Les matériaux granulaires se composent de grains solides et d’un constituant remplissant les pores, tel qu'un fluide ou une matrice solide. Les grains interagissent au travers de répulsions élastiques, auxquelles s’ajoutent des mécanismes de friction, d’adhérence et d'autres forces surfaciques. La sollicitation externe conduit à la déformation des grains ainsi qu’à des réarrangements de particules. Les déformations des milieux granulaires sont d'une importance capitale dans de nombreuses applications industrielles et dans la recherche, comme par exemple dans la métallurgie des poutres ou en mécanique des sols. La réponse des matériaux granulaires sous chargement externe est complexe, en particulier lorsqu’une rupture se produit: le mode de rupture peut être diffus ou localisé, et l’aspect de peut varier drastiquement lorsque celui-ci ne peut plus soutenir la charge externe. Dans le cadre de cette thèse, une analyse numérique basée sur une méthode des éléments discrets est réalisée pour étudier les comportements macroscopique et microscopique des matériaux granulaires à la rupture. Ces simulations numériques prennent en compte le critère du travail du second ordre afin de prédire la rupture. De plus il est montré que l’annulation du travail du second ordre coïncide avec la transition d’un régime statique vers un régime dynamique. Ensuite, le comportement matériaux granulaires est analysé à l’échelle micro-structurelle. L’évolution des chaines des forces et des cycles des grains est étudiée durant le processus de déformation jusqu’à la rupture. Le travail du second ordre est également pris en compte pour examiner l'aspect local qui régit la rupture à l’échelle locale. L'effondrement de l'échantillon discret quand il passe du régime quasi-statique vers le régime dynamique est accompagné d'une bouffée d'énergie cinétique. Cette augmentation de l'énergie cinétique est générée lorsque la contrainte interne ne permet pas d'équilibrer la force externe sous l’action d’une petite perturbation, ce qui entraîne une différence entre les travaux du second ordre interne et externe du système. Les mésostructures démontrent une relation symbiotique entre elles, et leur évolution gouverne le comportement macroscopique du système discret. La distribution de l'effondrement des chaînes de forces est parfaitement corrélée avec l’annulation du travail du second ordre à l'échelle de particules. Les mésostructures jouent un rôle important dans l'instabilité des milieux granulaires. Le travail du second ordre peut être utilisé comme un critère pertinent et robuste pour détecter l'instabilité du système que ce soit à l'échelle macroscopique ou microscopique (échelle de particule) / Granular materials consist of dense pack of solid grains and a pore-filling element such as a fluid or a solid matrix. The grains interact via elastic repulsion, friction, adhesion and other surface forces. External loading leads to grain deformations as well as cooperative particle rearrangements. The particle deformations are of particular importance in many industry applications and research subjects, such as powder metallurgy and soil mechanics. The response of granular materials to external loading is complex, especially in case when failure occurs: the mode of the failure can be diffuse or localized, and the development of specimen pattern can be drastically different when the specimen can no longer sustain external loading. In this thesis, a thorough numerical analysis based on a discrete element method is carried out to investigate the macroscopic and microscopic behavior of granular materials when a failure occurs. The numerical simulations include the vanishing of the second-order work instability criterion to detect failure. Furthermore, it is proved that the vanishing of second-order work coincides with the change from a quasi-static regime to a dynamic regime in the response of the specimen. Then, microstructure evolution is investigated. Evolution of force-chains and grain-loops are investigated during the deformation process until reaching the failure. The second-order work is once again taken into account to elucidate the local aspect that governs the failure, taking place at the particle scale. The collapse of the discrete specimen when it turns from quasi-static to dynamic regime is accompanied with a burst in kinetic energy. This rise of kinetic energy occurs when the internal stress cannot balance with the external loading when a small perturbation is added to the boundary, resulting in a difference between the internal and external second-order works of the system. The mesostructures have a symbiosis relationship with each other and their evolution decides the macroscopic behavior of the discrete system. The distribution of the collapse of force-chain correlates with the vanishing of the second-order work at the grain scale. The mesostructures play an important role in the instability of granular media. The second-order work can be used as an effective criterion to detect the instability of the system on both the macroscale and microscale (grain scale)

