Numerische Simulation des geschwindigkeitsabhängigen Fließverhaltens von Schüttgütern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass zur Computersimulation kohäsiver feinkörniger Schüttgüter neben einem realistischen elastisch plastischen Kontaktmodell eine effiziente Simulationsmethode für das Netzwerk der Partikelkontakte benötigt wird. Um die Kohäsion der Schüttgüter und damit auch ihr Gedächtnis beschreiben zu können, muss die Simulationsmethode ein Kontaktmodell benutzen, dass die Haftkraftverstärkung des Einzelkontaktes durch vorangegangenes Anpressen berücksichtigt. Die bisher üblichen rheologischen Kontaktmodelle mit viskoelastischer Abplattung und auch die bekannten Simulationsmethoden des Partikelnetzwerkes sind für kohäsive feinkörnige Schüttgüter ungeeignet. Das elastisch plastische Kontaktmodell nach THORNTON, NING ist nur abschnittsweise definiert. In Abhängigkeit von der plastischen Abplattung wird dazu der effektive Kugeldurchmesser nach HERTZ empirisch modifiziert. Ein Kontaktmodell für Simulationsrechnungen sollte aber möglicht durchgängig definiert sein. Das Modell nach THORNTON, NING beschreibt außerdem den entscheidenden Bereich der Be-/Entlastungskurve bei einer Kontaktkraft nahe null Newton ungenügend genau. Im Rahmen des Forschungsthemas wurde ein elastisch plastisches Kontaktmodell für die Normalenrichtung des Kontaktes entwickelt, das auch für große Abplattungen geeignet ist und das Kontaktverhalten von kleinen rein elastischen Abplattungen bis zu sehr großen elastisch plastischen Abplattungen durchgängig beschreibt. Zyklische Be-/Entlastungsmessungen an Messingkugeln mit einem Durchmesser von 30 mm lassen sich sehr gut mit dem entwickelten Modell beschreiben. Auch der für Simulationsrechnungen wichtige Bereich der Be-/Entlastungskurven nahe einer Kontaktkraft gleich null wird sehr gut wiedergegeben. Das entwickelte elastisch plastische Kontaktmodell für kleine und große Abplattungen ist eine Voraussetzung zur realistischen Simulation kohäsiver feiner Schüttgüter. Weitere Arbeiten sollten auch das Kontaktverhalten der restlichen Kontaktfreiheitsgrade untersuchen, um einen Partikelkontakt vollständig beschreiben zu können. Zur Übertragung dieses Kontaktverhaltens auf das Partikelnetzwerk eines feinkömigen Schüttgutes wird eine neue effiziente Simulationsmethode benötigt, die den Schwerpunkt der Berechnung von der Bewegungsgleichung des Einzelteilchens auf den Einfluss des Kontaktnetzwerkes legt. Die Simulationsmethode muss robust gegenüber dem verwendeten Kontaktmodell sein und sollte alle Freiheitsgrade des Partikelkontaktes berücksichtigen. Um die Simulationsmethode auf feine Pulver mit einer „großen" Anzahl von Teilchen anwenden zu können, muss sie verglichen mit den jetzigen Simulationsmethoden um Größenordnungen kürzere Rechenzeiten benötigen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Einzelkornsimulation und Kontinuumsmechanik. GVC Tagung 1997
Weißgüttel, U.
- Programmsystem zur Einzelkornsimulation des Schüttgutverhaltens. GVC Tagung 1998
Weißgüttel, U.
- Kontaktkraft und Abplattung beim Zusammenpressen kugeliger Teilchen. GVC Tagung 2000.
Weißgüttel, U.
- Das Zusammenpressen von zwei Kugeln im Hinblick auf die Schüttgutsimulation. Schüttgut, 1 (2001)
Weißgüttel, U.
- Kontaktkraft und Abplattung beim Zusammenpressen kugeliger Teilchen. GVC Tagung 2001
Weißgüttel, U.
