Fest-Flüssig Übergänge in Schüttgütern
Solid-Fluid Transitions in Wet Granular Material
von Seyed Habibollah Ebrahimnazhad Rahbari
Datum der mündl. Prüfung:2009-05-29
Erschienen:2009-08-04
Betreuer:Prof. Dr. Stephan Herminghaus
Gutachter:Prof. Dr. Michael Müller
Gutachter:
Gutachter:Prof. Dr. Vollmer Jürgen
Zum Verlinken/Zitieren:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2904
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Description:Dissertation
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Zusammenfassung
Englisch
In this thesis, the stability and the dynamics of wet granular materials under shear are explored. Inspired by the Green"s function approach, a theoretical model for yielding of a wet pile on an inclined plane is presented. It enables one to predict the critical inclination angle at which the pile fluidizes. The theory is based on the balance of forces acting on each particle at the vicinity of the fluidization and has two major consequences. First, the theory shows that yielding of a wet pile does depend on the gravitational acceleration, whereas a dry pile fluidizes for any arbitrary small non-zero gravitational acceleration when the inclination angle exceeds a certain value depending on the geometry. Second, the theory shows that a wet pile yields in the bottom layer where the pile touches a non-slip boundary. There is excellent agreement between the theory and extensive MD-type simulations where one calculates forces between each individual pair of particles. The dynamics of driven wet particles is studied in two different ways. First, we explore dynamics of wet particles in a channel driven by gravity. Second, we apply a spatially sinusoidal driving force. In both cases we find discontinuous hysteretic solid-fluid transitions, i.e. solid-to-fluid and fluid-to-solid transitions and encountered at different forcing of the system. We calculate phase diagrams separating solid and fluid states and thresholds for the solid-to-fluid and the fluid-to-solid transitions. Beside that, we study the spatial and temporal distributions of drift velocity, granular temperature, area fraction, stress tensor, interparticle force etc.
Keywords: Phase transitions; wet granular matter; computer simulations
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In dieser Arbeit wird die Stabilität und Dynamik feuchter granularer Medien unter der Einwirkung von Scherkräften untersucht. In Anlehung an den Greenschen Formalismums wird ein theoretisches Model für das Brechen und Abrutschen eines feuchten granularen Haufens auf einer geneigten Ebene vorgestellt. Dieses Model erlaubt eine Vorhersage des kritischen Neigungswinkels, also des Winkels, an dem das Material zu rutschen beginnt. Die Theorie beruht auf dem Gleichgewicht der Kräfte in der Nähe des Fluidisierungspunktes und hat zwei weitreichende Folgen: Zunächst zeigt die Theorie, dass das Nachgeben des granularen Haufens von der Grösse der Erdschleunigung abhängt. Ein trockener Haufen hingegen fluidisiert im verwendeten Model bei jeder noch so kleinen Normalbeschleunigung, sobald der Neigungswinkel einen bestimmten Wert überschritten hat. Desweiteren zeigt die Theorie, dass der granulare Haufen in der Höhe der Auflage nachgibt, sofern dort eine Randbedingung ohne Schlupf angenommen wird. Die theoretischen Vorhersagen werden im Detail von MD Simulationen bestätigt, die auf der Berechnung der individuellen Kräfte zwischen benachbarten Teilchen beruhen. Das dynamische Verhalten von feuchten Granulaten, die durch äussere Kräfte angetrieben werden, wird anhand von zwei Modelsystemen untersucht. Auf der einen Seite wird die Dynamik eines feuchten Granulats in einem Kanal unter der Einwirkung der Schwerkraft betrachtet. Auf der anderen Seite wird der granular Haufen einer räumlich sinusförming variierenden externen Kraft unterworfen. In beiden Fällen findet man einen unstetigen und hysteretischen dynamischen übergang, d.h die Grösse der äusseren Kräfte, bei dem das System von einem fluidisierten in einen festen Zustand bzw. von einem festen in einen fluidisierten Zustand übergeht, sind nicht identisch. Der Übergang zwischen beiden dynamischen Zuständen des Systems wird anhand von Phasendiagrammen veranschaulicht werden. Desweiteren werden die zeitlichen und räumlichen Verteilung einer Reihe physikalischer Grössen, wie z.B. der Driftgeschwindigkeit des Granulats, der granularen Temperatur, der Dichte, der mechanischen Spannungen sowie der Kräfte zischen den Teilchen des Granulats, betrachtet.
Schlagwörter: Fest-Flüssig Übergänge; Schüttgütern; computer simulation