Cette contribution, en s’appuyant sur un travail expérimental et de modélisation numérique à l’aide de la méthode des éléments distincts, vise l’étude de structures en maçonnerie et de structures en pisé. Pour la partie maçonnerie, notre étude traite tout d’abord de modèles réduits testés sur table inclinable, puis dans un second temps nous avons testé des murs en briques à une échelle représentative. Dans la deuxième partie, nous avons mené des essais sur des murs en pisé sous un chargement en cisaillement, avec ou sans précontrainte axiale de confinement qui correspond à une descente de charge. Une modélisation numérique par la méthode des éléments discrets a été réalisée pour ces différents cas d’étude. La comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques, nous a permis, d’évaluer les pertinences et limites de la modélisation via la méthode des éléments discrets (DEM). / This contribution, based on experimental work and numerical modeling using the distinct elements method, aims to study masonry structures and rammed earth structures. For the masonry part, our study first deals with reduced models tested on tilting table, then in a second time we tested brick walls on a representative scale. In the second part, we conducted tests on rammed earth walls under a shear loading, with or without axial prestressing of the containment which corresponds to a descent of load. Numerical modeling using the discrete element method has been carried out for these different case studies. The comparison between the experimental and numerical results, allowed us to evaluate the relevance and limits of modeling via the discrete element method (DEM).

Le travail réalisé durant cette thèse a été motivé par l'étude des mécanismes microscopiques à l'origine du fluage dans les matériaux granulaires.%En particulier, on cherche à explorer des techniques expérimentales et numériques pour l'étude d'un tel phénomène.Dans une première partie, on cherche à mesurer les déplacements des grains dans un matériau granulaire par observations en micro-tomographie X. Une telle identification ne peut être efficacement réalisée pour des phénomènes rapides avec les méthodes classiques de corrélation d'images numériques. Une nouvelle méthode nommée emph{corrélation discrète des projections numériques} qui contourne cette difficulté est développée dans cette thèse. Cette méthode, basée sur la corrélation des projections de tomographie, permet de mesurer les déplacements avec un nombre réduit de projections (100 fois moins que les méthodes classiques), ce qui diminue énormément le temps d'acquisition nécessaire pour la mesure. La méthode, appliquée à des données expérimentales, donne une précision comparable à celles des méthodes classiques tandis que le temps d'acquisition nécessaire est réduit à quelques minutes. Une étude portant sur l'analyse des sources d'erreurs affectant la précision des résultats est également présentée.Le but de la deuxième partie est de réaliser des simulations numériques pour fournir une caractérisation de l'essai oedométrique. Différents assemblages de billes de verre légèrement poly-disperses interagissant à travers des contacts élastiques de Hertz-Mindlin et frottement de Coulomb ont été utilisés. Ces simulations ont permis d'étudier l'évolution de certains paramètres structuraux du matériau modèle, préparant ainsi le terrain pour de futures études sur le fluage. Il a été particulièrement souligné que les contacts élastiques utilisés dans ces simulations ne reproduisent pas l'irréversibilité des déformations observée dans les expériences sur des sables. Cependant, l'irréversibilité est bien visible sur le nombre de coordination et l'anisotropie. Alors que les paramètres élastiques peuvent exprimer la réponse pour des petits incréments de déformations, la compression oedometrique est belle et bien anélastique, principalement à cause de la mobilisation du frottement. Le rapport entre les contraintes horizontales et verticales (coefficient du sol au repos) n'est particulièrement constant que lorsque l'anisotropie de structure est instaurée dans l'état initial de l'assemblage. Il est par ailleurs relié à l'anisotropie interne de la structure par une formule simple. Finalement, les coefficients du tenseur élastique dépendent principalement du nombre de coordination et son anisotropie est plus liée à l'anisotropie des contacts qu'à celle des forces / The present work is motivated by the study of creep in granular materials at the microscopic scale.The first part of this thesis deals with displacement measurements by microtomography. Classical digital image correlation fails to catch time-dependent (possibly fast) phenomena such as short-term creep. A new