We present predictions for the statistical error due to finite sampling in the presence of thermal fluctuations in molecular simulation algorithms. Specifically, we present predictions for the error dependence on hydrodynamic parameters and the number of samples taken. Expressions for the common hydrodynamic variables of interest such as flow velocity, temperature, density, pressure, shear stress and heat flux are derived using equilibrium statistical mechanics. Both volume-averaged and surface-averaged quantities are considered. Comparisons between theory and computations using direct simulation Monte Carlo for dilute gases, and molecular dynamics for dense fluids, show that the use of equilibrium theory provides accurate results. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21071号 / 工博第4435号 / 新制||工||1689(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻 / (主査)教授 大村 善治, 教授 松尾 哲司, 准教授 小嶋 浩嗣 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

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Particle simulations in real-time become reality only a few years before, when in computer science occured the idea of GPGPU. This new technology allows use the massive force of graphics card for general purposes. Today, the trend is to accelerate existing algorithms by rewriting into parallel form. On this priciple operate the particle systems too. An interesting area of particle systems are fluid simulations. The simulations are based on the theory of Navier-Stokes equations and their numerical solutions with SPH (Smoothed particle hydrodynamics). Liquids are part of everyday life, and therefore it is important to render them realistically. They are used in modern computer games and different visualizations that run in real time, therefore they must be quickly displayed.

Die Methode der Diskreten Elemente ist eine neue, alte Methode, beruhend auf den Newtonschen Axiomen, praktikabel geworden durch die rasante Entwicklung der Rechentechnik in den vergangenen fünfzig Jahren. Es handelt sich um einfach zu beschreibende, vielfältig einsetzbare, aber rechenintensive Methode. Die Methode der Diskreten Elemente ist jene Methode, von der viele Menschen – nicht nur Laien -- glauben, dass es die Methode der Finiten Elemente sei. Die Methode ermöglicht es, mit vergleichsweise geringem Programmieraufwand spektakuläre Ergebnisse zu erzielen. Die Notwendigkeit zur Lösung schwach besetzter großer linearer Gleichungssysteme entfällt ebenso, wie eine komplizierte Netzgenerierung, die Assemblierung von Systemmatrizen und die damit verbundenen, aufwändigen Optimierungsstrategien. Die Methode der Diskreten Elemente gehorcht implizit streng jenen – stets gültigen – Energieprinzipien, auf die sich andere Methoden wie die Methode der Finiten Elemente bei Herleitungen explizit berufen, während sie tatsächlich lediglich mit Näherungen für (sehr) kleine Verformungen arbeiten. Bei entsprechender Auslegung lassen sich alle an der Simulation beteiligten Elemente als materielle Bestandteile oder beruhend auf der Wechselwirkung materieller Bestandteile auffassen. Kontaktelemente oder gar geeignet platzierte Risselemente werden nicht benötigt. Risse äußern sich durch die Abwesenheit von Materie. Das Phänomen der Überadditivität ist in Partikelsimulationen von vornherein angelegt. Partikelmethoden eignen sich daher hervorragend zum modellhaften Studium komplexer Systeme. Die Parameteridentifikation und Parameteranpassung von Diskrete-Elemente-Modellen gestaltet sich schwierig, sobald die Gültigkeit des Superpositionsprinzips nicht mehr gegeben ist. Dies ist jedoch kein Mangel der Methode, sondern Folge von Interaktion und Überadditivität. Die Methode eignet sich hervorragend zur Generierung virtueller Probekörper und zum Preprocessing im Zusammenwirken mit anderen Simulationsmethoden. Visualisierungen der mit Partikelmethoden erhaltenen Ergebnisse sind von hohem anschaulichem und didaktischem Wert. Die Methode ist sehr flexibel, so dass die Simulationsergebnisse bei entsprechender Parametergestaltung keiner künstlichen Überhöhung bedürfen. Die Methode der Diskreten Elemente ist eine entdeckende Methode. Sie besitzt – wie jede andere Methode – Methodencharakter, die auf ihrer Grundlage entwickelten Modelle – wie alle Modelle – Modellcharakter.

