Unter den folgenden thematischen Überschriften zeigen wir Beispiele von Mikrostruktursimulationen.

 

Mikrostrukturausbildungen in mehrphasigen Systemen

Simulation der Entstehung einer dreiphasigen eutektischen Mikrostruktur.
Mitte: Darstellung der drei Phasen.
Links: Ag2Al-Phase (grün) und rechts: Al2Cu-Phase (blau). Die Al-Phase ist rot dargestellt.

Zelluläre Strukturen

Temperaturverteilung in einem offenporigen Metallschaum.

Wärme- und Stofftransport

Numerische Verfahren (CFD, Phasenfeld)

Numerische Verfahren stellen ein effizientes Werkzeug zur Vorhersage von physikalischen
Prozessen dar. CFD (Computational Fluid Dynamics) ist ein Verfahren zur numerischen Lösung von Navier-Stokes-Gleichungen, um Strömungsvorgänge und den damit einhergehenden Wärme- und Stofftransport zu beschreiben. Strömungsvorgänge spielen in nahezu allen technischen Anwendungen eine große Rolle. Ob Durchströmungs- oder Umströmungsaufgaben: strömungsmechanische Fragestellungen sind branchenübergreifend gefragt. Sie finden sich beispielsweise in der Grundproblematik der Bestimmung des Druckverlustes zur Auslegung von Lüftern und Pumpen oder in der Grundproblematik  der Berechnung einer sich einstellenden Volumenstromaufteilung.

CFD für die industrielle Praxis

 

Oftmals existieren in der Praxis gekoppelte Probleme, bei denen zum Beispiel durch eine Strömung eine Drucklast auf Strukturkörper entsteht oder Wärme auf den Strukturkörper übertragen wird.
Hierbei ist es notwendig, die Berechnungsarten miteinander zu verbinden. Neuere CFD-Verfahren bieten bereits gekoppelte Löser, um innerhalb eines Lösungsvorgangs die gekoppelten Prozesse gleichzeitig zu berechnen. Gerade im Zusammenhang mit gekoppelten physikalischen Prozessen zeigen sich im industriellen Kontext vermehrt thermisch dominierte Applikationen. Diese sind besonders relevant in den Bereichen der Elektronik, der Halbleitertechnik und der Optik. In diesem Zusammenhang sind
miniaturisierte Kühlkonzepte unter Einsatz innovativer, oftmals forschungsnaher Materialien wie z. B. Schaumstrukturen, Textilien, Membrane, Microchannels und Heatpipes gefragt. Darüber hinaus sind Lösungen zur Wärmespeicherung und Verbesserungen der Wärmeübertragungseffekte durch gezielte zweiphasige Strömungsvorgänge von hohem Interesse.

CFD für die Forschung 

Die Abteilung FD des Forschungsinstituts IDM beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit multiphysikalischen Anwendungsfeldern und setzt hierfür neben OpenSource-Lösern (OpenFoam) eigene Löser (PACE3D, die Phasenfeldmethode und die Navier-Stokes-Methode) sowie eine kommerzielle Software (StarCCM+) ein.

Durch dieses Spektrum an Lösungsverfahren lassen sich sowohl industrienahe Aufgaben als auch Aufgaben aus der angewandten Forschung bearbeiten. Gerade bei forschungsnahen Aufgabenstellungen steht die Modellerweiterung im Umfeld von Mehrphasensystemen im Fokus der Arbeiten. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei den Mikrostruktursimulationen zu, bei denen beispielsweise Porositäten (zellulare Strukturen) vollständig für die Berechnung aufgelöst werden. Zellulare Strukturen werden in einer Vielzahl von Industriezweigen verwendet, unter anderem in der Medizintechnik (Membrane) in der Umwelttechnik (Filter) und in der Automotive (Brennstoffzelle). Der Vorhersage der Wärme- und Stoffübertragung, im Zusammenhang mit überlagerten Strömungsvorgängen, kommt hierbei eine große Bedeutung zu. Besonders relevant ist das für die Bereiche des Materialdesigns, der Ermittlung von Wärmeübertragungseffekten und auch der Stoffabscheidung.

CFD für die Energiewende

Das IDM beschäftigt sich neben den oben genannten Forschungsthemen auch mit der Modellierung von Strömungsvorgängen im Untergrund (Grundwasserströmung). Hierbei werden geologische Schichten in ihrer Zusammensetzung vollständig aufgelöst, um somit das anisotrope Strömungsverhalten für die Auslegung von Sanierungsprozessen analysieren zu können. Andere Anwendungsfelder widmen sich der Energieerzeugung und -speicherung, basierend auf textilen Solarabsorbern (textile Abstandsgewirke) und der Wassergewinnung durch textile Nebelfänger.

Aktuelle Forschungsvorhaben

• Textile Solarthermie: Ein textilbasierter Kollektor mit integriertem Latentwärmespeicher dient der solarthermischen Energienutzung.
• MicroBiome: Eine 3D-Modellierung von porösen anisotropen Sandschichten, zur Vorhersage des Strömungsverhaltens, dient der Unterstützung eines In-situ-Grundwassersanierungsverfahrens


Weitere Forschungsthemen in der Antragsphase beschäftigen sich mit:

• der Optimierung der Proteinverteilung durch Porositätsdesign der Diagnostikträger,
• der induktiven Beheizung von gradierten Metallschäumen,
• der Adsorption von endoktrinen Disruptoren auf Basis von Lignin-haltigen Membranstrukturen zur Trinkwasseraufbereitung.

Entwicklungen der Kornstruktur

Benetzung und zweiphasige Tropfenbewegung

Simulation der Tropfenentwicklung zweier nicht-mischbarer Flüssigkeiten an einer Faser.

Simulation der Tropfenbildung auf einer Faser und auf einer rauen Oberfläche. 

Effekte des Fließverhaltens von Fluiden

Temperaturverteilung in einer durchströmten Kluft.











Dendritische Phasenbildung unter dem Einfluss von Strömung












Dendritische Phasenbildung unter dem Einfluss von Strömung

Elastische Spannungen und Dehnungen

Links: Variantenverteilung
Mitte: von-Mises-Spannung
Rechts: Variantenverteilung und von-Mises-Spannung







2D-Martensitumwandlung in einem polykristallinen, austenitischen Gefüge bei heterogener Nukleation.





3D-Martensitumwandlung in einem Austenitkorn. Wachstum martensitischer Varianten im Inneren eines austenitischen Korns.





Rissausbreitung in einem polykristallinen Material.





Multiskalensimulation der thermomechanischen Beanspruchung in einer Bremsscheibe.