method named emph{Discrete Digital Projection Correlation} is developed to overcome this limitation. This method requires very few projections (about 100 times less than classical methods) of the deformed state to perform the correlation and retrieve grain displacements. Therefore, the acquisition time is remarkably reduced, which allows to study time-dependent phenomena.The method is tested on experimental data. While its accuracy compares favorably to that of conventional methods, it only requires acquisition times of a few minutes. The origins of measurement errors are tracked by numerical means, on simulated grain displacements and rotations.The second part is a numerical simulation study, by the Discrete Element Method (DEM), of oedometric compression in model granular materials, carried out with a simple model material: assemblies of slightly polydisperse spherical beads interacting by Hertz-Mindlin contact elasticity and Coulomb friction. A wide variety of initial states are subject to compression, differing in density, coordination number and fabric anisotropy. Despite apparently almost reversible strains, oedometric compression proves an essentially anelastic and irreversible process,due to friction, with important internal state changes affecting coordination number and anisotropy. Elastic moduli only describe the response to very small stress increments about well equilibrated configurations. The ratio of horizontal stress to vertical stress (or coefficient of earth pressure at rest, commonly investigated in soil mechanics) only remains constant for initially anisotropic assemblies. A simple formula relates it to force and fabric anisotropy parameters, while elastic moduli are mainly sensitive to the latter. Further studies of contact network instabilities and rearrangements should pave the way to numerical investigations of creep behavior

Lorsqu'une onde acoustique se propage dans un milieu granulaire, elle est susceptible de provoquer la mobilité des grains, aussi infime soit-elle. Inversement, la mobilité d'un grain dans une matrice fluide peut induire un champ acoustique et dans les deux cas, l'énergie acoustique peut être transférée à la fois au travers des pores et des contacts entre grains. Nous avons mis au point un modèle original permettant de considérer ces deux modes de transfert d'énergie pour simuler la propagation d'ondes acoustiques dans les milieux granulaires immergés. Dans le cas des milieux granulaires secs, l'inertie du fluide est telle que l'énergie transférée dans l'air peut être négligée et le milieu modélisé avec des algorithmes de type "dynamique moléculaire". Au contraire, dans le cas de milieux immergés, l'énergie portée par le fluide ne peut pas être négligée et nous montrons que la méthode des domaines fictifs basée sur les multiplicateurs de Lagrange distribués permet de coupler les équations de la dynamique et l'équation d'onde. Nous utilisons la méthode des éléments finis pour propager l'onde dans le fluide, les grains étant modélisés en 2D par des sphères rigides et incompressibles afin de satisfaire les hypothèses de l'algorithme de dynamique moléculaire. Les résultats du modèle sur des expériences numériques simples mais pour lesquelles existent des solutions analytiques de l'acoustique mettent en évidence la validité du nouveau modèle. Nous en donnons une illustration pour l'étude des interactions subies par un empilement réaliste de multiples grains mobiles soumis à un signal acoustique. / When an acoustic wave propagates through a granular medium, it causes the grains to move, usually very slightly. In the same way, the movement of a grain embedded in a fluid matrix generates an acoustic wave. In both cases, acoustic energy is transmitted by the fluid and by the inter-granular contacts. We have developed a new numerical model for simulating wave propagation in submerged granular media that takes into account these two modes of energy transport. For the case of dry granular media, the grains are embedded in air whose inertia is so low that the energy it carries can be neglected. These media can be modeled with "Molecular Dynamics" or related methods. On the contrary, when granular media are submerged in water, the energy carried by the fluid cannot be neglected, rendering their modelization much more difficult. We use the fictitious domain method with distributed Lagrange multipliers to couple the equation of motion of the grains to the wave equation of the fluid. We use finite elements to propagate the wave in the fluid, and the grains are modeled in 2D by rigid, incompressible spheres compatible with the hypotheses of Molecular Dynamics. To validate the model, we perform series of numerical experiments whose results are compared to analytic solutions from acoustics. We also perform a simulation with hundreds of grains under an incident wave to demonstrate the possibilities of the model.

