44
A Model Kinetic Equation for a A Model Kinetic Equation for a Granular Gas of Inelastic Granular Gas of Inelastic Rough Hard Spheres Rough Hard Spheres Andrés Santos Andrés Santos Andrés Santos Andrés Santos Universidad de Extremadura Universidad de Extremadura, , Badajoz Badajoz (Spain Spain) In In collaboration collaboration with with Gilberto M. Gilberto M. Kremer Kremer and and Vicente Vicente Garzó Garzó

A Model Kinetic Equation for a Granular Gas of Inelastic ... · Pamplona, 20- -22 Mayo 201022 Mayo 2010 99 Mixture of Mixture of inelasticinelastic rough rough hardhard spheresspheres

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A Model Kinetic Equation for a A Model Kinetic Equation for a qqGranular Gas of Inelastic Granular Gas of Inelastic

Rough Hard Spheres Rough Hard Spheres

Andrés SantosAndrés SantosAndrés SantosAndrés Santos

Universidad de ExtremaduraUniversidad de Extremadura, , Badajoz Badajoz ((SpainSpain))

In In collaborationcollaboration withwithGilberto M. Gilberto M. KremerKremer andand Vicente Vicente GarzóGarzó

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MinimalMinimal modelmodel of a granular gas:of a granular gas:A gas ofA gas of identicalidentical smoothsmooth inelasticinelastic hardhardA gas of A gas of identicalidentical smoothsmooth inelasticinelastic hardhard

spheresspheres

Elastic collision Inelastic collision

http://demonstrations.wolfram.com/InelasticCollisionsOfTwoSpheres/

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 22

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ThisThis minimalminimal modelmodel ignoresignoresThisThis minimalminimal modelmodel ignores …ignores …Interstitial fluid

Caltech Granular Flows Group (http://www.its.caltech.edu/~granflow/)

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 33

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Non-constant coefficient of restitution

www.oxfordcroquet.com/tech/

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 44

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Non-spherical shape

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 55

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Polydispersity

http://www.cmt.york.ac.uk/~ajm143/nuts.html

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 66

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Roughness

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 77

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ModelModel of a granular gas:of a granular gas:A A mixturemixture of of inelasticinelastic roughrough hardhard spheresspheres

This model unveils an inherentbreakdown of energy equipartition ingranular fluids, even in homogeneous

d i iand isotropic states

Several circles(Kandinsky, 1926) Galatea of the Spheres

(Dalí 1952)Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010

(Dalí, 1952)88

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OutlineOutline EnergyEnergy productionproduction ratesrates inin aa

OutlineOutline EnergyEnergy productionproduction ratesrates inin aa

mixturemixture ofof inelasticinelastic roughrough hardhardspheresspheres..

SimpleSimple kinetickinetic modelmodel forfor SimpleSimple kinetickinetic modelmodel forformonodispersemonodisperse systemssystems..

ApplicationApplication toto thethe simplesimple shearshearflowflowflowflow..

ConclusionsConclusions andand outlookoutlook..Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 99

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Mixture of Mixture of inelasticinelastic rough rough hardhard spheresspheres. . Material Material parametersparameters::

•• MassesMasses m•• MassesMasses mi•• DDiametersiameters σσii

MomentsMoments ofof inertiainertia II•• MomentsMoments ofof inertiainertia IIii•• CCoefficientsoefficients ofof normalnormal restitutionrestitution ααijij•• CoefficientsCoefficients ofof tangentialtangential restitutionrestitution βij• αij =1 forfor perfectlyperfectly elasticelastic particlesparticlesj

• βij=-1 forfor perfectlyperfectly smoothsmooth particlesparticles• βij=+1 forfor perfectlyperfectly roughrough particlesparticlesβij p yp y gg pp

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 1010

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CollisionCollision rulesrulesωi

