Untersuchungen auf verschiedenen Skalen zur erforderlichen Genauigkeit bei der Modellierung komplex geformter Partikel innerhalb der Diskreten Elemente Methode
Final Report Abstract
Im Rahmen des geförderten Projektes wurde der Einfluss des Parameters „Partikelgeometrie“ auf das mechanische Verhalten von Partikelschüttungen anhand verschiedener Versuchsanordnungen sowohl auf experimentellem als auch auf numerischem Wege untersucht. Neben dem Einfluss auf das Ausflussverhalten aus einem Silo, wurde auch der Einfluss der Partikelgeometrie auf die Ausbildung von Schüttwinkeln und das generelle Mischungsverhalten in einem Drehrohr belegt. Dabei wurde festgestellt, dass mit zunehmend von der Kugelform abweichenden Partikelgeometrien die Ausbildung von Kraftketten innerhalb der Partikelschüttung ansteigt. Dies sorgt unter anderem für ein unregelmäßiges und verlangsamtes Ausflussverhalten aus einem Silo sowie für einen größeren dynamischen Schüttwinkel in einem Drehrohr. Über einen Vergleich zwischen experimentellen und numerischen Ergebnissen wurde die Eignung der DEM zur Abbildung komplexer Partikelgeometrien belegt und weiterführend untersucht. Dabei wurde der Einfluss der Approximationsmethode zur Abbildung komplexer Partikelgeometrien innerhalb der DEM aufgezeigt und analysiert. Partikelapproximationen mit scharfkantigen Oberflächenstrukturen führen zu einem zusätzlichen Anstieg der angesprochenen Ausbildung von Kraftketten innerhalb der Partikelschüttung. Die durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen innerhalb dieses Projektes haben zu einer verbesserten Kenntnis hinsichtlich des Einflusses der Partikelgeometrie auf das mechanische Verhalten von Partikelsystemen geführt. Der in der Literatur bisher kaum adressierte Aspekt der benötigten Detailtreue bei der Approximation der Realkörper wurde hier erstmalig näher betrachtet. Dabei wurden insbesondere Unterschiede bei der Verwendung verschiedener Verfahren zur Partikelapproximation aufgezeigt. Basierend auf den hier gefundenen Ergebnissen sind neben der Partikelgeometrie auch die Approximationsgenauigkeit sowie das Approximationsverfahren als wesentliche Randbedingungen einer DEM-Simulation aufzufassen. Ähnlich wie bei der Wahl geeigneter Stoßparameter und Kraftmodelle muss auch diesen Randbedingungen bei der numerischen Untersuchung von Partikelsystemen mit Hilfe der DEM Aufmerksamkeit geschenkt werden. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse wird es in zukünftigen DEM-Simulationen möglich sein ein realistischeres, mechanisches Partikelverhalten einzustellen sowie dieses Verhalten und seine Einflussfaktoren besser einzuordnen. Aufbauend auf den in diesem Projekt durchgeführten Arbeiten und Erkenntnissen wird derzeit am Lehrstuhl untersucht innerhalb welcher Größenskalen die hier beschriebenen Geometrieeffekte relevant sind. Es ist davon auszugehen, dass sich mit abnehmendem Verhältnis von Partikelgröße zu den charakteristischen Größen des Gesamtsystems (z.B. Auslassöffnung eines Silos, Drehrohrdurchmesser), Partikelschüttungen zunehmend wie ein Fluid verhalten und eine exakte Auflösung der Partikelgeometrie an Bedeutung verliert. Eine detaillierte Untersuchung wann dies eintritt und wie dieser Sachverhalt in numerischen Simulationen berücksichtigt werden kann, ist bisher in der Fachliteratur noch nicht beschrieben worden. Des Weiteren wurde im Rahmen dieses Projektes der Schwerpunkt auf die Einflüsse des Parameters „Partikelgeometrie“ auf die mechanische Interaktion gelegt, wohingegen Einflüsse auf thermodynamische Prozesse, wie z.B. Wärmeleitung, Trocknung und Abbrandverhalten nicht thematisiert wurden. Dies ist jedoch für eine umfassende Beurteilung dieses Parameters erforderlich und stellt damit einen nächsten logischen Schritt für weiterführende Arbeiten dar.
Publications
- Comparison of the multi-sphere and polyhedral approach to simulate non-spherical particles within the discrete element method: Influence on temporal force evolution for multiple contacts, Powder Technology 208 (2011) 643-656
D. Höhner, S. Wirtz, H. Kruggel-Emden, V. Scherer
- A numerical study on the influence of particle shape on hopper discharge within the polyhedral and multi-sphere discrete element method, Powder Technology 226 (2012) 16-28
D. Höhner, S. Wirtz, V. Scherer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2012.03.041) - Experimental and numerical investigation on the discharge of wood pellets from a hopper with the discrete element method, ASME 2012 International Engineering Congress & Exposition, Houston, 09.-15. November 2012
D. Höhner, S. Wirtz, V. Scherer
- Experimental and numerical investigation on the influence of particle shape and shape approximation on hopper discharge using the discrete element method, Powder Technology, Powder Technology 235 (2013) 614-627
D. Höhner, S. Wirtz, V. Scherer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2012.11.004)