Ce travail de thèse a pour objet l’étude numérique et expérimentale de la déstabilisation de milieux granulaires immergés par fluidisation. Cette instabilité hydromécanique est un mécanisme précurseur de l’érosion régressive, processus de dégradation au coeur de la problématique de l’érosion interne des ouvrages hydrauliques en terre. La compréhension de ces mécanismes d’érosion nécessite une description rigoureuse du couplage et de l’interaction entre le fluide et les particules de sol. A cette fin, un modèle 2D a été utilisé en couplant deux méthodes particulaires, la méthode des éléments discrets (DEM) pour modéliser le comportement mécanique de la phase solide et la méthode Lattice Boltzmann (LBM) pour la phase fluide. Des expériences servant de validation à cette simulation numérique 2D ont également été réalisées en s’appuyant sur une technique de visualisation interne d’un empilement granulaire combinant l’ajustement d’indice de réfraction des deux phases et la fluorescence induite par plan laser. / The subject of this thesis is the numerical analysis and experimental investigation of the destabilization of submerged granular media caused by fluidization. This hydromechanical instability is one of the mechanisms that may trigger the regressive erosion, which is one of the main degradation phenomena driving the internal erosion of earthen hydraulic constructions. Such erosion mechanisms can only be understood through a rigorous description of the coupling and interaction between the eroding fluid and the soil particles. For this purpose, a 2D model has been used coupling two different numerical techniques, namely the discrete element method (DEM) for modelling the mechanical behaviour of the solid phase and the Lattice Boltzmann method (LBM) for the fluid phase. The experimental validation of this numerical 2D simulation has been carried out using two optical techniques for the internal visualization of a granular sample, namely the adjustment of the refraction index of the two phases and the laser-induced fluorescence.

The subject of this splitted article is the commissioning of a new application that may be part of a processing machine. Considering the example of the intermittent transport of small-sized goods, for example, chocolate bars, ideas for increasing the maximum performance are discussed. Starting from an analysis, disadvantages of a conventional motion approach are discussed, and thus, a new motion approach is presented. For realising this new motion approach, a virtual process model has to be built, which is the subject of this article. Therefore, the real process has to be abstracted, so only the main elements take attention in the modelling process. Following, important model parameters are determined and verified using virtual experiments. This finally leads to the possibility to calculate useful operating speed–dependent trajectories using the process model.

For modeling of particulate materials, discrete element method (DEM) is commonly used. It perceives every particle like a single body. A railway ballast loading by trains is a typical example of a particulate discrete material. By a passing train, static and dynamic forces act on a track bed. Cycling loading results in pernament changes in the railway ballast. Cavity creation, agglomeration and ballast cracking lead to damages in rail traffic. Usage of the discrete element method may reveal the real issues of the railway ballast and it may leads to a reduction of costs associated with a design and repairs. This thesis is focused on the ballast modeling and identification of the discrete model parameters. Obtained results are compared with real experiments from Nottingham University.

Diploma thesis describes design and function verification of device for filling tap hole of electric arc furnace with tap hole diameter from 190 mm to 250 mm. The theses includes drive design calculation of chute swinging movement and bearing calculations. Another part of the thesis deals with verification of device functions which it is completed with process description of creating DEM simulation in program YADE. The thesis also includes basic experiments for determination angle of internal friction, angle of repose, coefficient of restitution and angle of material friction on a steel surface. Drawing documentation of selected assemblies is part of the thesis.