CollisionCollision rulesrules

ωj

σi2bσ

i j−σj2bσi j

vij

N t ti e (1 + ) eβ mijκij(1 + β )Notation: αij ≡ mij (1 + αij) , βij ≡ ij ij

1 + κij(1 + βij)

mij ≡mimj

, κij ≡ κiκjmi +mj

, κi ≡Ii( / )2

ijmi +mj

, ij i jκimi + κjmj

, imi(σi/2)2

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EnergyEnergy collisionalcollisional losslossEnergyEnergy collisionalcollisional lossloss

Eij =1

2miv

2i +

1

2mjv

2j +

1

2Iiω

2i +

1

2Ijω

2jj

2 i 2j j 2 i 2

j j

E0ij − Eij = −(1− α2ij)× · · ·Eij Eij (1 αij)×−(1− β2ij)× · · ·

Energy is conserved only if the spheres are • elastic (αij=1) and

either• either• perfectly smooth (βij=-1) or• perfectly rough (βij=+1)

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010

perfectly rough (βij 1)1212

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Elastic & smooth

http://demonstrations wolfram com/InelasticCollisionsOfTwoRoughSpheres/

Elastic & smooth

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010

http://demonstrations.wolfram.com/InelasticCollisionsOfTwoRoughSpheres/ 1313

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Inelastic & smooth

http://demonstrations wolfram com/InelasticCollisionsOfTwoRoughSpheres/

Inelastic & smooth

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010

http://demonstrations.wolfram.com/InelasticCollisionsOfTwoRoughSpheres/ 1414

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Elastic & (perfectly) rough

http://demonstrations wolfram com/InelasticCollisionsOfTwoRoughSpheres/

Elastic & (perfectly) rough

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010

http://demonstrations.wolfram.com/InelasticCollisionsOfTwoRoughSpheres/ 1515

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Inelastic & (perfectly) rough

http://demonstrations wolfram com/InelasticCollisionsOfTwoRoughSpheres/

Inelastic & (perfectly) rough

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010

http://demonstrations.wolfram.com/InelasticCollisionsOfTwoRoughSpheres/ 1616

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http://demonstrations.wolfram.com/InelasticCollisionsOfTwoRoughSpheres/

Elastic & smooth Inelastic & smooth

Elastic & (perfectly) rough Inelastic & (perfectly) rough

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 1717

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PartialPartial (granular)(granular) temperaturestemperaturesPartialPartial (granular) (granular) temperaturestemperatures

Translational temperatures: T tri =mi h(vi − u)2i

t Ii 2 miκi 2 2

Translational temperatures: Ti 3h(vi u) i

Rotational temperatures: T roti =Ii3hω2i i =

miκi12

σ2i hω2i i

Total temperature: T =X ni

2n

¡T tri + T

roti

¢Xi2n

¡ ¢Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 1818

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CollisionalCollisional ratesrates of of changechange forfortemperaturestemperatures

Energy production rates:

ξtr1µ∂T tri

¶ξtr

Xξtrξtri = −T tri

µi

∂t

¶coll

, ξtri =Xj

ξtrij

1µ∂T rot

¶ Binary collisions

ξroti = − 1

T roti

µ∂T roti

∂t

¶coll

, ξroti =Xj

ξrotij

Net cooling rate:

1µ∂T¶ X ni

ζ = − 1T

µ∂T

∂t

¶coll

, ζ =Xi

ni2nT

¡ξtri T

tri + ξroti T roti

¢Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 1919

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Energy production rates. Scheme of the derivation(arXiv:0910 5614)

Collision rules(arXiv:0910.5614)

1st BBGKY equation

1. Formally exact expressions

f(2) → f

(2) ≡ hf (2)iΩ

2. Two-body averages

fij → fij ≡ hfij iΩ

2. Two body averages

Information-theory estimate of f(2)ij

3. Final results

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 2020

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Final Final resultsresults. . EnergyEnergy productionproduction ratesrates

