Contact investigations of granular mechanical media in a tumbling sorting machine [Elektronische Ressource] / by Hashem Alkhaldi

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• Publié par: universitat_stuttgart
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 9
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Contact Investigations of Granular Mechanical
Media in a Tumbling Sorting Machine
Von der Fakulta¨t Maschinenbau der Universit¨at Stuttgart
zur Erlangung der Wurde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)¨
genehmigte Abhandlung
by
Hashem Alkhaldi
geboren in Beirut (Libanon)
Hauptberichter: Prof. Dr.–Ing. P. Eberhard
Mitberichter: Prof. Dr. O. Abuzeid
Tag der Einreichung: 13. April 2007
Tag der mundlichen Prufung: 19. June 2007¨ ¨
Institut fu¨r Technische und Numerische Mechanik
Universita¨t Stuttgart
2007Acknowledgements
It gives me great pleasure to take this opportunity to acknowledge my indebtedness to all
those who have helped me in one way or another in completing the present work.
First and foremost, I would like to express my deepest thanks to my supervisor, Prof.
Dr.-Ing. P. Eberhard, for his help, enthusiastic support, continuous encouragement and
guidance during my research work. I am grateful to him for providing the opportunity to
do this research under his supervision and his excellent monitoring of the study through
numerousdiscussionsandusefuladvice,withoutwhichthisprojectwouldneverhavecome
to fruition. Furthermore, he is gratefully acknowledged for the real comfortable working
environment and computer availability. I also want to thank Prof. Dr. O. Abuzeid for
being the second reviewer of the thesis.
I owe special thanks to Prof. Dr.-Ing. W. Schiehlen for the helpful and enjoyable dis-
cussions I had with him. Reviewing always my annual reports and supporting me by
DAAD is highly appreciated and gratefully acknowledged. All love and gratitude for our
secretary Mrs. R. Prommersberger. They all provided me with a family-like atmosphere
and gave me warm-hearted help whenever I needed.
I am greatly grateful to my present and former colleagues, particularly Dr.-Ing. A. Eiber,
B. Muth, P. Ziegler, S. Ebrahimi, M. Ackermann and F. Fleißner, for their helpful and
fruitful discussions, and for good time we spend together. Furthermore, I would like to
to express my sincere thanks to all other colleagues at the ITM (Institute of Engineering
and Computational Mechanics) who in one way or another helped me to accomplish this
work.
I am greatly indebted to DAAD (German Academic Exchange Service) for their financial
support during my Ph.D. work in Germany, and I would like to express my deepest
appreciationandthankstoallmembersofDAADfortheirassistance, adviceandsupport.
Many thanks are also due to Dr.-Ing. K. Friedrich from Allgaier-Werke GmbH, Uhingen
for his assistance and cooperation.
Finally, I thank my wife for her continuous support and patience during the years I spent
on my Ph.D. work and my mother for her encouragement and continuous support.
Stuttgart, April 2007 Hashem AlkhaldiTo my mother, my wife Shahnaz,
and my children Aous, Rimaz & Rayan
with love and gratitudeI
Contents
Zusammenfassung IV
1 Introduction 1
1.1 Molecular dynamics, granular matter and parallel programming . . . . . . 1
1.2 Literature survey and recent research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Classical molecular and contact dynamics . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Parallel computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.3 Segregation and particle separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Layout of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Basics of Granular Matter and Molecular Dynamics 10
2.1 Description of the contact problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Verlet algorithm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 Contact time calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Contact forces calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Discrete element method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 Penalty approach of spring-dashpot model . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Sorting algorithms and neighbor list computations . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1 Verlet approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.2 Linked linear list approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 Computational structure of the serial MD code. . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.1 Code initialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Description of the program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37II Contents
3 Parallelizing Molecular Dynamics Using Spatial Decomposition 41
3.1 High performance computers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.1 Shared memory architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.2 Distributed memory architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 Parallel virtual machine (PVM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Computational structure of the parallel MD code . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.1 Master program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 Slave programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.3 Control-output program for visualization . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4 Parallelized domain decomposition strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.1 Replicated data method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.2 Hierarchical tree decomposition method . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5 Spatial decomposition method (SDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5.1 Qualitative overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.2 Message communication pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5.3 Mathematical formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.6 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4 Screening and Particle Segregation 73
4.1 Description of the tumbler screening machine . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 Operation and machine movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.1 Machine movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.2 Particle movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3 Particle modelling and contact calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.1 Particle-to-particle contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.2 Particle-to-mesh contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.3 Contact forces with the mesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.4 Numerical time integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4 Parametric study and simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4.1 Influence of the machine speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94Contents III
4.4.2 Influence of the feeding rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.4.3 Influence of the inclination angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4.4 Influence of the shaft eccentricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4.5 Influence of the barrel oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.6 Influence of the surface friction coefficient . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.7 Influence of the system size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5 Conclusions and Closing Remarks 106
Appendix 109
A.1 Computational details- input and output files . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A.1.1 Input files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A.1.2 Output files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Bibliography 112
Symbols 119IV
Zusammenfassung
Aufgrund ihrer weitverbreiteten Anwendung in industriellen und technologischen
Prozessen sind granulare Medien als Inhalt dieser Arbeit von grossem wissenschaftlichen
¨Interesse. Ein Scherpunkt dieser Arbeitist, einen allgemeinen Uberblick uber einige bere-¨
its existierende Methoden zur Simulation granularer Medien zu geben. Die Verku¨rzung
von Rechenzeiten durch die Verwendung paralleler Berechnungsansatze ist ein weiteres¨
Thema dieser Arbeit. Die Erweiterung bestehender Algorithmen, die Parallelisierung
eines bestehenden Simulationsprogramms, sowie die Untersuchung und Analyse einer
realen industriellen Anwendung zum Sieben von Partikeln mit einer Taumelsiebmaschine
mit verschiedenen Parameterkonfigurationen werden in dieser Arbeit vorgestellt. Diese
¨Ziele werden durch einen guten Uberblick u¨ber die dynamischen Betriebsparameter erre-
icht, welche die Effizienz der Taumelsiebmaschinen, d.h. den Trennprozess, beeinflussen.
Zudiesem Zweck gibtKapitel1einekurze Einfu¨hrungindieingranularenMedien auftre-
tenden Kontaktprobleme zusammen mit Erlauterungen zu einigen numerischen Algorith-¨
men die in der sequentiellen und parallelen Simulation Verwendung finden. In diesem
¨Kapitel wird ebenfalls ein allgemeiner und kurzer Uberblick u¨ber einige Studien und die
Einflussparameter, die die Partikelsiebtechnologie beeinflussen, gewahrt.¨
In Kapitel 2 wird eine allgemeine Beschreibung der Probleme der Molekulardynamik
gegeben und es werden die Grundeigenschaften granularer Medien erlautert. Einige der¨
amha¨ufigstenverwendeten AlgorithmenundModelle, z.B.dieDiskreteElement Methode
(DEM) und die Penalty-Methode mit F