Die Partikelinteraktionen in Suspensionen führen zu charakteristischen Phänomenen wie Partikel-agglomeration und Segregation. In dieser Arbeit werden Beiträge zu diesen Vorgängen am Beispiel einer Stahlschmelze und in Pumpbeton untersucht. Es wurden Agglomerationsmodelle für die Kollision kugelförmiger und nichtkugelförmiger nichtmetallischer Einschlüsse in Stahl entwickelt. Diese zeigen eine erhöhte Kollisionsrate für Partikelcluster und den Einfluss der Lubrikationskräfte für größere Partikel, die der Agglomeration entgegen wirken. Für kleinere Partikel dominieren Van der Waals Kräfte. In dichten Suspensionen wie Beton sind Segregationseffekte wie die Ausbildung einer Gleitschicht an der Rohrwand relevant. Es wurden zwei Mechanismen identifiziert und beschrieben, die zur Segregation in einem Modellbeton führen und der Einfluss auf den Pumpdruck wurde betrachtet. DEM Simulationen des Pumpprozesses zeigen die starke Neigung zur Segregation für Partikel mit hoher Reibung und den Viskositätseinfluss der Fluidmatrix. Zusätzlich wird ein DEM-Modell für deformierbare Partikel vorgestellt und mit experimentellen Daten verglichen.

In der vorliegenden Dissertation wird ein Simulationsmodell für die Diskrete Elemente Methode vorgestellt, das in der Lage ist, das Materialverhalten während des Mischprozesses von Frischbeton nachzubilden. Zur realitätsnahen Abbildung des Materialverhaltens während des gesamten Mischprozesses ist zum einen die korrekte, prozessabhängige Modellierung der Feuchtigkeitsverteilung im Mischgut notwendig. Zum anderen definiert sich das lokale Materialverhalten durch den aktuellen Feuchtegrad und die Materialzusammensetzung der Mischung und muss im Simulationsmodell Berücksichtigung finden. Zur korrekten Modellierung der Feuchteverteilung wurde der Flüssigkeitstransfer zwischen unterschiedlich feuchten Kontaktpartnern (Partikeln) im Simulationsmodell realisiert. Der Flüssigkeitstransfer ist dabei abhängig vom Feuchtegrad der beiden Kontaktpartner, ihrer relativen Positionierung zueinander und der Viskosität der zu transferierenden Flüssigkeit. Zudem spielt die Partikelgröße eine entscheidende Rolle bei der Flüssigkeitsaufnahmefähigkeit eines Partikels und bei der Geschwindigkeit des Flüssigkeitstransfers. Zur Repräsentation des Flüssigkeitsanteils aller Partikel im Simulationsmodell erhält jedes Partikel eine zusätzliche Partikelvariable. Feuchte Feststoffpartikel lassen sich somit als zweischichtige Partikel repräsentieren, die eine äußere Flüssigkeitsschicht und einen inneren Feststoffkern besitzen. Die Modellierung des Materialverhaltens basiert auf einer Unterteilung in drei verschiedene Kraftkomponenten, die in Abhängigkeit der lokalen Feuchtegrade Anwendung finden. Die erste Kraftkomponente umfasst Reibungs-, Dämpfungs- und Federkräfte, die bei trockenen Feststoffkontakten zum Einsatz kommen. Die zweite Kraftkomponente besteht aus zusätzlichen Flüssigkeitsbrückenkräften, die bei leicht angefeuchteten Materialien wirken. Die Flüssigkeitsbrückenkräfte sind abhängig von Flüssigkeitsvolumen, Flüssigkeitszusammensetzung, Partikelgröße und Abstand der Kontaktpartner. Die dritte Kraftkomponente umfasst die viskosen Kräfte, die bedingt durch die Flüssigkeitsschichten zwischen den Kontaktpartnern auftreten. Die viskosen Kräfte in Tangentialrichtung basieren auf dem Bingham-Modell, das häufig für zementgebundene Suspensionen eingesetzt wird. Die Anwendung des Bingham-Modells setzt die Kenntnis der rheologischen Kenngrößen Fließgrenze und plastische Viskosität voraus, die aus der lokalen