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Granulare Materialien, deren prominentester Vertreter Sand ist, sind in sehr vielen Forschungsbereichen von Bedeutung. Ihr besonderen Eigenschaften machen sie sowohl für die industrielle Anwendung bedeutsam, als auch als Arbeitsgebiet in der Grundlagenforschung. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Untersuchung von Granulaten. Die Größenskala typischer granularer Teilchen beginnt im Mikrometer -Bereich für feine Stäube. Die oberen Grenze liegt etwa im Bereich von einigen Kilometern Teilchendurchmesser für die Felsbrocken in den Ringen des Saturn. Obwohl man im allgemeinen bei Granulaten immer an große Zahlen von Partikeln denkt, so ist dies nicht notwendig, um interessante Systeme zu erhalten. Schon die Untersuchung der Dynamik eines einzelnen Teilchens in Kontakt mit einer Wand kann interessante Erkenntnisse liefern. Einige Dutzend Murmeln in einer Petrischale zeigen schon neuartige Verhaltensweisen wie die sog. Reptationsbewegung. Zur Untersuchung komplexerer Systeme mit Hilfe einer Computersimulation ist es notwendig, hinreichend große Teilchenzahlen berechnen zu können. Hier ist es dann sinnvoll, durch die Implementierung optimierter Algorithmen die vorhandene Rechenzeit besser zu nutzen. Von besonderer Bedeutung ist auch die Form der Teilchen in einem granularen Medium. Runde, glatte Dragees in einer Pharmafirma haben sicher andere Eigenschaften als die rauen Erzbrocken im Bergbau. Deswegen wurde in dem für diese Arbeit erstellten Simulationsprogramm auch die Gestalt der Teilchen mit berücksichtigt. Ein noch komplizierteres Verhalten kann entstehen, wenn Granulate noch mit Flüssigkeiten oder Gasen wechselwirken.  Ebenso hat die Form der Wechselwirkung zwischen zwei Partikeln einen Einfluss auf das Verhalten des Gesamtsystems. Kommt zur Kraft aufgrund von Kollisionen noch eine weitere anziehende Kraft hinzu, kann man den Einfluss von Kohäsion untersuchen. Die Arbeit gliedert sich folgendermaßen: zuerst wird im Kapitel 1 auf diejenigen grundlegenden Eigenschaften von Granulaten eingegangen, die für die untersuchten Systeme von Bedeutung sind. Im darauf folgenden Kapitel 2 werden die verwendeten Simulationsmethoden vorgestellt und erläutert.  Dies umfasst die physikalische Modellierung der Kontakte, die Auswertung der Simulationsergebnisse, den Test der Numerik und die verwendeten Strategien, um die Simulation in akzeptabler Zeit durchzuführen. Die beiden folgenden Abschnitte befassen sich dann mit der Untersuchung zweier verschiedener Systeme. Kapitel 3 beschäftigt sich mit Schüttgutsäulen; hier wird eine Erweiterung der klassischen Theorie von Janssen vorgestellt und mit Simulationen verglichen. Im Kapitel 4 werden dann Simulationsergebnisse beschrieben, die einen Einblick in Sandhaufen ermöglichen. Es werden für die Theorien interessante Größen untersucht. Ebenso wird versucht, den Blick auf eine bisher nicht berücksichtigte Größe, die lokale Dichte, zu lenken. Abschließend werden die Ergebnisse der Arbeit nochmals zusammengefasst und im Hinblick auf zukünftige Entwicklungen bewertet.

Autoren
Alexander Schinner
Journal
Dissertaion
Veröffentlichungsdatum
25.10.2000

Sprache

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