probing in microgravity: powder compression, from densification to jamming. npj Microgravity, 8(1).
  D.’Angelo, Olfa; Horb, Anabelle; Cowley, Aidan; Sperl, Matthias & Kranz, W. Till
  
• Understanding dense granular flow from first principles. Science Talks, 3, 100049.
  Kranz, W. Till; Coquand, Olivier & D.’Angelo, Olfa