Diskrete Elemente Methode
Zahlreichen industriellen Prozessen liegen Feststoffströmungen oder sehr dichte Gas-Feststoffströmungen zugrunde. Beispiele für solche bewegten Schüttgüter aus der Energieverfahrenstechnik sind das Bettmaterial in Wirbelschichtfeuerungen oder Feststoffe, die in Drehrohren oder auf Rostsystemen thermisch behandelt oder verbrannt werden (Holzschnitzel, Pellets aus der Abfallaufbereitung). Die theoretische Beschreibung solcher granularer Medien befindet sich erst am Anfang der Entwicklung.
Am Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik (LEAT) der Ruhr-Universität Bochum wurde in den letzten Jahren ein Diskrete Elemente Code (DEM-Code) entwickelt, der das reale Verhalten von bewegten Schüttgütern durch die Einzelbetrachtung eines jeden Partikels der Schüttung simuliert und die Berechnung für zwei- und dreidimensionale Anwendungen ermöglicht. Der entwickelte DEM-Code kann neben der mechanischen Simulation der Partikelbewegung auch eine beliebige Bewegung umschließender Wände vollziehen. Diese Möglichkeit ist für viele industrielle Anwendungen unabdingbar, da die Bewegung granularer Medien häufig durch bewegte Wänden induziert wird. Das vorhandene Modell ist vollständig parallelisiert, dadurch können realitätsnahe Berechnungen mit mehr als 10 Millionen Einzelpartikeln auf Parallelrechnern und Workstation-Clustern durchgeführt werden.
Die Diskrete Elemente Methode basiert darauf, jedes einzelne Partikel eines Partikelsystem und seine Wechselwirkung mit der Umgebung über die Zeit kontinuierlich zu verfolgen. Damit ist es möglich, Informationen über die Position, die translatorische und rotatorische Geschwindigkeit sowie die angreifenden Kräfte zeitaufgelöst für jedes einzelne Partikel zu ermitteln. Die genannten Größen werden durch Integration der Newton'schen Bewegungsgleichungen gewonnen. Dabei ist es notwendig , Modelle für die Kräfte, die zwischen einem Partikel und seiner Umgebung wirken, aufzustellen. Generell ist es möglich, diese Kräfte direkt aus den Verformungen zu bestimmen, die ein Partikel während des Kontaktes erfährt. Die Schwierigkeit eines solchen Ansatzes liegt darin begründet, dass es sehr kompliziert ist, entsprechende allgemeine Modelle zu finden, die dann ebenfalls numerisch gelöst werden müssten. Ein solcher Ansatz ist allein aus Gründen der Rechenzeit zu verwerfen. Als Alternative wählt man deshalb den Ansatz, die Kontaktkräfte aus einer virtuellen Überlappung anstatt aus der Deformation der Partikel zu berechnen.
Diese Kräfte können in normaler und tangentialer Richtung entkoppelt werden, so dass beide Richtungen getrennt behandelt und unabhängig voneinander numerisch gelöst werden können.
Durch diese detaillierte Betrachtung des Gesamtsystems mit seinen mechanischen Interaktionen ergibt sich das charakteristische Gesamtverhalten. Erst dadurch können Phänomene wie Segregation, die Entstehung von Kraftketten oder aber auch instationäre Aufheizvorgänge simuliert werden. Zugleich sind zusätzliche Informationen wie lokale Lasten in Silos und Transportsystemen zugänglich, die experimentell nur sehr schwer zu bestimmen sind.
Beispiel einer zweidimensionalen Berechnung eines Vorschubrostes mit DEM