Die Diskrete-Elemente-Methode

Wie funktioniert DEM?

Das grundlegende Funktionsprinzip jedes DEM-Codes besteht darin, Partikelkollisionen zu erkennen und die Kontaktkraft zu berechnen. Dies wird mit der Soft-Sphere-Methode erreicht, bei der die Partikel starr sind und jede Deformation beim Kontakt als Überlappung modelliert wird. Die DEM verfolgt methodisch jedes Partikel in der Domäne und erleichtert die Vorhersage der Position jedes Partikels im nächsten zeitlichen Schritt.

Bedeutung der Partikelform für die DEM

Der Partikelfluss kann durch die Form der Partikel erheblich beeinflusst werden. Während Kugeln eine einfache Kontakterfassung und einen einzigen Kontaktpunkt ermöglichen, sind sie in der realen Welt nicht häufig anzutreffen. Daher ist es wichtig, andere Formen zu modellieren, eine Funktion, die von Tools wie Ansys Rocky bereitgestellt wird.

Reale Partikelformen, wie z. B. Polyeder, variieren in ihrer Dichte, den linearen und rotatorischen Transportmodi, der Ausdehnung bei Scherung und Verzahnung sowie der Festigkeit der Werkstoffe. Die Modellierung realer Partikelformen kann jedoch aufgrund der Anforderungen an die Kontakterkennung und Überlappung die Berechnungsanforderungen erhöhen.

Rolle der GPU-Verarbeitung und grobkörnigen Modellierung in der DEM-Simulation

Die GPU-Verarbeitung ist ein wichtiger Aspekt der DEM-Simulation. Da die DEM jedes Partikel in jedem Zeitschritt verfolgt, kann die GPU-Verarbeitung diesen Prozess erheblich beschleunigen, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen.

In Fällen mit einer überwältigend großen Anzahl von Partikeln kann die grobkörnige Modellierung eingesetzt werden. Bei diesem Ansatz wird die Gesamtzahl der Partikel reduziert, indem größere Partikel zur Darstellung einer Gruppe kleinerer Partikel verwendet werden, was die Berechnungseffizienz erhöht.

Fortschrittliche DEM-Verfahren: Kopplung mit CFD und SPH

Zur Berücksichtigung von Fluidkräften und -strömungen auf Partikeln kann die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) effektiv mit DEM gekoppelt werden. Diese Methode kann mit netzbasierten Ansätzen und jeder Partikelform verwendet werden.

Eine Technik, die zunehmend in der Hydrodynamik eingesetzt wird, ist die Kopplung der geglätteten Partikelhydrodynamik (Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH) mit der DEM. Dieser Ansatz zeichnet sich durch die Erfassung komplexer Strömungen an freien Oberflächen ohne Diffusionsfehler aus und ist besonders geeignet, wenn Spritzwasser oder Oberflächenfragmentierung auftreten. Die SPH-DEM-Methode verwendet einen netzlosen Lagrange-Ansatz, um die Strömungsdynamik zu erfassen, indem sie in einen Satz von Flüssigkeitselementen diskretisiert wird. Anschließend werden die Partikel mithilfe einer Kernel-Funktion interpoliert, um gleichmäßige Felder für lokale Variablen zu berechnen.

Anwendungsbereiche der Diskrete-Elemente-Methode: Ansys Rocky

Ansys Rocky bietet Technikern aus dem gesamten Spektrum der Schüttgutbranche eine einzigartige Plattform für die rechnerische Analyse ihrer Prozesse durch Abbildung des dynamischen Zusammenspiels von Prozess-, Werkstoff- und Geometrievariablen.

Um einen besseren Einblick zu erhalten, ermöglicht Rocky eine Reihe von fortschrittlichen physikalischen Modellen, darunter:

• Multiphysik-Modelle: Rocky ist vollständig in Ansys integriert und ermöglicht eine moderne Kopplung mit den Paketen numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD), Finite-Elemente-Methode (FEM) und Lattice-Boltzmann-Methode (LBM), um mehrphasige Mehrkomponentenströmungen genau zu simulieren.

• Komplexe Partikelformen: Individuelle 3D- und 2D-Partikel für eine realistische Darstellung von Partikeln, einschließlich Fasern mit hohem Aspektverhältnis, die starr oder flexibel gestaltet werden können.

• Komplexe Bewegung: Komplexe Bewegungen können auf einfache Weise spezifiziert werden. Freikörperbewegungen mit 6 Freiheitsgraden können auch innerhalb von Rocky spezifiziert werden, sodass keine externe MBD-Software (MultiBody Dynamics) erforderlich ist.

• Bruchschaden-Modell: Bewährte Modelle für Partikelbruch, wie ABT10 und Tavares-Modelle, sind enthalten.