MOTRAN - Modellierung transienter granularer Strömungen
Horizon Europe - Excellent Science - ERC Advanced Grant (AdG):
MOdelling of Transient gRANular flows (MOTRAN)
Modellierung transienter granularer Strömungen
Granulatförmige Materialien sind in unserem täglichen Leben allgegenwärtig. Das gleiche körnige Material kann sich wie ein Feststoff und eine Flüssigkeit verhalten, was eine gewaltige Herausforderung für die Stoffmodelle und numerischen Methoden darstellt. Konstitutive Modelle für das feststoff- und flüssigkeitsähnliche Verhalten wurden traditionell für die jeweiligen Strömungsregime in verschiedenen ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen entwickelt, die kaum Schnittmengen aufweisen. Ein einziges konstitutives Modell, das in der Lage ist, das transiente Verhalten bei Phasenübergängen sowohl im feststoffähnlichen als auch im flüssigkeitsähnlichen Bereich zu beschreiben, ist eine anspruchsvolle Aufgabe mit enormem Anwendungspotenzial. MOTRAN stellt sich dieser Herausforderung mit einem einfachen, aber genialen Ansatz, indem es die Spannungsrate in einen Reibungs- und einen Kollisionsanteil zerlegt. Durch die Übernahme unseres hypoplastischen Modells für den Reibungsteil und einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit für den Kollisionsteil führt dieser Ansatz zu einem unkonventionellen konstitutiven Modell mit einer Dehnungsrate 2. Ordnung ähnlich der Bewegungsbeschleunigung, das als hervorragender Klassifikator für stetige und stabile Strömungen dient. Dieses konstitutive Modell wird dann um eine Längenskala im mikropolaren Kontinuum für die Multiskalenanalyse erweitert. Basierend auf der Mischungstheorie werden die Feldgleichungen erstmals in Ratenform aufgestellt und durch ein mehrschichtiges SPH-Modell diskretisiert. Für eine polydisperse Granulatströmung mit einzelnen großen Partikeln wird das SPH-Modell mit einem eigens entwickelten Surface Mesh Represented DEM gekoppelt, um Partikel beliebiger Form zu simulieren. Es werden fortschrittliche Lösungstechniken entwickelt, die auf Multi-GPU-Beschleunigung basieren, um groß angelegte Probleme mit hoher Wiedergabetreue zu simulieren. Das konstitutive Modell wird durch Laborexperimente an natürlichen körnigen Materialien und deren transparentem Ersatz kalibriert. Das numerische Modell wird durch skalierte Modelltests unter erhöhter Beschleunigung in der Zentrifuge sowie durch reale Fälle unserer Datenbank validiert. MOTRAN ist ein spannendes Unterfangen mit dem Potenzial, ein neues Paradigma herbeizuführen, das die Art und Weise, wie transiente granulare Strömungen modelliert werden sollen, revolutionieren wird.