Multifractal intermittency in granular flow through bottlenecks

We experimentally analyze the intermittent nature of granular silo flow when the discharge is controlled by an extracting belt at the bottom. We discover the existence of four different scenarios. For low extraction rates, the system is characterized by an on-off intermittency. When the extraction rate is increased the structure functions of the grains velocity increments, calculated for different lag times, reveal the emergence of multifractal intermittency. Finally, for very high extraction rates that approach the purely gravitational discharge, we observe that the dynamics become dependent on the outlet size. For large orifices the behavior is monofractal, whereas for small ones, the fluctuations of the velocity increments deviate from Gaussianity even for very large time lags

Influence of particle size in silo discharge

Recently Janda et al. [Phys. Rev. Lett. 108, 248001 (2012)] reported an experimental study where it was measured the velocity and volume fraction fields of 1 mm diameter stainless steel beads in the exit of a two-dimensional silo. In that work, they proposed a new expression to predict the flow of granular media in silos which does not explicitly include the particle size as a parameter. Here, we study if effectively, there is not such influence of the particle size in the flux equations as well as investigate any possible effect in the velocity and volume fraction fields. To this end, we have performed high speed motion measurements of these magnitudes in a two-dimensional silo filled with 4 mm diameter beads of stainless steel, the same material than the previous works. A developed tracking program has been implemented to obtain at the same time both, the velocity and volume fraction. The final objective of this work has been to extend and generalize the theoretical framework of Janda et al. for all sizes of particles. We have found that the obtained functionalities are the same than in the 1 mm case, but the exponents and other fitting parameters are different

Role of particle size in the kinematic properties of silo flow

We experimentally analyze the effect that particle size has on the mass flow rate of a quasi two-dimensional silo discharged by gravity. In a previous work, Janda et al. [Phys. Rev. Lett. 108, 248001 (2012)PRLTAO0031-900710.1103/PhysRevLett.108.248001] introduced a new expression for the mass flow rate based on a detailed experimental analysis of the flow for 1-mm diameter beads. Here, we aim to extend these results by using particles of larger sizes and a variable that was not explicitly included in the proposed expression. We show that the velocity and density profiles at the outlet are self-similar and scale with the outlet size with the same functionalities as in the case of 1-mm particles. Nevertheless, some discrepancies are evidenced in the values of the fitting parameters. In particular, we observe that larger particles lead to higher velocities and lower packing fractions at the orifice. Intriguingly, both magnitudes seem to compensate giving rise to very similar flow rates. In order to shed light on the origin of this behavior we have computed fields of a solid fraction, velocity, and a kinetic-stress like variable in the region above the orifice

Effect of hopper angle on granular clogging

We present experimental results of the effect of the hopper angle on the clogging of grains discharged from a two-dimensional silo under gravity action. We observe that the probability of clogging can be reduced by three orders of magnitude by increasing the hopper angle. In addition, we find that for very large hopper angles, the avalanche size (s) grows with the outlet size (D) stepwise, in contrast to the case of a flat-bottom silo for which s grows smoothly with D. This surprising effect is originated from the static equilibrium requirement imposed by the hopper geometry to the arch that arrests the flow. The hopper angle sets the bounds of the possible angles of the vectors connecting consecutive beads in the arch. As a consequence, only a small and specific portion of the arches that jam a flat-bottom silo can survive in hoppers

Linking bottleneck clogging with flow kinematics in granular materials: the role of silo width

We demonstrate experimentally that clogging in a silo correlates with some features of the particle velocities in the outlet proximities. This finding, that links the formation of clogs with a kinematic property of the system, is obtained by looking at the effect that the position of the lateral walls of the silo has on the flow and clogging behavior. Surprisingly, the avalanche size depends nonmonotonically on the distance of the outlet from the lateral walls. Apart from evidencing the relevance of a parameter that has been traditionally overlooked in bottleneck flow, this nonmonotonicity supposes a benchmark with which to explore the correlation of clogging probability with different variables within the system. Among these, we find that the velocity of the particles above the outlet and their fluctuations seem to be behind the nonmonotonicity in the avalanche size versus wall distance curve

