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 Pasen
Links: Ag_2Al Phase (grün) und rechts: Al_2Cu Phase (blau). Die Al Phase ist in 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, Pumpen oder die 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 IMP beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit multiphysikalischen Anwendungsfeldern und setzt hierfür neben OpenSource-Lösern (OpenFoam) eigene Löser (PACE3D – Phasenfeldmethode + Navier-Stokes-Methode) und 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 Mehrphasen-systemen 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 IMP 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 ansiotrope Strömungsverhalten für die Auslegung von Sanierungs-prozessen 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-Grundwasser-sanierungsverfahrens.


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

Effekte des Fließverhaltens von Fluiden

Elastische Spannungen und Dehnungen

Links: Variantenverteilung
Mitte: von Mises Spannung
Rechts: Variantenverteilung + von Mises Spannung