Molecular dynamics simulation of peloids

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Gegenstand des Projekts ist die Simulation dichter Suspensionen von Peloiden mit Teilchengrößen zwischen 10 nm und 10 µm auf mesoskopischer Ebene. Zusätzlich zur hydrodynamischen Wechselwirkung haben van-der Waals Anziehung und elektrostatische Abstoßung entscheidenden Einfluss. Für Teilchen dieser Größenordung ist Brownsche Bewegung relevant, reicht aber nicht aus, um Ergodizität zu gewährleisten. Die Struktur hängt damit stark von der Entstehungsgeschichte ab. Zur Modellierung wird eine Hybrid-Methode verwendet: Molekulardynamik für den Feststoffanteil und eine Hydrodynamik-Methode für den flüssigen Anteil. Die Flüssigkeit wird mittels Fluid-Teilchen beschrieben, die einer künstlichen Dynamik gehorchen, die einfach zu implementieren ist und thermische Fluktuationen intrinsisch enthält. Elektrostatik wird mittels abgeschirmter, effektiver Teilchenkräfte berücksichtigt, die auf modernen Flüssigkeitstheorien beruhen. Ziel ist es, den Brückenschlag Mikro-Makro voranzutreiben und einige Experimente zur Strukturbildung und zu Transportvorgängen aus den Teilprojekten A2 bis B3 auf dem Computer zu "wiederholen" und zur Weiterentwicklung von Modellen für die Teilchenwechselwirkung und das makroskopische Verhalten beizutragen. Wir wollen uns dabei auf Situationen konzentrieren, in denen eine realistische Teilchendynamik entscheidend ist und die daher nicht mit den existierenden Gleichgewichtsmethoden simuliert werden können. Dazu zählt die Charakterisierung der Morphologie von Teilchenkonglomeraten in Abhängigkeit von Salzgehalt und Feststoffanteil bei Sedimentationsvorgängen und Filterströmungen sowie bei monotoner und zyklischer Scherung. Begleitend dazu sollen Größen wie Viskosität und Diffusionskonstanten gemessen werden und mit den Strukturen (Neuordnung von Aggregaten, Kanalbildung) korreliert werden.