Zusammensetzung der Flüssigkeitsschicht approximiert werden müssen. Die Grundlage für diese Approximation bilden sowohl Modelle aus der Literatur als auch experimentelle Untersuchungen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. Auch die Definitionen der materialabhängigen Flüssigkeitsaufnahmemengen und -geschwindigkeit sowie die Berechnung der zustandsabhängigen Flüssigkeitsbrückenkräfte basieren auf theoretischen Modellen und experimentellen Untersuchungen. Die Experimente sollen die entsprechenden theoretischen Modelle stützen, die materialspezifischen Modellparameter bestimmen und zusätzliche Daten außerhalb des Gültigkeitsbereichs der Modelle liefern. Alle Einzelaspekte der Flüssigkeitsaufnahme, des -transfers und des feuchteabhängigen Materialverhaltens werden in der Simulation implementiert und anhand der Nachbildung der Experimente überprüft. Das Zusammenspiel aller Modellaspekte wird anhand der Simulation eines experimentell durchgeführten Betonmischprozesses in einem Zwangsmischer für zwei Rezepturen mit unterschiedlichen w/z-Werten ohne Verwendung von Zusatzstoffen und -mitteln validiert. Während des Mischprozesses wurde die Leistungsaufnahme des Mischers erfasst und mit der aus dem Drehmoment abgeleiteten Leistungsausnahme aus der Simulation verglichen. Dabei zeigte sich eine gute qualitative Übereinstimmung des zeitlichen Leistungsverlaufs, der das realistische Durchlaufen der verschiedenen Phasen der Materialzustände widerspiegelt. Als zusätzliches Vergleichskriterium wurde nach dem Mischprozess das Setz- bzw. Setzfließmaß ermittelt. Auch hier zeigte sich eine gute qualitative Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation. Damit konnte die grundsätzliche Anwendbarkeit des Modells zur Nachbildung des Materialverhaltens während des Frischbetonmischprozesses anhand einer ausgewählten Betonrezeptur demonstriert werden.:1 Einleitung 1 1.1 Problemstellung 1 1.2 Zielsetzung 2 1.3 Lösungsansatz 3 1.4 Gliederung der Arbeit 5 2 State of the art – Lösungsansätze und ihre Grenzen 7 2.1 Simulationsmethoden für Mischprozesse 7 2.1.1 Überblick 7 2.1.2 Diskrete Elemente Methode (DEM) 9 2.2 Simulation des Feuchteübergangs 16 2.3 Simulation von Flüssigkeitsbrücken 22 2.4 Simulation von Frischbeton 26 2.4.1 Diskrete Elemente Methode (DEM) 27 2.4.2 Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) 31 2.4.3 Finite Volumen Methode (FVM) 31 2.4.4 Finite Elemente Methode (FEM) 32 2.4.5 Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) 33 2.5 Fazit aus dem aktuellen Stand der Technik 34 3 Theoretische Modellbildung 37 3.1 Wasseraufnahmemenge 37 3.2 Flüssigkeitsbrückenkräfte 39 3.3 Rheologie von zementgebundenen Suspensionen 46 3.4 Fazit aus der Betrachtung der theoretischen Modelle 59 4 Experimentelle Untersuchungen 61 4.1 Materialeigenschaften der Ausgangsstoffe 61 4.1.1 Korngröße 61 4.1.2 Dichte 64 4.1.3 Reibungskoeffizient 65 4.2 Flüssigkeitsaufnahmemenge 69 4.2.1 Wasser 69 4.2.2 Zementleim und Mörtel 77 4.3 Wasseraufnahmegeschwindigkeit 78 4.4 Flüssigkeitsbrückenkraft 81 4.4.1 Messapparatur 81 4.4.2 Versuche am Einzelpartikel 83 4.4.3 Feuchte Schüttkegel 92 4.5 Oberflächenspannung 94 4.6 Rückprallexperiment 95 4.7 Suspensionsverhalten 98 4.8 Mischprozess 110 4.9 Fazit aus den experimentellen Untersuchungen 117 5 Simulationsmodell 119 5.1 Ablauf einer Standard-Simulation in EDEM 119 5.2 Programmierschnittstelle für benutzerdefinierte Kontaktmodelle in EDEM 120 5.3 Übersicht des Modellierungsansatzes 122 5.4 Modellierung des Flüssigkeitstransfers 124 5.4.1 Grundidee 124 5.4.2 