Numerical and experimental investigations on the influencing factors of dry granular materials collapse

Li, Yucheng; Fuentes Gutierrez, Raul; Cabrera, Miguel Angel

doi:HT031384217

Numerical and experimental investigations on the influencing factors of dry granular materials collapse

Li, Yucheng^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yucheng Li

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Fuentes Gutierrez, Raul (Thesis advisor)^RWTH* ; Cabrera, Miguel Angel (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-07-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-00733
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1026201/files/1026201.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen und Institut für Geomechanik und Untergrundtechnik (314310)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Granulare Materialien finden sich sowohl in der Natur als auch in der Industrie und haben einen erheblichen Einfluss auf unser tägliches Leben. Trotz des signifikanten Fortschritts in experimentellen und theoretischen Studien in den letzten zwei Jahrzehnten bleiben mehrere Einflussfaktoren unzureichend verstanden. In dieser Arbeit zielen wir darauf ab, einige unsichere Faktoren zu analysieren, die das Phänomen des Kollapses granularer Säulen beeinflussen. Zunächst untersuchen wir die Rolle der Grundreibung beim Kollaps granularer Säulen durch eine Reihe numerischer Simulationen unter Verwendung der Methode der geglätteten Partikel-Hydrodynamik (SPH). Unsere Studie prüft systematisch den Einfluss der Grundreibung auf die Geometrie des Ablagerungsbereichs und schlägt einen Ausdruck zur Vorhersage der Ablaufsdistanz vor. Diese Ergebnisse werden mit experimentellen Befunden aus früheren Studien verglichen. Darüber hinaus analysieren wir die Auswirkungen der Grundreibung auf die Endhöhe, den Übergang des Ablagerungsregimes und die Energieumwandlung und bieten neue Einblicke in die Reibung zwischen Platten und Körnern. Zweitens, da die Weltraumforschung fortschreitet, wird das Verständnis des Kollapses granularer Materialien unter Bedingungen mit nicht-erdgebundeter Schwerkraft zunehmend relevant. Wir untersuchen die Auswirkungen variierender Schwerkraftniveaus auf das Kollapsverhalten granularer Säulen und nutzen die dimensionsanalytische Methode, um zu bewerten, wie unterschiedliche Schwerkraftniveaus das Materialverhalten beeinflussen. Zwei Modelle werden vorgeschlagen, um die Kollapszeit unter Berücksichtigung der Gravitationsbeschleunigung (g) vorherzusagen. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Schwerkraft einen minimalen Einfluss auf die Ablaufsdistanz und die Endhöhe der Ablagerungen hat, unterstützt durch Beobachtungen natürlicher Erdrutsche im gesamten Sonnensystem. Darüber hinaus zeigen wir, dass mit zunehmendem Seitenverhältnis sowohl der Fließmobilitätswinkel (θ) als auch der modifizierte Fließmobilitätswinkel (θ') abnehmen, unabhängig vom Schwerkraftniveau. Unsere Ergebnisse im kleinen Maßstab stimmen mit Ergebnissen im Großmaßstab über verschiedene Schwerkraftniveaus hinweg überein, was zeigt, dass der Kollapsbereich von dem Probenvolumen und der anfänglichen potentiellen Energie abhängt, nicht von der Schwerkraft. Drittens gehen wir auf die Einschränkungen früherer Studien zur Partikelform ein, die häufig mit anderen Faktoren, die nicht die Partikelform betreffen (wie Volumen und Steifigkeit), gekoppelt oder unrealistische Partikeldesigns verwendet haben (hauptsächlich bestehend aus konvexen Formen ohne konkave Merkmale). Wir verwendeten sphärische harmonische (SH) Funktionen und eine hochpräzise 3D-Druckmaschine, um ideale Partikel zu fertigen und die Effekte der Partikelform auf die Fließdynamik zu isolieren. Anschließend entwarfen wir eine Laborplattform, um den Einfluss der Partikelform auf die dynamischen Fließeigenschaften zu untersuchen. Wir haben auch STL-Dateien von durch die SH-Funktionen erzeugten Partikeln in Software für die diskrete Elementemethode (DEM) eingegeben, um eine numerische Analyse durchzuführen. Unsere Studie erforschte die Auswirkungen der Partikelform (variierend in Df und D2, die aus der Anpassung der Ergebnisse der sphärischen harmonischen Deskriptoren und der sphärischen harmonischen Ordnung abgeleitet sind) auf die Morphologie der Ablagerung, die Geometrie der Ablagerung (Ablaufsdistanz, Endhöhe und die damit verbundenen Skalierungsgesetze von Konstanten), die Energieumwandlung und die Verzahnungsfähigkeit während des Kollapses. Darüber hinaus analysierten wir quantitativ den Einfluss von Partikelformparametern wie Sphärizität, Partikelseitenverhältnis, Konvexität und Rundheit auf die Ablaufsdistanz, die Endhöhe und die Fließmobilität. Darüber hinaus haben wir ein Modell zur direkten Vorhersage der Auslaufstrecke unter Verwendung der relativen Rauheit der Partikel (Rr) vorgeschlagen, das aus Df und D2 abgeleitet wurde und eine gute Übereinstimmung mit den numerischen Ergebnissen zeigt. Dies stellt den ersten Versuch dar, die Ablaufsdistanz aus der Perspektive der Partikelform vorherzusagen. Unsere Ergebnisse erweitern das Verständnis des Phänomens des Kollapses trockener Granulate und seiner zugrunde liegenden Mechanismen. Diese Forschung dient als wertvolle Referenz für die Anwendung granularer Materialien in der Geotechnik und in anderen verwandten Bereichen.

