Numerische Simulationen feuchter granularer Materie

Feuchte granulare Materie kann als ein nützliches System dienen, um die Dynamik zu untersuchen, die bei Systemen im thermischen Ungleichgewicht entsteht. Es ist sowohl durch Experimente als auch durch Simulationen sehr leicht zugänglich. In der vorliegenden Dissertation wurde feuchte granulare Materie mit Hilfe von zeit- als auch ereignisgetriebenen Molekulardynamik Simulationen untersucht. Dabei wurde die Energiezufuhr, die nötig ist, um das System aus dem thermischen Gleichgewicht zu bringen, durch zwei höchst unterschiedliche sinusförmige Antriebsmechanismen realisiert. Das sinusförmige Schütteln bzw. das sinusförmige Scheren. Die Wechselwirkungen mit der Flüssigkeit im System wurde durch das Minimale Kapillar bzw. durch das Bindfadenmodell realisiert. Diese sorgen für den Energieaustrag aus dem System, sodass das System einen stationären Zustand erreichen kann.Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde sinusförmiges Schütteln verwendet. Dies ermöglicht es dem System, sich in einem homogenen Zustand wiederzufinden der sehr and die Phasen fest, flüssig und gasförmig erinnert, die aus dem thermodynamischen Gleichgewicht bekannt sind. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde das Granulat sinusförmig geschert. Wiederum wurden zuerst die Phasendiagramme gezeigt, die einen festen sowie einen fluidisierten Zustand unterscheiden. Darauf aufbauend folgte eine Studie der reichhaltigen und komplexen Dynamik, die im fluidisierten Zustand auftritt.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine große Anzahl an Simulationen zu feuchten Granulaten in der vorliegenden Arbeit durchgeführt wurden. Ermöglicht wurde dies vor allem durch das bemerkenswert einfache Model (das minimale Kapillarmodell), das zur Beschreibung der Kapillar-Wechselwirkungen genutzt wird. Eine Abwandelung dieses Models (Bindfaden Modell) ermöglichte einen bedeutenden Anstieg der Leistung in der Simulation. Desweiteren wurde eine erstaunliche Bandbreite von dynamischem Verhalten in den feuchten Granulaten entdeckt. In vielen Fällen konnten einfache theoretische Modelle aufgestellt werden, die zwar nur einen kleinen Teil der komplexen Problematik berücksichtigt, aber dennoch erstaunlich gute Vorhersagen treffen kann. Trotz der Einfachheit der verwendeten Modelle konnten in vielen Fällen gute qualitative Übereinstimmungen zwischen den Simulationen und den Experimenten ausgemacht werden.Wet granular matter is a useful system for studing the dynamics which emerge in systems far from thermal equilibrium. It is easily accessible by experiments as well as simulations. With the help of time- as well as event-driven molecular dynamics simulations, wet granular matter was studied in this thesis. The energy injection which is necessary to drive the system out of thermal equilibrium was done by two highly different sinusoidal driving mechanisms. The first one was sinusoidal shaking whilst the second one was sinusoidal shearing. The interaction with the liquid in the system was modeled by the minimal capillary model and the thin-thread model, respectively. They account for the dissipation of energy such that the system can reach a steady state.In the first part of this thesis sinusoidal shaking was employed enabling the system to reside in states which are very reminiscent of solids, fluids or gases known from systems in thermal equilibrium. In the second part of this thesis, sinusoidal shearing was used to drive the wet granular matter. Phase diagrams were presented which showed a solid and a fluidized state which was followed by a study of the rich and complex dynamics emerging in the fluidized state in the sheared granular matter.In summary, extensive numerical simulations were performed on wet granular matter in this thesis. This was possible due to the remarkably simple model (the minimal capillary model) which is used to describe the capillary interaction. A derivation of this model (the thin thread model) allowed for a significant performance increase when simulating. An amazingly rich set of dynamical behavior was found for wet granular matter using different driving methods. In many cases very simple models, which only incorporate little of the actual complexity of the problem, were able to predict some of their features. In spite of their simplicity, in many cases a good qualitative agreement between simulations and experiment is found