Influence of particle size in silo discharge

Recently Janda et al. [Phys. Rev. Lett. 108, 248001 (2012)] reported an experimental study where it was measured the velocity and volume fraction fields of 1 mm diameter stainless steel beads in the exit of a two-dimensional silo. In that work, they proposed a new expression to predict the flow of granular media in silos which does not explicitly include the particle size as a parameter. Here, we study if effectively, there is not such influence of the particle size in the flux equations as well as investigate any possible effect in the velocity and volume fraction fields. To this end, we have performed high speed motion measurements of these magnitudes in a two-dimensional silo filled with 4 mm diameter beads of stainless steel, the same material than the previous works. A developed tracking program has been implemented to obtain at the same time both, the velocity and volume fraction. The final objective of this work has been to extend and generalize the theoretical framework of Janda et al. for all sizes of particles. We have found that the obtained functionalities are the same than in the 1 mm case, but the exponents and other fitting parameters are different

Flow and clogging in a granular silo discharged with a conveyor belt

El flujo de medios granulares en la descarga de silos es un problema ampliamente estudiado desde hace años debido a sus aplicaciones en la industria o la agricultura. Recientemente, el estudio de los atascos, que dan lugar a la detención del flujo como consecuencia de la formación de arcos encima del orificio, ha recibido también la atención de la comunidad científica. A lo largo de los años, los dos problemas se han investigado en silos en los que el material es descargado únicamente por medio de la gravedad, régimen que llamamos descarga libre . En ese caso, la velocidad de las partículas está determinada por el tamaño del agujero de salida. Con el objetivo de investigar el efecto de ambas variables por separado, se ha utilizado una cinta transportadora que descarga el material, permitiendo controlar la velocidad de las partículas de forma independiente al tamaño de agujero. La caracterización del flujo se ha determinado a partir del análisis de grabaciones en alta velocidad de las descargas en la zona del orificio. Variando el tamaño de agujero y la velocidad de extracción de la cinta, los patrones de flujo en el agujero se han comparado con el régimen de descarga libre. De hecho, inicialmente, las dependencias del flujo y de los perfiles de densidad y velocidad con el tamaño de agujero para el caso de la descarga libre, jan sido interpretados a la luz de las expresiones propuestas recientemente. En los experimentos con la cinta se observa un comportamiento diferente, caracterizado por i) un incremento y posterior saturación de la velocidad de las partículas con la velocidad de la cinta; y ii) una reducción de la velocidad de las partículas con el tamaño de agujero si la velocidad de la cinta se mantiene constante. Estas dependencias se explican por medio de un modelo basado en la conservación de la masa. Además, tanto los valores del flujo como los de las velocidades de las partículas se han relacionado con la dinámica que se observa en el interior del silo, gracias al análisis de la micromecánica. Asimismo, la introducción de la cinta ocasiona un movimiento intermitente de las partículas que es especialmente visible para velocidades de extracción bajas. Este comportamiento se ha estudiado por medio del análisis multifractal de una señal temporal que caracteriza la velocidad de las partículas en cada momento, y también a partir de la correlación espacial entre las velocidades de las partículas. De esta manera se han encontrado cuatro tipos de flujo diferentes dependiendo de la velocidad de la cinta y del tamaño de agujero. Finalmente, el fenómeno de atasco se ha estudiado a partir del análisis de los tamaños de avalanchas definidos como el número de granos que salen del silo desde que se rompe un atasco hasta que se forma el siguiente. El protocolo de medida está automatizado y consiste en la sincronización de la cinta y otros dispositivos encargados de detectar los arcos, romperlos y registrar la masa de las avalanchas. A partir de las distribuciones de los tamaños de avalancha, se han calculado las probabilidades de atasco para tres agujeros distintos y varias velocidades de la cinta. Como resultado, se ha observado una fuerte influencia de la cinemática en el proceso de atasco: en el mejor de los casos, se ha obtenido un cambio en la probabilidad de atasco de alrededor de dos órdenes de magnitud al cambiar la velocidad de la cinta. Este comportamiento se ha explicado usando nuevas ecuaciones, que están inspiradas en otras que ya se utilizan para describir los atascos en la descarga libre. Estas expresiones incluyen solamente dos parámetros: uno geométrico, que determina la probabilidad de atasco cuando la velocidad de las partículas es mínima, y otro que recoge la influencia de la velocidad de las partículas. Con esto se logra describir separadamente los efectos geométrico y cinemático en el proceso de atasco

