Multiphase model for granular media for the numerical analysis of the phase transition during discharge of silos

Beim Entleeren von Silos und während Hangrutschungen treten in granularen Materialien Phasenübergänge von einem festen, geschwindigkeitsunabhängigen in einen flüssigen, viskosen Zustand auf. Im Ruhezustand kennzeichnet ein elastoplastisches, dilatantes Verhalten das Material. Für geringe Dichten und hohe Geschwindigkeitsgradienten zeigt das Material hingegen ein Verhalten ähnlich einer nicht-newtonschen Flüssigkeit. Das vorgestellte Materialmodell berücksichtigt beide Bewegungszustände und insbesondere den Phasenübergang zwischen ihnen. Die numerische Simulation der dynamischen Vorgänge während des Entleerens von Silos erfolgt mit Hilfe der Raum-Zeit- Finite-Elemente-Methode und einer einheitlichen Betrachtung von Silowand, Schüttgut und umgebender Luft. Die durchgeführten Simulationen ermöglichen die Analyse der Phänomenologie der Siloentleerung und Aussagen über Einflüsse geometrischer sowie materiebezogener Größen. Dabei stehen das Entleerungsverhalten, der Spannungszustand sowie Wandsteifigkeit und Wandreibungswinkel im Mittelpunkt der Betrachtung.During landslides and discharge of silos granular materials show phase transitions from a solid-like, rate-independent to a fluid-like, viscous state. The quasi-static state is characterised by an elasto-plastic, dilatant behaviour. On the other hand, granular materials of low densities and high strain rates show a behaviour similar to compressible, non- Newtonian fluids. The presented model includes both material states emphasising on the occurrence and form of the phase transition. The numerical simulation of dynamical effects during the discharge of silos is carried out applying Space-Time-Finite-Element- Method for silo structure, bulk material and surrounding air. The model allows for the analysis of silo phenomena with respect to the discharge process and resulting stresses as well as effects of wall stiffness, wall friction and silo geometry