Granular Flow Module

Definition von Korneigenschaften und -spezies

Mit dem Granular Flow Module ist es möglich, Korngröße, Dichte, Steifigkeit sowie Stoßzahl und Reibungskoeffizienten anzugeben und Rollwiderstand oder Adhäsionskräfte für feine Pulver einzuführen. Die Kornform wird in 3D als kugelförmig und in 2D als zylindrisch behandelt, wobei Translations- und Rotationsfreiheitsgrade bei jedem Zeitschritt aufgelöst werden. In einem Modell können mehrere Kornspezies definiert werden, entweder als eigenständige Spezies oder aus Größenverteilungen abgeleitet, wodurch es möglich ist, Segregations- und Mischeffekte in polydispersen Systemen zu erfassen. Thermische Eigenschaften wie spezifische Wärmekapazität und Leitfähigkeit können ebenfalls angegeben werden, wenn der Wärmetransport berücksichtigt wird.

Kollisions- und Kontaktmodelle

Das Modul ermöglicht eine detaillierte Steuerung der Wechselwirkungen zwischen Körnern und bietet die Wahl zwischen linearen elastischen, Hertz-Mindlin-Deresiewicz- (Hertz-MD) oder Hertz-MD-Modellen mit Adhäsion. Nichtkontaktkräfte wie Van-der-Waals-Wechselwirkungen können hinzugefügt werden, um die Fernkohäsion zu erfassen. Der Rotationswiderstand kann mit konstanten oder geschwindigkeitsabhängigen Drehmomentoptionen modelliert werden. Sowohl für Korn-Korn- als auch für Korn-Wand-Kollisionen ist es möglich, die Restitutions-, Reibungs- und Dämpfungskoeffizienten anzupassen. Diese Flexibilität ermöglicht ein individuelles Kontaktverhalten für verschiedene Materialtypen, von frei fließenden Pellets bis hin zu kohäsiven Pulvern.

Analyse von Vermischung, Segregation und Packung

Das Granular Flow Module kann verwendet werden, um zu modellieren, wie Partikel nach Größe getrennt, in rotierenden Trommeln oder Bandmischern gemischt und in Betten oder Behältern gefüllt werden, die durch CAD-Geometrien dargestellt werden. Integrierte Auswertungs-Features liefern quantitative Messwerte wie beispielsweise die Koordinationszahl. Darüber hinaus ermöglichen Anpassungsoptionen die Auswertung der Packungsdichte, Porosität und Varianz der Spezieskonzentration, wodurch sowohl mikro- als auch makroskopische Analysen des Massenverhaltens möglich sind. Diese Messungen können zur Bewertung der Mischeffizienz, zur Vorhersage von Trennungsmustern und zur Charakterisierung der strukturellen Eigenschaften von Festbetten verwendet werden. Durch die Kombination detaillierter Partikeldynamik mit der Auswertung statistischer Ergebnisse liefert das Modul wertvolle Kennzahlen für die Prozessoptimierung.

Auswertung und Visualisierung der Ergebnisse

Die Ergebnisse können als Kornpositionen, Trajektorien oder vollständige Partikelbahnen visualisiert werden, mit Optionen zur Farbgebung der Körner nach Geschwindigkeit, Kraft, Freisetzungszeit, Temperatur oder Partikelspezies.

Integrierte Auswertungswerkzeuge, ergänzt durch benutzerdefinierte Methoden, ermöglichen die Berechnung und Visualisierung von Größen wie Massendurchfluss, Wanddruck, Packungsdichte, Porosität und Kollisionshäufigkeit. Sie unterstützen auch statistische Analysen, einschließlich Histogrammen und Durchschnittswerten abgeleiteter Messgrößen wie Koordinationszahl und Konzentrationsvarianz. Animationen veranschaulichen die Dynamik von Entleerung, Ausbreitung, Vermischung und Entmischung, während Kontur- und Felddiagramme Aufschluss über makroskopische Eigenschaften wie Porosität und Spannungsverteilung geben.

