Numerical and experimental analysis of the vibration signal produced by granular flows

Granular flows are phenomena that encompass natural events occurring in the environment - such as rockfalls, avalanches, debris flows, pyroclastic flows - or characterizing industrial applications - namely material handling in pharmaceutical and food industries, in mining and construction frameworks. This thesis addresses the investigation of the behavior of dry granular flows through experimental and numerical tests. An extensive number of works in the scientific literature have dealt with dry granular flows through the approach of numerical and experimental tests carried out on channel geometries. The observation has been often limited to steady, fully developed flows, the rheology of which is investigated in depth by the knowledge of the kinematic components of the granular particles, often overlooking the shape and size influence of the particles on the overall behavior. In this research, particular attention is dedicated to the effect of the shape (rounded or sharp-edged) and of the size of the particles. Moreover, the analyses are mainly conducted under transient unsteady flow conditions. The flow material behaviour is attained both through kinematic variables investigation, but also via the analysis of the force signal that the granular flowing material exerts on the bounding geometry. Experimental tests are carried out in a laboratory chute structure, adequately instrumented through piezoelectric sensors and imaging acquisition devices. Numerical simulations are, on the other side, carried out through Discrete Element Method (DEM), which constitutes a valid approach for simulating these complex dynamic processes, and that allows for the measurement of dynamic forces produced by impacting particles. Shape effects and dimensions of the materials employed in experimental and numerical tests are investigated, based on attentive calibration. The comparison between the outcomes confirmed the validity of employing the DEM to investigate dry granular flows, and permitted us to have an insight into the rheology and signal produced.

I flussi granulari sono fenomeni che comprendono eventi naturali che si verificano nell'ambiente - quali frane, valanghe, colate detritiche, colate piroclastiche - o che caratterizzano applicazioni industriali - ovvero la movimentazione di materiali nell'industria farmaceutica e alimentare, in ambito minerario e edilizio. Questa tesi affronta lo studio del comportamento di flussi granulari secchi attraverso prove sperimentali e numeriche. Numerosi lavori presenti nella letteratura scientifica si sono occupati di flussi granulari secchi attraverso l'approccio di prove numeriche e sperimentali effettuate in geometrie a canale inclinato. L'osservazione è stata spesso limitata a flussi stazionari completamente sviluppati, la cui reologia è indagata dettagliatamente attraverso la conoscenza delle componenti cinematiche delle particelle granulari, spesso trascurando l'influenza di forma e dimensione delle particelle sul comportamento complessivo. In questa ricerca, particolare attenzione è dedicata all'effetto della forma (arrotondata o spigolosa) e della dimensione delle particelle. Inoltre, le analisi sono condotte principalmente in condizioni di flusso instabile e transitorio. Il comportamento del materiale che costituisce il flusso viene ottenuto sia attraverso l'indagine delle variabili cinematiche, che attraverso l'analisi del segnale di forza che esso esercita su porzioni della geometria del canale. Le prove sperimentali vengono effettuate in una struttura di laboratorio a scivolo, adeguatamente strumentata tramite sensori piezoelettrici e dispositivi di acquisizione di immagine. Le simulazioni numeriche sono invece effettuate attraverso il Metodo degli Elementi Discreti (DEM), che costituisce un valido approccio per simulare questi complessi processi dinamici, e che permette di misurare le forze dinamiche prodotte dalle particelle impattanti. Vengono indagati gli effetti di forma e le dimensioni dei materiali impiegati nelle prove sperimentali e numeriche, sulla base di un'attenta calibrazione. Il confronto tra i risultati ha confermato la validità dell'utilizzo del DEM per studiare i flussi granulari secchi e ha permesso di condurre un’indagine dettagliata della reologia e del segnale prodotto.