Für granulare Materialien, die einer Oberflächenströmung ausgesetzt sind, spielt die Kohäsion eine Schlüsselrolle für den Erosionswiderstand.
Quelle: BAM, Fachbereich Ingenieurbau
Trotz der Bedeutung der Oberflächenerosion in einer Vielzahl physikalischer und industrieller Situationen stellt die Erosion kohäsiver Materialien sowohl für die Praxis als auch für die Wissenschaft immer noch eine offene Herausforderung dar. In diesem Sinne ist es derzeit noch sehr schwierig, zuverlässige Erosionsvorhersagen zu erstellen, die das WANN (die kritischen Bedingungen für den Beginn der Erosion) oder das WIE SCHNELL (die Entwicklung des Massenverlustes) für allgemeine Systeme mit granularem Kohäsionsgehalt betreffen.
In diesem Beitrag wird eine mikromechanische Simulationstechnik eingesetzt, um eine Form der Oberflächenerosion (nämlich die durch einen Flüssigkeitsstrahl erzeugte Erosion) an gebundenen granularen Materialien zu analysieren, und es wird ein makroskopisches Interpretationsmodell zur Auswertung der simulierten Daten vorgestellt. Dieser Ansatz ist in der Lage, die wichtigsten physikalischen Mechanismen sowohl zu Beginn der Erosion als auch während des gesamten Erosionsprozesses zu reproduzieren und zu quantifizieren, und zwar in gutem Vergleich mit verfügbaren experimentellen Daten.
Die simulierten Ergebnisse zeigen jedoch auch zwei wichtige Aspekte auf, die die Gültigkeit der klassischen Erodierbarkeitstheorie in Frage stellen:
- Bei gegebenem Kohäsionsgrad hängen die ermittelten Erodierbarkeitsparameter erheblich von der Fließgeschwindigkeit des Wasserstrahls ab, was ihre Annahme als intrinsische Materialeigenschaften untergräbt.
- Die im erodierten Endzustand beobachteten Fließspannung weicht erheblich von der zu Beginn der Erosion geschätzten ab, was einer der Grundannahmen der Erosionstheorie direkt widerspricht.
Die Grenzen des numerischen Modells sowie die möglichen Ursachen für diese Diskrepanzen werden daher kritisch untersucht. Ein erster Versuch, diese Fragen zu beantworten, wird hier diskutiert, wobei die starken räumlichen und zeitlichen Fluktuationen der Fluidströmung an der Granulatoberfläche berücksichtigt werden.
Abschließend wird ein Ausblick auf künftige Studien zu diesem Thema gegeben, wobei einfachere (und daher besser kontrollierte) Erosionskonfigurationen genannt werden, um die klassischen Erosionsgesetze unter klareren Bedingungen (sowohl hinsichtlich der Erosionsgeometrie als auch der Fluidströmung) zu revidieren.
Ziel und Wert dieses und zukünftiger Beiträge ist die Entwicklung eines robusten theoretischen Rahmens, um kritische Erosionsrisiken für die Gesellschaft zu quantifizieren und möglichst zu verhindern, z. B. solche, die zu katastrophalem Versagen von zivilen Infrastrukturen führen (z. B. Erosion von Erddämmen und Hochwasserschutzdeichen).
On the erosion of cohesive granular soils by a submerged jet: a numerical approach
Z. Benseghier, L.-H. Luu, Pablo Cuéllar, S. Bonelli, P. Philippe
veröffentlicht in "Engineering reports", Band 25, Ausgabe 8, Seiten 1–20.
BAM Abteilung Bauwerkssicherheit
BAM Fachbereich Ingenieurbau