Details

Autor(en) / Beteiligte

• Gräßer, Melanie
• Schmid, Hans-Joachim[Akademischer Betreuer]
• Butt, Hans-Jürgen[Akademischer Betreuer]

Titel

Numerical Computation of Capillary Bridges between Directly Resolved Rough Interfaces : = Numerische Simulation von Kapillarbrücken zwischen direkt aufgelösten rauen Oberflächen

Ort / Verlag

Paderborn

Erscheinungsjahr

2023

Verknüpfte Titel

Beschreibungen/Notizen

• Tag der Verteidigung: 24.03.2023
• ger: Es wird eine neue Methode zur Berechnung von Kapillarkräften zwischen direkt aufgelösten rauen Oberflächen entwickelt. Hierfür wird die freie Energie des Systems unter den Nebenbedingungen eines konstanten Volumens und der vorgegebenen Festkörperoberflächen numerisch minimiert. Die grundsätzliche Eignung der Metho- de wird durch einen Vergleich mit Lösungen aus der Literatur gezeigt. Die Analyse von Kapillarbrücken zwischen rauen Oberflächen erfordert einen statistischen Ansatz, da die mittlere Rauheit durch eine unendliche Anzahl von Oberflächen realisiert werden kann. Es zeigt sich, dass der Mittelwert der Kapillarkraft mit guter Genauigkeit berechnet wird, wohingegen die statistische Unsicherheit der Standardabweichung nicht zufriedenstellend ist. Simulationen von Kapillarbrücken zwischen einer rauen Kugel und einer glatten Wand zeigen komplexe, nichtlineare Zusammenhänge zwi- schen der Kraftverteilung und den klassischen Parametern Volumen, Spaltabstand und Kontaktwinkel. Im Gegensatz dazu wird sowohl für das Kugel-Wand-System als auch für Kugel-Kugel-Systeme ein linearer Zusammenhang zwischen der Standardabweichung und der mittleren Rauheit beobachtet, sofern eine der beiden Oberflächen glatt ist oder beide die gleiche Rauheit aufweisen. Abschließend werden die Ergebnisse in Hinblick auf ihre Anwendbarkeit innerhalb einer mehrskaligen DEM bewertet.
• eng: A novel method to compute capillary forces between directly resolved rough interfaces is presented. In particular, the free energy of the considered system is numerically minimized constrained to a predefined volume and given solid boundary. A good agreement between the novel algorithm and well known solutions for smooth interfaces is demonstrated. The investigation of rough interfaces requires a statistical approach since the integral root mean square roughness (RMS) exhibits an infinite number of realizations. It turns out that the accuracy of the mean capillary force is sufficiently good, whereas the statistical uncertainty of the standard deviation is dissatisfying. The application of the novel method to capillary bridges between a rough sphere and a smooth plate reveals complex and highly non-linear dependencies between the force distribution and the classical parameters, i.e., volume, gap distance and contact angle. In contrast, the relation between the standard deviation and the RMS is observed to be linear which is also pointed out for sphere-sphere systems, provided that one interface is smooth or both interfaces exhibit the same roughness. Finally, the results are discussed with respect to their application within a multi-scale DEM.