ξtrij =νijmiT tri

"2³eαij + eβij´T tri −

³eα2ij + eβ2ij´µT trimi+T trjmj

−eβ2ij µ T roti

miκi+T rotj

mjκj

¶#

ξrotij =νij

m κ T roteβij"2T roti − eβij µT tri

m+T trjm

+T roti

m κ+T rotj

m κ

¶#j miκiT roti

j

"j

µmi mj miκi mjκj

¶#

4√2

sT tr T tr

νij ≡4√2π

3χijnjσ

2ij

sT trimi

+T trjmj

Effective collision frequencies

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 2121

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Final Final resultsresults. . Net Net coolingcooling raterateζ =

Xi

ni2nT

¡ξtri T

tri + ξroti T roti

¢i

ζ =X niνij

4nT

mimj

mi +mj

·(1− α2ij)

µT trimi

+T trjmj

¶i,j

4nT mi +mj

· µmi mj

+κij

(1 β2 )

µT tri +

T trj+T roti +

T rotj

¶¸+1 + κij

(1− βij)

µmi

+mj

+miκi

+mjκj

¶¸

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 2222

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DecompositionDecompositionDecompositionDecompositionE d ti t E i titi t + C li tEnergy production rates = Equipartition rates + Cooling rates

Net cooling rate = Σ Cooling rates

T tr T tr T rotT rotEquip. Equip. Equip.

g g

T trj T tri T rotjT roti

q p q p

Cooling Coolingg g

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 2323

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Simple Simple applicationapplication::HomogeneousHomogeneous Free Free CoolingCooling StateState

∂T

∂t= −ζT

∂t

∂ T tri =¡ξtr ζ

¢ T tri ∂ T roti =¡ξrot ζ

¢ T roti

∂t T= −

¡ξi − ζ

¢T,

∂t T= −

¡ξi − ζ

¢T

t→∞⇒ ξtr1 = ξtr2 = · · · = ξrot1 = ξrot2 = · · ·

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 2424

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InelasticInelastic smoothsmooth spheresspheres ((ββ==--1)1)InelasticInelastic smoothsmooth spheresspheres ((ββ==--1)1)

T rot1 T rot2

T tr T trEquip.

T tr1 T tr2

CoolingCooling

q p

gg

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 2525

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InelasticInelastic quasiquasi--smoothsmooth spheresspheres((ββ..--1)1)

T rot1 T rot2Equip.

T tr T trEquip.

Cooling Cooling

T tr1 T tr2q p

Cooling Coolingg g

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 2626

Page 27: A Model Kinetic Equation for a Granular Gas of Inelastic ... · Pamplona, 20- -22 Mayo 201022 Mayo 2010 99 Mixture of Mixture of inelasticinelastic rough rough hardhard spheresspheres

RotationalRotational//RotationalRotational..Time Time evolutionevolution

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 2727

Page 28: A Model Kinetic Equation for a Granular Gas of Inelastic ... · Pamplona, 20- -22 Mayo 201022 Mayo 2010 99 Mixture of Mixture of inelasticinelastic rough rough hardhard spheresspheres

RotationalRotational//RotationalRotational..Time Time evolutionevolution

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 2828

Page 29: A Model Kinetic Equation for a Granular Gas of Inelastic ... · Pamplona, 20- -22 Mayo 201022 Mayo 2010 99 Mixture of Mixture of inelasticinelastic rough rough hardhard spheresspheres

TranslationalTranslational//TranslationalTranslational..Time Time evolutionevolution

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 2929

Page 30: A Model Kinetic Equation for a Granular Gas of Inelastic ... · Pamplona, 20- -22 Mayo 201022 Mayo 2010 99 Mixture of Mixture of inelasticinelastic rough rough hardhard spheresspheres