Diese Features ermöglichen es, Bewegungen auf Partikelebene und das Gesamtverhalten sowohl qualitativ als auch quantitativ zu interpretieren.

Partikelfreisetzung und Einlass-Features

Körner können von Oberflächen oder aus Volumen zugeführt werden, wobei ihre Ausgangspositionen, Geschwindigkeiten und Abgaberaten vollständig kontrolliert werden können. Zusätzlich zu monodispersen Fällen können Körner aus definierten Verteilungen von Materialeigenschaften und -größen oder ihren Ausgangsbedingungen entnommen werden. Sowohl kontinuierliche Zuflüsse als auch chargenweise Abgaben können simuliert werden, und mehrere Freisetzungs-Features können kombiniert werden, um verschiedene Materialströme darzustellen. Zufallszahlengeneratoren gewährleisten Variabilität in Position, Geschwindigkeit oder Größe, mit Optionen für die Reproduzierbarkeit unter Verwendung fester Startwerte. Diese Optionen ermöglichen es, realistische Zuführbedingungen in Silos, Trichtern, Mischern und Förderbändern nachzubilden.

Wand- und Randinteraktionen

Wenn Partikel mit Wänden kollidieren oder ein Gebiet verlassen, kann ihr Verhalten individuell angepasst werden: Sie können Wände durchdringen oder über Auslassbedingungen vollständig entfernt werden. Für Wände können separate Restitutions- und Reibungskoeffizienten festgelegt werden, und auch bewegliche Ränder wie rotierende Trommeln, Bandmischer oder Vibrationssiebe können modelliert werden. Die Wandkontakteigenschaften können sogar pro Korn-Wand-Paar definiert werden, was die Simulation heterogener Systeme mit unterschiedlichen Wandmaterialien oder Oberflächenbehandlungen ermöglicht.

Wärmetransport zwischen Körnern und Wänden

Zusätzlich zu mechanischen Wechselwirkungen unterstützt das Modul die Modellierung des Wärmetransports zwischen Körnern und umgebenden Wänden oder externen Feldern. Die Korntemperatur wird als zusätzliche Variable berechnet, wobei eine gleichmäßige Temperatur innerhalb jedes Korns angenommen wird. Der Wärmeaustausch umfasst die Wärmeleitung über Kontakte, die Konvektion mit umgebenden Medien und externe Wärmequellen. Die Gültigkeit kann anhand der Biot-Zahl überprüft werden, wodurch sichergestellt wird, dass die Annahme einer gleichmäßigen Korntemperatur für kleine, leitfähige Partikel gilt. Diese Funktionen ermöglichen die Untersuchung temperaturabhängiger Prozesse wie die Pulververteilung in der additiven Fertigung oder die thermische Behandlung von Schüttgütern.

Export und Import von Daten

Das Granular Flow Module bietet eine Reihe von Optionen für den Import und Export von Daten, um sowohl die Modelleinrichtung als auch die Ergebnisanalyse zu unterstützen. Körner können aus tabellarischen Datendateien initialisiert werden, die Partikelpositionen und -geschwindigkeiten definieren, mit Optionen für Skalierung, Translation und Rotation. Anfangsverteilungen können auch aus strukturierten Gittern importiert oder automatisch in CAD-definierten Gebieten platziert werden, um realistische Packungs- oder Zuführungsbedingungen zu erzielen.

Nach Durchführung einer Simulation bieten die Ergebnisdatensätze Zugriff auf vollständige Partikelverläufe, einschließlich Positionen, Geschwindigkeiten, Radien und abgeleiteten Größen wie Porosität, Packungsdichte oder Kollisionsstatistiken. Verarbeitete Ergebnisse wie Massenströme und Wanddrücke sowie Visualisierungen wie Trajektorien, Farbfelder und Histogramme können als Bilder, Animationen oder rohe numerische Daten exportiert werden, um sie in Tools von Drittanbietern weiterzuverwenden.