Shear Bands in Granular Materials: Formation and Persistence at Smooth Walls

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Scherbänder in granularer Materie: Entstehung und Stabilität an glatten Wänden

Diese Arbeit behandelt die numerische Untersuchung der Rheologie und Schereigenschaften granularer Materie aus runden Teilchen. Neben den vielfältigen experimentellen und theoretischen Arbeiten, die sich mit dieser Materie beschäftigen, gibt es unterschiedliche Simulationsmethoden mit denen das Fließverhalten, die Kompaktierung und andere Eigenschaften granularer Materie untersucht werden. In dieser Arbeit wurde die Kontakt-Dynamik-Methode (CD) zur Untersuchung eines zweidimensionalen Systems aus granularer Materie angewandt. Die Teilchen sind starre Scheiben und die einzigen Kontaktkräfte zwischen diesen sind die Coulombsche Reibungskraft parallel und Volumenausschluss-Kräfte senkrecht zur Kontaktfläche. Die Teilchen befinden sich in einem System mit planarer Geometrie, das von oben und unten durch zwei parallele Wände begrenzt ist. Der Druck und die Schergeschwindigkeit sind in jeder Simulation fest vorgegeben und bleiben während der gesamten Simulation konstant. In dieser Arbeit werden, im Gegensatz zu vielen aktuellen Untersuchungen, absolut glatte, mit Reibung versehene Wände zur Scherung benutzt. Diese führen zu sehr inhomogenen Scherraten im System mit deutlicher Scherlokalisierung an den Wänden, die durch den Schlupf an diesen verursacht wird. Drei unterschiedliche Scherregime werden hierbei beobachtet. Jedes dieser Regime gehört zu einem wohldefinierten Intervall der Schergeschwindigkeit, das hauptsächlich von der Systemgröße unabhängig ist. Sowohl die Eigenschaften dieser drei Regime als auch die beiden Übergänge zwischen Ihnen werden detailliert in Kapitel 6 behandelt. In Kapitel 7 werden die konstitutiven Gesetze separat im Bulk und in den Grenzgebieten zu den Wänden hergeleitet. Anhand dieser konstitutiven Gesetze und ergänzender elementarer Stabilitätsanalysen wird das Vorkommen beider Übergänge, sowie charakteristische Transientenzeiten vorausberechnet. In Kapitel 8 wird eine kritische Mindestgröße des Reibungskoeffizienten an glatten Wänden festgestellt, die das Scheren ermöglicht. Bei diesem kritischen Reibungskoeffizienten wird ein besonderes Verhalten des Systems im quasistatischen Regime beobachtet, über welches zuvor noch nicht in der Literatur berichtet worden ist. In Kapitel 9 wird über eine erfolgreiche Parallelisierung der CD berichtet. Diese ermöglicht Simulationen in größeren Systemen, eher vergleichbar zur realen Systemen, die ebenso für die ``Finite-Size-Analyse'' notwendig sind.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Physik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beitragende:
Prof. Dr. rer. nat. Wolf, Dietrich E. [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. Luding, Stefan [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Englisch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
08.06.2012
Promotionsantrag am:
21.02.2012
Dateien geändert am:
20.06.2012
Medientyp:
Text