A simpleA simple kinetickinetic modelmodelA simple A simple kinetickinetic modelmodelforfor monodispersemonodisperseforfor monodispersemonodisperse

inelasticinelastic roughrough hardhardinelasticinelastic rough rough hardhardspheresspheresspheresspheres

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 3030

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(Cartoon by BernhardReischl, University of

Vienna)

(1844-1906)

∂tfi(r,vi,ωi, t) + vi ·∇fi(r,vi,ωi, t) =X

Jij [r,vi,ωi, t|fi, fj ]

Boltzmann equation:

∂tfi(r,vi,ωi, t) + vi ∇fi(r,vi,ωi, t)Xj

Jij [r,vi,ωi, t|fi, fj ]

Binary collisions

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 3131

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AntecedentsAntecedents forfor smoothsmooth particlesparticlesAntecedentsAntecedents forfor smoothsmooth particlesparticlesBoltzmann eq : ∂tf(r v t) + v ·∇f(r v t) = J [r v t|f f ]

Elastic collisions:

Boltzmann eq.: ∂tf(r,v, t) + v ∇f(r,v, t) J [r,v, t|f, f ]

[Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) & Welander, 1954]

J [f, f ]→ −ν (f − f0) , f0 = n³ m ´3/2

exp

·−m(v− u)

J [f, f ]→ ν (f f0) , f0 n³2πT

´exp

·2T

¸

Inelastic collisions:[Brey, Dufty, Santos, 1999]

J [f, f ]→ −ν(α) (f − f0) +ζ(α)

2

∂v· [(v − u)f ]

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 3232

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Simple Simple kinetickinetic modelmodel forfordidi i l tii l ti hhmonodispersemonodisperse inelasticinelastic rough rough

hardhard spheressphereshardhard spheresspheresThree key ingredients we want to keep:

1. (∂tTtr)coll = −ξtrT tr

2. (∂tTrot)coll = −ξrotT rot2. (∂tT )coll ξ T

3.Rdvi

Rdωi viJij [vi,ωi|fi, fj ] = λij

Rdvi

Rdωi viJij [vi,ωi|fi, fj ]

¯αij = 1¯ij

βij = −1

λij ≡ 1+αij2 +

κij1+κij

1+βij2

Elastic smooth spheresElastic smooth spheres

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 3333

Page 34: A Model Kinetic Equation for a Granular Gas of Inelastic ... · Pamplona, 20- -22 Mayo 201022 Mayo 2010 99 Mixture of Mixture of inelasticinelastic rough rough hardhard spheresspheres

TheThe kinetickinetic modelmodel.. JointJoint distributiondistribution∂tf(r,v,ω, t) + v ·∇f(r,v,ω, t) = J [r,v,ω, t|f, f ]

TheThe kinetickinetic modelmodel. . JointJoint distributiondistribution

J [f, f ] → −λν0 (f − f0)t t

+ ξtr

2∂∂v · [(v − u)f ] +

ξrot

2∂∂ω · (ωf)

λ ≡ 1 + α

2+

κ

1 + κ

1 + β

2, ν0 =

16√π

5nσ2

pT tr/m

2 1 + κ 2 5

f0 = n

µmI

¶3/2exp

·−m(v − u)

2

− Iω2¸

f0 = n

µ4π2T trT rot

¶exp

·2T tr 2T rot

¸

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 3434

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A A simplersimpler versionversion. . Marginal Marginal distributionsdistributions

f tr(r,v, t) =

Zdω f(r,v,ω, t), f rot(r,ω, t) =

1

n

Zdv f(r,v,ω, t)

∂tftr + v ·∇f tr = −λν0

¡f tr − f tr0

¢+

ξtr

2

∂v·£(v − u)f tr

¤

t

µ1

n

Zdv vf(r,v,ω, t)→ uf rot(r,ω, t)