Aufnahmebedingungen für Wasser 133 5.4.3 Aufnahmebedingungen für Suspensionen 137 5.4.4 Transfergeschwindigkeit 139 5.4.5 Ergebnisse 142 5.5 Modell zur Partikelüberlappung 147 5.6 Flüssigkeitsbrückenkräfte 148 5.6.1 Modellierung 148 5.6.2 Ergebnisse 154 5.7 Reibungskräfte 158 5.8 Dämpfungskräfte in Normalrichtung durch Flüssigkeit 159 5.9 DämpfungskKräfte in Tangentialrichtung 161 5.9.1 Modellierung 161 5.9.2 Ergebnisse 166 5.10 Adaption durch Kontaktzahl 169 5.11 Implementierung der benutzerdefinierten Variablen 170 5.12 Validierung des Gesamtmodells 177 5.13 Fazit aus der Modellerstellung 192 6 Zusammenfassung 193 7 Modellgrenzen und Ausblick 197 Symbolverzeichnis 199 Literatur- und Quellenverzeichnis 203 / In this thesis a simulation model for the Discrete Element Method is presented, which is capable to simulate the material behavior during the mixing process of fresh concrete. For the realistic modeling of the material behavior during the entire mixing process two major aspects have to be integrated in the model. On the one hand the correct, process-dependent representation of the moisture distribution within the mix is necessary. Second, the local material behavior defined by the current degree of humidity and the mix composition must be taken into account in the simulation model. For a correct simulation of the humidity distribution representation the fluid transfers between different wet contact partners (particles) was realized in the contact model. The fluid transfer is dependent on the moisture level of the two contact partners, their relative positioning to each other and the viscosity of the liquid to be transferred. In addition, the particle size plays a crucial role in the water absorption capacity of a particle and in the water transfer velocity. For the representation of the liquid content of each particle, all particles in the simulation model have an additional particle variable. Wetted solid particles can thus be represented as two-layered particles having an outer liquid layer and an inner solid core. The modeling of the material behavior is based on a subdivision into three different force components, which are applied dependent on the local moisture degree. The first force component comprises friction, damping and spring forces, which are used in dry solid contacts. The second force component consists of additional liquid bridge forces acting in weakly wetted materials. The liquid bridge forces are defined as a function of liquid volume, liquid composition, particle size and the distance of the contact partners. The third force component covers the viscous forces that occur due to the fluid layers between the contact partners. The viscous forces in the tangential direction are based on the Bingham model, which is commonly used for cementitious suspensions. The application of the Bingham model assumes knowledge of the rheological parameters yield stress and plastic viscosity, which need to be approximated from the local composition of the liquid layer. The basis of this approximation is provided by models of literature and experimental investigations that have been carried out in this work. Also, the definitions of the material-dependent fluid absorption volume and the liquid transfer velocity as well as the computation of the state-dependent liquid bridge forces are based on theoretical models and experimental studies. Experiments are supposed to support the relevant theoretical models, determine the material-specific model parameters and provide additional information