Vibrationsförderer sind Stetigförderer, welche Fördergüter durch periodische Schwingbewegungen in gerichtete Bewegungen versetzen. Vibrationsförderer sind in der Handhabungstechnik, der Zuführung von Mikrobauteilen und feinen Pulvern, sowie in der Schüttgut verarbeitenden Schwerindustrie weit verbreitet. In dieser Arbeit erfolgt nach der Betrachtung des Stands der Technik von Vibrationsförderern und den Interpretationsmöglichkeiten der Förderorganbewegung, die Vorstellung und Diskussion weiterer analytischer Berechnungsansätze. Anschließend werden Störprozesse, die während des Guttransportes auf Vibrationsförderern immer wieder beobachtet werden, erstmals klassifiziert und mathematisch beschrieben. Um die DEM-Simulation von Vibrationswendelförderern und linearen Vibrationsförderern unter Verwendung des Gleit-, Wurf- und Haft-Gleitförderprinzips in der Software LIGGGHTS zu ermöglichen, wurde eine Softwareerweiterung entwickelt. Diese Erweiterung umfasst zwei Module, welche die Bewegungen von importierten CAD-Geometrien auf Basis von als Fourierreihen definierten harmonischen Schwingungen höherer Ordnung ermöglichen. Das Befehlsmodul viblin ermöglicht die Definition von translatorischen Schwingungen. Das Modul vibrot ermöglicht die Definition von Rotationsschwingungen um eine raumfeste Achse. Beide Bewegungsmodule ermöglichen die Definition von komplexen Schwingungszuständen der CAD-Geometrien. Untersuchungen der Mikroprozesse innerhalb einer Arbeitsperiode zeigen, für die Förderarten Wurf und Gleiten, alle notwendigen Abschnitte der Kraft- und Geschwindigkeitsverläufe am Fördergut. Die durchgeführten Validierungen stellen die Verwendung der DEM als Simulationswerkzeug in der Vibrationsfördertechnik sicher. Auf der Basis der abschließend durchgeführten Parameterstudien können in Zukunft Kalibrierungsmethoden bezüglich des Verhaltens von Partikeln auf vibrierenden Unterlagen entwickelt werden. / Vibratory conveyors are continuous conveyors which move the materials to be conveyed by periodic vibrations of the conveyor chute. Vibrating conveyors are used in handling technology, the supply of micro components and fine powders, as well as in bulk material processing heavy industry. Within this work the state of the art of vibratory conveyors and alternative interpretations of the conveyor movement are introduced. Afterwards further analytical approaches are discussed. Subsequently, interfering processes, which occur during the transport of the materials on vibratory conveyors are classified and mathematically described. To simulate vibrating spiral conveyors and linear vibration conveyors using the sliding, throwing or sticking-glide conveyor principle in the software LIGGGHTS, a software extension was developed. This extension includes two software modules, to define the movements of imported CAD geometries on the basis of as Fourier series defined harmonic oscillations. The viblin command module allows the definition of translatory vibrations. The module vibrot allows the definition of rotational vibrations around a fixed axis. Both motion modules allow the definition of complex vibrational states of the CAD geometries. Investigations of the micro processes within a working period showed all necessary sections of the force and speed progression on the conveyed particles for the conveyor principles of micro throw and slide. The validations constitute the basic function of the DEM as a simulation tool in the vibratory conveyor technology. The final parameter studies can be used to develop calibration methods to describe the motion of particles on vibrating plates

Vibrationsförderer sind Stetigförderer, welche Fördergüter durch periodische Schwingbewegungen in gerichtete Bewegungen versetzen. Vibrationsförderer sind in der Handhabungstechnik, der Zuführung von Mikrobauteilen und feinen Pulvern, sowie in der Schüttgut verarbeitenden Schwerindustrie weit verbreitet. In dieser Arbeit erfolgt nach der Betrachtung des Stands der Technik von Vibrationsförderern und den Interpretationsmöglichkeiten der Förderorganbewegung, die Vorstellung und Diskussion weiterer analytischer Berechnungsansätze. Anschließend werden Störprozesse, die während des Guttransportes auf Vibrationsförderern immer wieder beobachtet werden, erstmals klassifiziert und mathematisch beschrieben. Um die DEM-Simulation von Vibrationswendelförderern und linearen Vibrationsförderern unter Verwendung des Gleit-, Wurf- und Haft-Gleitförderprinzips in der Software LIGGGHTS zu ermöglichen, wurde eine Softwareerweiterung entwickelt. Diese Erweiterung umfasst zwei Module, welche die Bewegungen von importierten CAD-Geometrien auf Basis von als Fourierreihen definierten harmonischen Schwingungen höherer Ordnung ermöglichen. Das Befehlsmodul viblin ermöglicht die Definition von translatorischen Schwingungen. Das Modul vibrot ermöglicht die Definition von Rotationsschwingungen um eine raumfeste Achse. Beide Bewegungsmodule ermöglichen die Definition von komplexen Schwingungszuständen der CAD-Geometrien. Untersuchungen der Mikroprozesse innerhalb einer Arbeitsperiode zeigen, für die Förderarten Wurf und Gleiten, alle notwendigen Abschnitte der Kraft- und Geschwindigkeitsverläufe am Fördergut. Die durchgeführten Validierungen stellen die Verwendung der DEM als Simulationswerkzeug in der Vibrationsfördertechnik sicher. Auf der Basis der abschließend durchgeführten Parameterstudien können in Zukunft Kalibrierungsmethoden bezüglich des Verhaltens von Partikeln auf vibrierenden Unterlagen entwickelt werden. / Vibratory conveyors are continuous conveyors which move the materials to be conveyed by periodic vibrations of the conveyor chute. Vibrating conveyors are used in handling technology, the supply of micro components and fine powders, as well as in bulk material processing heavy industry. Within this work the state of the art of vibratory conveyors and alternative interpretations of the conveyor movement are introduced. Afterwards further analytical approaches are discussed. Subsequently, interfering processes, which occur during the transport of the materials on vibratory conveyors are classified and mathematically described. To simulate vibrating spiral conveyors and linear vibration conveyors using the sliding, throwing or sticking-glide conveyor principle in the software LIGGGHTS, a software extension was developed. This extension includes two software modules, to define the movements of imported CAD geometries on the basis of as Fourier series defined harmonic oscillations. The viblin command module allows the definition of translatory vibrations. The module vibrot allows the definition of rotational vibrations around a fixed axis. Both motion modules allow the definition of complex vibrational states of the CAD geometries. Investigations of the micro processes within a working period showed all necessary sections of the force and speed progression on the conveyed particles for the conveyor principles of micro throw and slide. The validations constitute the basic function of the DEM as a simulation tool in the vibratory conveyor technology. The final parameter studies can be used to develop calibration methods to describe the motion of particles on vibrating plates