Numerical study of microwave induced stress and damage formation in heterogeneous rocks

Titel in Übersetzung: Numerische Untersuchung der mikrowelleninduzierten Spannung und Schädigung in heterogenen Gesteinen

Michael Toifl

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die mechanische Gesteinszerkleinerung ist ein energieintensiver Prozess und weist darüber hinaus lediglich einen Wirkungsgrad von ungefähr 1% auf. Ein vielversprechender Ansatz zur Steigerung der Effizienz des Prozesses ist die vorgelagerte Behandlung des Gesteins mit Mikrowellen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Bestimmung der mikrowelleninduzierten Spannungen und Schädigungen sowohl in einem heterogenen (z.B.: Granit) als auch einem homogenen (z.B.: Basalt) Gestein. Für den heterogenen Fall wurde eine neuartige 3D Simulationsmethodik entwickelt, um die mikrowelleninduzierten Spannungen auf Ebene der Mikrostruktur quantifizieren und analysieren zu können. Um ein realistisches Gesteinsmodell zu erhalten, werden mithilfe eines Voronoi Tessellations Algorithmus 3D Mikrostrukturen mit zwei und drei Komponenten erzeugt. Mit Hilfe eines 3D Finite Differenzen Verfahrens (FDTD, finite-difference time-domain) wird das elektromagnetische Feld in dem inhomogenen Gestein numerisch berechnet. Hierfür wird eine Mikrowellenquelle mit einer typischen technischen Frequenz von 2.45 GHz verwendet. Anschließend wird die absorbierte Wärme mit einem thermischen Finiten Elemente (FE) Modell analysiert. Das resultierende transiente Temperaturfeld wird in einer darauffolgenden thermomechanischen FE Analyse verwendet, um Spannungen und Schädigungen ableiten zu können. Der Einfluss der Mikrostruktur auf die mikrowelleninduzierten Spannungen wird in einem 3D Modell mit zwei Gesteinskomponenten und mit einer Mikrowellenleistung von 25 kW sowie Bestrahlungszeiten von 15 s und 25 s bewertet. Die Quarzphasenumwandlung bei einer Temperatur von 573°C wurde nach einer Mikrowellenbestrahlung von 25 s untersucht. Der Einfluss des anisotropen Materialverhaltens von Quarz auf die Spannungsverteilung wird durch den Vergleich mit einem isotropen Materialmodell bewertet. Nach einer Mikrowellenbestrahlungszeit von 15 s werden Hauptnormalspannungen, welche die Zugfestigkeit übersteigen an den Phasengrenzen der stark absorbierenden Phase beobachtet. Aufgrund der Quarzphasenumwandlung werden nach einer Bestrahlungszeit von 25 s noch höhere Spannungen festgestellt. Im anisotropen Modell kann eine größere Volumenfraktion mit sehr hohen Hauptnormalspannungen, speziell in der mikrowellentransparenten Phase, quantifiziert werden. Unter Verwendung eines nichtlinearen Schädigungsmodells können Schädigungsinitiierungen in der Umgebung der heißesten Regionen sowie entlang der Phasengrenzen der stark absorbierenden Phase festgestellt werden. Diese Ergebnisse korrelieren qualitativ sehr gut mit den Experimenten. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Spannungs- und Schädigungsverteilung stark von der Mikrostruktur und dem mikromechanischen Verhalten der einzelnen Phasen (Quarzphasenumwandlung, anisotropes Materialverhalten) abhängt. Für die industrielle Anwendung wurden vielzählige numerische 3D Analysen mit variierenden Bestrahlungszeiten und Mikrowellenleistungen an einem Granit Modell mit drei Gesteinskomponenten durchgeführt. Hierfür wurden gemessene dielektrische und thermomechanische Materialeigenschaften verwendet. Sowohl der Fall mit konstanter Mikrowellenleistung und unterschiedlichen Bestrahlungszeiten als auch konstanter Mikrowellenenergie und verschiedenen Kombinationen von Bestrahlungszeit und Leistung wurden analysiert. Die größte Hauptnormalspannung steigt linear mit der Bestrahlungszeit unter der Annahme einer konstanten Leistung an, wohingegen bei einer konstanten Energie ein lokales Extremum in der Spannungs-Bestrahlungszeit Kurve identifiziert werden kann. Die präsentierte 3D inhomogene Simulationskette erlaubt es, für den untersuchten Granit optimale Mikrowellenparameter zu identifizieren.
Titel in ÜbersetzungNumerische Untersuchung der mikrowelleninduzierten Spannung und Schädigung in heterogenen Gesteinen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Antretter, Thomas, Beurteiler A (intern)
  • Meisels, Ronald, Beurteiler B (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2016

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • Aufheizen mit Mikrowellen
  • thermisch induzierte Spannungen
  • 3D Mikrostruktur
  • FDTD-FEM
  • Gesteinszerkleinerung

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