outside the scope of the models. All aspects of the fluid absorption, fluid transfer and the moisture-dependent material behavior are implemented in the simulation and verified by the remodeling of the experiments. The interplay of all aspects of the model is validated by the simulation of an experimentally investigated concrete mixing process in a compulsory mixer for two concrete recipes with different w/c ratios without using additives and admixtures. During the mixing process the power consumption of the mixer was recorded and compared with the approximated power consumption in the simulation, deduced from the torque data. Thereby a good qualitative agreement of the power curve was achieved, which reflects a realistic pass through the various phases of the material states during the mixing process. As an additional comparison criterion the slump or the slump flow was determined after the mixing process. Again, a good qualitative agreement between experiment and simulation was achieved. Thus the basic applicability of the model to simulate the material behavior during the fresh concrete mixing process is demonstrated using a selected concrete mix.:1 Einleitung 1 1.1 Problemstellung 1 1.2 Zielsetzung 2 1.3 Lösungsansatz 3 1.4 Gliederung der Arbeit 5 2 State of the art – Lösungsansätze und ihre Grenzen 7 2.1 Simulationsmethoden für Mischprozesse 7 2.1.1 Überblick 7 2.1.2 Diskrete Elemente Methode (DEM) 9 2.2 Simulation des Feuchteübergangs 16 2.3 Simulation von Flüssigkeitsbrücken 22 2.4 Simulation von Frischbeton 26 2.4.1 Diskrete Elemente Methode (DEM) 27 2.4.2 Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) 31 2.4.3 Finite Volumen Methode (FVM) 31 2.4.4 Finite Elemente Methode (FEM) 32 2.4.5 Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) 33 2.5 Fazit aus dem aktuellen Stand der Technik 34 3 Theoretische Modellbildung 37 3.1 Wasseraufnahmemenge 37 3.2 Flüssigkeitsbrückenkräfte 39 3.3 Rheologie von zementgebundenen Suspensionen 46 3.4 Fazit aus der Betrachtung der theoretischen Modelle 59 4 Experimentelle Untersuchungen 61 4.1 Materialeigenschaften der Ausgangsstoffe 61 4.1.1 Korngröße 61 4.1.2 Dichte 64 4.1.3 Reibungskoeffizient 65 4.2 Flüssigkeitsaufnahmemenge 69 4.2.1 Wasser 69 4.2.2 Zementleim und Mörtel 77 4.3 Wasseraufnahmegeschwindigkeit 78 4.4 Flüssigkeitsbrückenkraft 81 4.4.1 Messapparatur 81 4.4.2 Versuche am Einzelpartikel 83 4.4.3 Feuchte Schüttkegel 92 4.5 Oberflächenspannung 94 4.6 Rückprallexperiment 95 4.7 Suspensionsverhalten 98 4.8 Mischprozess 110 4.9 Fazit aus den experimentellen Untersuchungen 117 5 Simulationsmodell 119 5.1 Ablauf einer Standard-Simulation in EDEM 119 5.2 Programmierschnittstelle für benutzerdefinierte Kontaktmodelle in EDEM 120 5.3 Übersicht des Modellierungsansatzes 122 5.4 Modellierung des Flüssigkeitstransfers 124 5.4.1 Grundidee 124 5.4.2 Aufnahmebedingungen für Wasser 133 5.4.3 Aufnahmebedingungen für Suspensionen 137 5.4.4 Transfergeschwindigkeit 139 5.4.5 Ergebnisse 142 5.5 Modell zur Partikelüberlappung 147 5.6 Flüssigkeitsbrückenkräfte 148 5.6.1 Modellierung 148 5.6.2 Ergebnisse 154 5.7 Reibungskräfte 158 5.8 Dämpfungskräfte in Normalrichtung durch Flüssigkeit 159 5.9 DämpfungskKräfte in Tangentialrichtung 161 5.9.1 Modellierung 161 5.9.2 Ergebnisse 166 5.10 Adaption durch Kontaktzahl 169 5.11 Implementierung der benutzerdefinierten Variablen 170 5.12 Validierung des Gesamtmodells 177 5.13 Fazit aus der Modellerstellung 192 6 Zusammenfassung 193 7 Modellgrenzen und Ausblick 197 Symbolverzeichnis 199 Literatur- und Quellenverzeichnis 203