Universität zu Köln

Haeberle, Jan ORCID: 0000-0002-6194-5644 (2018). Properties of Tailored Granular Media. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The macroscopic behavior of granular media is determined by interactions at the grain scale. While some phenomena in granular media can be explained by hard sphere models, experiments always deal with friction, van-der-Waals forces, liquid bridge formation and tribocharging. In how far these interactions determine the macroscopic behavior and the relative strength of each interaction in a real experiment are often difficult to estimate. In this thesis, we investigate how changes at the surfaces of granular spheres can influence the macroscopic behavior of a granular medium. In a first experiment, we measure the rheological properties of surface modified granular particles. Such modifications necessarily influence multiple factors at once and so we measure the influence of the surface modifications on friction, wettability and triboelectric charging behavior and then correlate the changes at the grain scale to the macroscopic behavior. In a second experiment, we investigate in how far charging effects due to tribocharging can determine the packing structure of a granular packing. In the context of controlling the triboelectric effect, we investigate the stochastic nature of exchanged charges in collisions of granular particles and investigate the effect of surface treatments on triboelectric charging behavior. We show that triboelectric charging can indeed define the packing structure and lead to ordered structures in which electrostatic potential is minimized. The effect of boundary conditions is also investigated. Finally, we show that wall friction and piston shape influence the force propagation and displacements in a two dimensional granular medium.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Das makroskopische Verhalten granularer Medien wird von Interaktionen auf Partikelebene bestimmt. Obwohl einige granulare Phänomene durch harte Kugel Modelle erklärt werden können beinhalten Experimente immer Reibung, van-der-Waals Kräfte, Wasserbrücken und triboelektrisches Aufladen. Inwieweit diese Interaktionen das makroskopische Verhalten bestimmen und die relative Stärke der einzelnen Interaktionen in realen Experimenten sind oft schwierig abzuschätzen. In dieser Dissertation untersuchen wir, wie Veränderungen an der Oberfläche von granularen Kugeln die makroskopischen Eigenschaften des Mediums beeinflussen. In einem ersten Experiment messen wir die rheologischen Eigenschaften von oberflächenmodifizierten granularen Teilchen. Solche Modifikationen beeinflussen zwangsläufig mehrere Faktoren auf einmal und deshalb messen wir den Einfluss der Oberflächenmodifikationen auf Reibung, Benetzbarkeit und triboelektrisches Aufladungsverhalten und korrelieren dann die Veränderung auf Partikelebene mit dem makroskopischen Verhalten. In einem zweiten Experiment untersuchen wir inwieweit Ladungseffekte durch Triboelektrizität die Packungsstruktur granularer Packungen bestimmen. In dem Zusammenhang, den triboelektrischen Effekt zu kontrollieren, untersuchen wir die stochastische Natur der ausgetauschten Ladungen in Kollisionen granularer Teilchen und untersuchen den Effekt von Oberflächenmodifikationen auf das triboelektrische Aufladungs\-verhalten. Wir zeigen, dass triboelektrisches Aufladen tatsächlich die Packungsstruktur definieren kann und zu geordneten Strukturen führt, in denen das elektrostatische Potential minimiert wird. Der Einfluss von Randeffekten wird ebenfalls untersucht. Schließlich zeigen wir, dass Wandreibung und Form von Kolben die Kraftausbreitung und das Verschiebungsverhalten in einem zweidimensionalen granularen Medium be\-einflussen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Haeberle, Jan jan.haeberle@dlr.de orcid.org/0000-0002-6194-5644 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-93541
Date:	2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Theoretical Physics
Subjects:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Granular Media, Surface Treatments, Tribology, Rheology, Triboelectricity, Structure Formation, Force Transmission English
Date of oral exam:	11 January 2019
Referee:	Name Academic Title Sperl, Matthias Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9354