Flow and clogging in a granular silo discharged with a conveyor belt

El flujo de medios granulares en la descarga de silos es un problema ampliamente estudiado desde hace años debido a sus aplicaciones en la industria o la agricultura. Recientemente, el estudio de los atascos, que dan lugar a la detención del flujo como consecuencia de la formación de arcos encima del orificio, ha recibido también la atención de la comunidad científica. A lo largo de los años, los dos problemas se han investigado en silos en los que el material es descargado únicamente por medio de la gravedad, régimen que llamamos descarga libre . En ese caso, la velocidad de las partículas está determinada por el tamaño del agujero de salida. Con el objetivo de investigar el efecto de ambas variables por separado, se ha utilizado una cinta transportadora que descarga el material, permitiendo controlar la velocidad de las partículas de forma independiente al tamaño de agujero. La caracterización del flujo se ha determinado a partir del análisis de grabaciones en alta velocidad de las descargas en la zona del orificio. Variando el tamaño de agujero y la velocidad de extracción de la cinta, los patrones de flujo en el agujero se han comparado con el régimen de descarga libre. De hecho, inicialmente, las dependencias del flujo y de los perfiles de densidad y velocidad con el tamaño de agujero para el caso de la descarga libre, jan sido interpretados a la luz de las expresiones propuestas recientemente. En los experimentos con la cinta se observa un comportamiento diferente, caracterizado por i) un incremento y posterior saturación de la velocidad de las partículas con la velocidad de la cinta; y ii) una reducción de la velocidad de las partículas con el tamaño de agujero si la velocidad de la cinta se mantiene constante. Estas dependencias se explican por medio de un modelo basado en la conservación de la masa. Además, tanto los valores del flujo como los de las velocidades de las partículas se han relacionado con la dinámica que se observa en el interior del silo, gracias al análisis de la micromecánica. Asimismo, la introducción de la cinta ocasiona un movimiento intermitente de las partículas que es especialmente visible para velocidades de extracción bajas. Este comportamiento se ha estudiado por medio del análisis multifractal de una señal temporal que caracteriza la velocidad de las partículas en cada momento, y también a partir de la correlación espacial entre las velocidades de las partículas. De esta manera se han encontrado cuatro tipos de flujo diferentes dependiendo de la velocidad de la cinta y del tamaño de agujero. Finalmente, el fenómeno de atasco se ha estudiado a partir del análisis de los tamaños de avalanchas definidos como el número de granos que salen del silo desde que se rompe un atasco hasta que se forma el siguiente. El protocolo de medida está automatizado y consiste en la sincronización de la cinta y otros dispositivos encargados de detectar los arcos, romperlos y registrar la masa de las avalanchas. A partir de las distribuciones de los tamaños de avalancha, se han calculado las probabilidades de atasco para tres agujeros distintos y varias velocidades de la cinta. Como resultado, se ha observado una fuerte influencia de la cinemática en el proceso de atasco: en el mejor de los casos, se ha obtenido un cambio en la probabilidad de atasco de alrededor de dos órdenes de magnitud al cambiar la velocidad de la cinta. Este comportamiento se ha explicado usando nuevas ecuaciones, que están inspiradas en otras que ya se utilizan para describir los atascos en la descarga libre. Estas expresiones incluyen solamente dos parámetros: uno geométrico, que determina la probabilidad de atasco cuando la velocidad de las partículas es mínima, y otro que recoge la influencia de la velocidad de las partículas. Con esto se logra describir separadamente los efectos geométrico y cinemático en el proceso de atasco

Decoupling Geometrical and Kinematic Contributions to the Silo Clogging Process

Based on the implementation of a novel silo discharge procedure, we are able to control the grains velocities regardless of the outlet size. This allows isolating the geometrical and kinematic contributions to the clogging process. We find that, for a given outlet size, reducing the grains velocities to extremely low values leads to a clogging probability increment of almost two orders of magnitude, hence revealing the importance of particle kinematics in the silo clogging process. Then, we explore the contribution of both variables, outlet size and grains velocity, and we find that our results agree with an already known exponential expression that relates clogging probability with outlet size. We propose a modification of such expression revealing that only two parameters are necessary to fit all the data: one is related with the geometry of the problem, and the other with the grains kinematics

Granular flow in a silo discharged with a conveyor belt

By means of an experimental analysis we study the granular flow in a two-dimensional silo discharged through a conveyor belt placed below the outlet. The results exhibit a saturation of the flow rate, W, with the belt velocity (vb). Moreover, we find a dependence of the flow rate and grains velocity on the outlet size D which differs from the purely gravitational regime. To explain it, we propose an analysis based on mass conservation arguments that agrees with the experimental data when (vb) is sufficiently low. For large values of this variable, it seems to be a smooth transition between a free discharge regime (for small D) and a belt extraction regime (for large D) where the proposed model is also valid. Our analysis provides a useful connection between the flow rate and the exit geometry, a feature that may be very useful from a practical point of view