Collaborative Research: Hybrid Discrete-Continuum Numerical Simulation of Granular Materials

合作研究:颗粒材料的混合离散连续数值模拟

基本信息

  • 批准号:
    1706193
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 23.05万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-07-01 至 2021-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

CBET - 1706689PI: Grinspun, EitanThe flow of granular materials is important in many manufacturing processes, especially in the pharmaceutical, energy, and agricultural industries, and in naturally-occurring processes such as avalanches, landslides and sediment transport. Modeling the behavior of flowing granular materials is challenging because observable measurable properties of the flowing material depend on microscopic dynamics on the scale of the individual grains of the material. In the absence of reliable models, the design of equipment to handle granular materials is often based on heuristic approaches, which are not optimal and occasionally lead to catastrophic failures. This award will support a new framework for predicting the dynamics of granular systems that addresses small-scale and large-scale phenomena at the same time. The new framework will be a hybrid approach that combines models of granular materials as fluids with models of granular materials as collections of discrete particles. The key challenge that will be addressed is to discover the appropriate way to combine these approaches in a hybrid model that accurately simulates well-defined prototype granular flows and is validated against comparisons with industrial and geological scale granular flow phenomena. Computer codes that are generated in the project will be shared publicly, and the research team will engage students at various academic levels to participate in the project, especially students from traditionally underrepresented groups.A hybrid framework for simulating granular flows will be developed to obtain the efficiency of continuum simulations at the macroscale and the accuracy and precision of discrete particle simulations offer at the microscale. Four components of the hybridization scheme will be explored: a coupling procedure that mechanically handshakes the continuum regime and the particle regime along a reconciliation zone, a homogenization operator that replaces a discrete element zone with a continuum state, an enrichment operator that acts in the opposite direction, and an oracle that determines where it is safe to homogenize and where enrichment to discrete grains is needed. Components of the scheme will be separately tested and validated against analytical results and experimental data. The overall hybrid model will then be validated against large-scale granular phenomena with the goal of accurately simulation flows up to the industrial- and geo-scales. The results of this work and its associated computer codes will be made available to practitioners and researchers in industry and geosciences and to developers of cinematic realizations of granular flow phenomena.
CBET - 1706689PI:Grinspun,Eitan 颗粒材料的流动在许多制造过程中都很重要,特别是在制药、能源和农业行业,以及雪崩、山体滑坡和沉积物输送等自然发生的过程中。 对流动颗粒材料的行为进行建模具有挑战性,因为流动材料的可观察可测量特性取决于材料单个颗粒尺度的微观动力学。 在缺乏可靠模型的情况下,处理颗粒材料的设备设计通常基于启发式方法,这不是最佳的,有时会导致灾难性故障。 该奖项将支持一个新的框架,用于预测粒状系统的动力学,同时解决小规模和大规模现象。 新框架将是一种混合方法,它将颗粒材料作为流体的模型与颗粒材料作为离散颗粒集合的模型相结合。 将要解决的关键挑战是找到将这些方法组合到混合模型中的适当方法,该模型可以准确模拟明确定义的原型颗粒流,并通过与工业和地质规模颗粒流现象的比较进行验证。 该项目生成的计算机代码将公开共享,研究团队将吸引各个学术水平的学生参与该项目,特别是来自传统上代表性不足群体的学生。将开发一个用于模拟颗粒流的混合框架,以获得宏观尺度上连续介质模拟的效率和微观尺度上离散粒子模拟的准确性和精密度。 将探索混合方案的四个组成部分:沿调和区机械地握手连续体状态和粒子状态的耦合程序、用连续体状态替换离散元素区域的均质化算子、沿相反方向作用的富集算子以及确定在哪里可以安全均质化以及在哪里需要对离散颗粒进行富集的预言机。 该方案的组成部分将根据分析结果和实验数据进行单独测试和验证。 然后,将针对大规模粒状现象验证整体混合模型,目标是精确模拟工业和地理尺度的流程。 这项工作的结果及其相关的计算机代码将提供给工业和地球科学领域的从业者和研究人员以及颗粒流现象的电影实现的开发人员。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Capturing transient granular rheology with extended fabric tensor relations
  • DOI:
    10.1007/s10035-019-0948-9
  • 发表时间:
    2019-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Eduardo Rojas Parra;K. Kamrin
  • 通讯作者:
    Eduardo Rojas Parra;K. Kamrin
Hybrid discrete-continuum modeling of shear localization in granular media
  • DOI:
    10.1016/j.jmps.2021.104404
  • 发表时间:
    2021-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.3
  • 作者:
    Peter Yichen Chen;Maytee Chantharayukhonthorn;Yonghao Yue;E. Grinspun;K. Kamrin
  • 通讯作者:
    Peter Yichen Chen;Maytee Chantharayukhonthorn;Yonghao Yue;E. Grinspun;K. Kamrin
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  • 通讯作者:
    Eitan Grinspun
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