Gekoppelte Partikelsimulation

Gitterfreie Partikelsimulationen bieten gegenüber den gitterbasierten Verfahren auf Basis von Finiten Elementen oder Finiten Volumen in vielen Anwendungsbereichen deutliche Vorteile. Sie sind eine Alternative und eine Ergänzung. Dies gilt zum Beispiel für die Untersuchung granularer Materialen, ihren Transport in Strömungsmedien oder ihre Interaktion mit Strukturen oder Bauteilen.

Aus Anwendersicht ist es von besonderem Interesse gitterlose Partikelcodes mit gitterbasierten Codes zu verknüpfen, um die jeweiligen Stärken beider Methoden für eine Anwendung nutzbar zu machen. Wir stellen mit unseren Entwicklungen diese Verknüpfung her.

Zur Klasse der Partikelcodes gehören dabei einerseits die DEM-Codes (DEM = 3D Diskrete Element Methode) und andererseits die SPH-Codes (SPH = 3D Smooth Particle Hydrodynamics).

Die Kopplung von DEM mit Strukturmechanik (Finite Elemente) ist besonders reizvoll zur Modellierung des Kontakts von granularer Materie mit nachgiebigen Körpern. Die Kopplung findet an der Oberfläche eines Körpers statt, der im Kontakt mit der granularen Materie steht. Die Knoten des Oberflächennetzes sind sowohl dem DEM- als auch dem FEA-Programm bekannt. Im einfachsten Fall nutzen beide Programme denselben Integrationszeitschritt.

Das DEM-Programm sendet die bei der Repulsion entstehenden Kontakt-, Kohäsions- und Reibungskräfte als Knotenkräfte an das FEA-Programm, welches Verschiebungen und Geschwindigkeiten in den Knoten ermittelt und an das DEM Programm zurücksendet. Die Verschiebungen beeinflussen die im Kontakt befindliche granulare Materie, wodurch wiederum Änderungen in den Knotenkräften entstehen.

Die Kopplung zwischen SPH-Codes und Strukturmechanik entspricht einer klassischen Fluid-Struktur-Interaktion (FSI), jedoch unterliegt der netzfreie SPH-Code nicht den Einschränkungen gitterbasierter Strömungscodes.

Fraunhofer SCAI bietet bereits die Kopplung zu namhaften kommerziellen Struktur-Codes wie DS/Simulia (ehemals Abaqus), Ansys, MD.Nastran, MSC/Marc., ebenso wie zu Open-Source-Codes wie CalculiX oder Elmer. Ein SPH oder DEM Code kann mit jedem dieser Struktur-Codes bereits in einer Co-Simulation zusammenarbeiten.

An einer (Volumen-)Kopplung mit CFD-Codes, um in hochkonzentrierten Suspensionen die Partikelkollektive mit Hilfe von DEM zu modellieren, beispielsweise Sedimentationsprozesse, wird aktuell gearbeitet.

Auf der SHP- und DEM Seite wird derzeit bei SCAI der Code SimPARTIX^® von Fraunhofer IWM eingesetzt.

Bei Interesse an einer Co-Simulation mit den im industriellen Umfeld eingesetzten Partikelcodes wie Itasca PFC3D, EDEM, Rocky-Dem, Newton etc., sind wir bei Anbindung der Codes an die bestehende Softwareplattform gerne behilflich. Das gilt in gleicher Weise für eventuell eingesetzte SPH oder DEM Inhouse-Codes.

Das Fraunhofer SCAI verfügt über eine hervorragende Rechner-Infrastruktur, um die rechenintensiven Partikelsimulationen zügig durchzuführen. Für bereits vorliegende kalibrierte Partikelmodelle bieten wir die Partikelsimulation in Form von Auftragsrechnungen ebenso als Dienstleitung an.