Molekulardynamik feuchter granularer Medien

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung eines feuchten granularen Mediums mit Hilfe einer Molekulardynamik-Simulation. Für die Simulation wurden zwei verschiedene mikroskopische Modelle von Wasserbrücken zwischen den einzelnen Teilchen des Granulats verwendet. Beide besitzen aufgrund ihrer Hysterese eine Dissipation in der Energie. Das Medium wird durch ein von außen angelegtes Potential geschert. In Abhängigkeit der Stärke dieses Potentials zeigt es einen Phasenübergang von fest nach flüssig. Die feste und flüssige Phase wird mit Hilfe der Diffusionskonstante $D$ und der granularen Temperatur $T_{Gran}$ von einander unterschieden. Der Phasenübergang wurde gefunden und dessen Parameter in Abhängigkeit der Dichte und Form der Wasserbrücken vorläufig bestimmt. Zusätzlich wurde die Anzahl der Wasserbrücken pro Teilchen für die Simulation ermittelt und mit experimentellen Daten verglichen. In Zukunft soll ein Vergleich zwischen Computer-Tomographie Daten und der Simulation mit der Hilfe von Minkowski-Funktionalen stattfinden. Der Programm-Code der Molekulardynamik-Simulation wurde durch die Simulation eines Lennard-Jones-Fluids überprüft. Für das LJ-Fluid konnte die kritische Isotherme in Übereinstimmung mit den aus der Literatur bekannten Werten gemessen werden. Die kritischen Fluktuationen der Teilchen des LJ-Fluids wurden gemessen und mit Hilfe der Minkowski-Funktionale analysiert und qualitativ beschrieben. Mit Hilfe einer Gausschen Näherung der Minkowski-Funktionale, konnte gezeigt werden, dass für die Beschreibung dieser Fluktuationen die 2-Punkt-Korrelationsfunktion nicht ausreichend ist, sondern zusätzlich $n$-Punkt-Korrelationsfunktionen verwendet werden müssen. Für die Gausschen Näherungen konnte eine Divergenz der Minkowski Funktionale bei der kritischen Temperatur $T^*_c$ und somit ein Skalierungsverhalten nachgewiesen werden. Ein Test dieses Verhaltens steht für die vollen Minkowski-Funktionale noch aus. Auch die Bestimmung der kritischen Exponenten war aufgrund numerischer Fehler nicht möglich. Das kritischen Verhalten der Minkowski Funktionale muss aber noch für weitere Systeme, wie z.B. für das 3-D-Isingmodell, untersucht werden. Es wurden bisher auch keine Auswirkungen von finite-size-Effekten untersucht.