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Titelaufnahme

Titel
Experimental modelling of granular flows in rotating frames / presented by Miguel Angel Cabrera
VerfasserCabrera, Miguel Angel
Begutachter / BegutachterinWu, Wei
GutachterWu, Wei
ErschienenVienna, February 2016
Umfangxxi, 187 Seiten : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftUniversity of Natural Resources and Life Sciences Vienna, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Rotierenden Trommel / Geotechnischen Zentrifuge / Murgang / hyperkonzentrierte Strömungen / Schlammlawinen
Schlagwörter (EN)Rotating Drum / Geotechnical Centrifuge / Debris flows / Hyperconcentrated flows / mud flows
Schlagwörter (GND)Mure / Fließverhalten / Modellierung
URNurn:nbn:at:at-ubbw:1-19251 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
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Experimental modelling of granular flows in rotating frames [75.1 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Naturgefahren welche sich aus einer Kombination aus granularem Sediment und einer Flüssigkeit zusammensetzen, können als geophysikalische Strömung beschrieben werden (zB: Murgang, hyperkonzentrierte Strömungen, und Schlammlawinen). Die Stärke und entstehende Trägheit/Masse macht sie zu einem der am häufigsten und gefährlichsten auftretenden Gefahrenpotential im alpinen Raum. Basierend auf historischen Aufzeichnungen, empirische Beziehungen, Feldbeobachtungen, und simplen numerischen Simulationen werden Gefahrenzonenpläne erstellt, Gegenmaßnahmen geplant, und Schutzmaßnahmen entworfen. Ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse des Fließverhaltens der mehr-phasigen Strömung kann zu Verbesserungen der Präventivmaßnahmen dienen. Anhand von Laborversuchen konzentriert sich diese Arbeit auf die Interaktion zwischen den festen Partikeln und der flüssigen Phase. Annäherungen an Feldbedingungen werden durch die Kontrolle der Spannungszustandes und der Wahl der Komponenten im kleinen Maßstab hergestellt. Die Fließdynamik einer Mixtur aus Granulat und Flüssigkeit, im speziellen die Entstehung einer granularen Front, werden in einer rotierenden Trommel untersucht. Das Verhalten von granularen Strömungen entlang einer geneigten Fläche ist in einer geotechnischen Zentrifuge modelliert. Hierbei wird die Beschleunigung eines Massenstroms bei unterschiedlicher Skalierung untersucht, und zur Simulierung trockener und viskoser Granulatsuspensionen erweitert. Die Ergebnisse der experimentellen Versuche mit klar definierten Randbedingungen und Materialzusammensetzung können zur Weiterentwicklung und Validierung numerischer Modelle verwendet werden. Eine sehr gute Übereinstimmung mit analytischen und numerischen Methoden konnte für die Mechanismen der granularen Front gefunden werden, sowie für die Simulierung schneller granularer Strömungen in dem erhöhten Beschleunigungsfeld der geotechnischen Zentrifuge. Diese Arbeit hebt die Wichtigkeit der Vereinfachung komplexer Prozesse in vernünftigem Ausmaß an Zeit und Größe hervor, um die Interaktion in geophysikalischen Strömungen zu beschreiben.

Zusammenfassung (Englisch)

Geophysical flows are often related to natural hazards involving a combined action of granular debris immersed in a fluid (e.g. debris flows, hyperconcentrated flows, and mudflows). The magnitude and developed inertia in a geophysical flow makes them one of the most common and dangerous phenomena in mountainous regions. Based on historical data, empirical relations, field observations, and simplified numerical simulations, engineers and public officers face the challenging task of mapping hazard zones, planning prevention methods, and designing protection structures. Being this the current situation, a better understanding of the physics of geophysical flows may lead to improvements in prevention systems. This study addresses the interactions between particle and fluid phases with laboratory model tests, sharing many similarities with field geophysical flows while controlling the stress state and mixture components in a laboratory scale. The flow dynamics of a particle-fluid mixture, specifically the formation of a granular-front, are studied in a large rotating drum. Furthermore, the behaviour of granular flows down an inclined plane is studied in a geotechnical centrifuge. In this configuration, the scaling of the driving acceleration in a dry granular flow is studied and extended to the simulation of viscous granular suspensions. The experimental results provide a database for the development and validation of numerical models, with known boundary conditions and material composition. Excellent agreement is found in the analytical and numerical validation of the granular-front mechanisms, and the simulation of rapid granular flows in an augmented acceleration field. This work highlights the importance of simplifying complex processes into reasonable time and length scales able to account and describe the interactions of a geophysical flow.