Granular materials are widely encountered in both nature and industry, significantly impacting our daily lives. Although substantial progress has been made in experimental and theoretical studies over the past two decades, several influencing factors remain insufficiently understood. In this work, we aim to analyse some uncertain factors influencing the granular column collapse phenomenon. First, we investigate the role of basal friction in granular column collapse through a series of numerical simulations using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Our study systematically examines the influence of basal friction on the deposit geometry, proposing an expression to predict run-out distance. The numerical results are compared with experimental findings from previous studies. Additionally, we analyse the effects of basal friction on final height, deposit regime transitions, and energy conversion, offering new insights into plate-grain friction mechanism. Second, as space exploration advances, understanding the collapse of granular materials under non-Earth gravity conditions becomes increasingly relevant. We investigate the effects of varying gravity levels on the collapse behaviour of granular columns, using dimensional analysis to assess how different gravity levels influence material behaviour. Two models are proposed to predict collapse time, accounting for gravitational acceleration (g). Our findings suggest that gravity has minimal influence on deposit run-out distance and final height, supported by observations of natural landslides across the Solar System. Moreover, as the aspect ratio increases, both the flow mobility angle (θ) and the modified flow mobility angle (θ') decrease, independent of gravity level. Our small-scale results align with large-scale results across varying gravity levels, indicating that the collapse run-out depends on sample volume and initial potential energy rather than gravity. Third, we address the limitations of previous studies on particle shape, which often were coupled with other non-particle shape factors (such as volume and stiffness) or used unrealistic particle geometries (primarily consisting of convex shapes without concave features). We utilized spherical harmonic (SH) functions and a high-precision 3D printing machine to fabricate ideal particles, isolating particle shape effects on flow dynamics. Subsequently, we designed a laboratory platform to investigate the influence of particle shape on flow dynamic properties. We also input the STL files of particles generated by the SH functions into Discrete Element Method (DEM) software for numerical analysis. Our study explored the effects of particle shape (varying in Df and D2, where Df and D2 are obtained by fitting the results of spherical harmonic descriptors and spherical harmonic degree) on deposit morphology, deposit geometry (run-out distance, final height, and its related scaling laws constants), energy conversion, and interlocking ability during collapse. Additionally, we quantitatively analysed the influence of particle geometric parameters, such as sphericity, particle aspect ratio, convexity, and roundness on deposit run-out distance, final height, and flow mobility. Furthermore, we proposed a model to directly predict run-out distance using particle relative roughness (Rr), derived from Df and D2, which shows strong agreement with numerical results. This is the first attempt to predict run-out distance from a particle shape perspective. Our findings enhance the understanding of dry granular collapse phenomenon and its underlying mechanisms. This research serves as a valuable reference for the application of granular materials in geotechnical and other related fields.

OpenAccess:
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