¶∂tf

rot + u ·∇f rot = −λν0¡f rot − f rot0

¢+

ξrot

2

∂ω·¡ωf rot

¢Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 3535

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AnAn eveneven simplersimpler versionversion. . TranslationalTranslational distributiondistribution

f tr(r,v, t) =

Zdω f(r,v,ω, t), T rot(r, t) =

I

3n

Zdv

Zdω ω2f(r,v,ω, t)

∂tftr + v ·∇f tr = −λν0

¡f tr − f tr0

¢+

ξtr

2

∂v·£(v − u)f tr

¤

µI

3n

Zdv v

Zdω ω2f(r,v,ω, t)→ uT rot

¶∂tT

rot + u ·∇T rot = −ξrotT rot

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 3636

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ApplicationApplication toto simplesimple shearshear flowflowApplicationApplication toto simple simple shearshear flowflow((steadysteady statestate))(( yy ))

¡¡y = +L/2 -

¡¡¡¡

ux = ay----

¡¡¡ x y

n = const

∇T 0

¡¡¡¡ ∇T = 0¾

¾¾¾¡y = −L/2¾

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 3737

Page 38: A Model Kinetic Equation for a Granular Gas of Inelastic ... · Pamplona, 20- -22 Mayo 201022 Mayo 2010 99 Mixture of Mixture of inelasticinelastic rough rough hardhard spheresspheres

ApplicationApplication toto simple simple shearshear flowflowpppp ppTranslationalTranslational//RotationalRotational temperaturetemperature ratioratio

ξrot = 0⇒ T tr

T rot=2κ+ 1− β

κ(1 + β)

Independent of α

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 3838

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ApplicationApplication toto simple simple shearshear flowflowpppp ppShearShear stressstress

Pxy

q3bξtr/2

xy

nT tr= −

q/

1 + bξtrbξtr = 5

6

1− α2 + 2κ(1− β2)/(2κ+ 1− β)

1 + α+ κ(1 + β)/(1 + κ)

S l dScaled energyproduction rate

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ApplicationApplication toto simple simple shearshear flowflowpppp ppAnisotropicAnisotropic translationaltranslational temperaturestemperatures

T tryT tr

=T trzT tr

=1

1 + bξtrT trxT t

= 3− 2Ttry

T tT tr T tr

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ApplicationApplication toto simplesimple shearshear flowflowApplicationApplication toto simple simple shearshear flowflow

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ApplicationApplication toto simple simple shearshear flowflow“Universal” “Universal” relationshiprelationship

µPxy

¶2=3 T try

µ1

T try¶µ

nT tr

¶=2 T tr

µ1−

T tr

Partículas y flujos. Pamplona, 20Partículas y flujos. Pamplona, 20--22 Mayo 201022 Mayo 2010 4242

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Conclusions and Conclusions and outlookoutlook CollisionalCollisional energyenergy productionproduction ratesrates obtainedobtained forfor

mixturesmixtures ofof inelasticinelastic roughrough hardhard spheresspheresmixturesmixtures ofof inelasticinelastic roughrough hardhard spheresspheres.. InterestingInteresting nonnon--equipartitionequipartition phenomenaphenomena inin thethe

homogeneoushomogeneous freefree coolingcooling statestate.. ParadoxicalParadoxical effecteffecthomogeneoushomogeneous freefree coolingcooling statestate.. ParadoxicalParadoxical effecteffectinin thethe quasiquasi--smoothsmooth limitlimit..

SimulationsSimulations plannedplanned toto testtest thethe theoreticaltheoreticalpppredictionspredictions..

ProposalProposal ofof aa simplesimple modelmodel kinetickinetic equationequation forfor thethesinglesingle--componentcomponent casecase..

SolutionSolution ofof thethe aboveabove modelmodel inin thethe simplesimple shearshearflfl Si l tiSi l ti l dl dflowflow.. SimulationsSimulations plannedplanned..

DerivationDerivation ofof thethe NavierNavier--StokesStokes constitutiveconstitutiveequationsequations

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equationsequations..4343

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