Teilprojekt A.6
Simulation der Herstellung offenporiger Feststoffe
Herstellung maßgeschneiderter offenporiger Funktionsmaterialien
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Erprobung einer partikelbasierten Simulationsmethode, mit der die Herstellung von offenporigen Materialien simuliert und die Bildung poröser Strukturen rechnerisch optimiert werden kann. Typische Charakteristika der Morphologieausbildung im mesoskaligen Bereich sind Entstehung und zeitliche Veränderungen von irregulären Phasengrenzen, die im energetischen und stofflichen Kontakt zu fluiden Phasen stehen. Als Beispiele für derartige Prozesse seien die Fällung von porösen Membranen aus einer anfänglich homogenen Polymerlösung oder die Degeneration einer durchströmten Rußschicht durch Oxidation mit Sauerstoff im Partikelfilter eines Fahrzeuges genannt. Das Programmpaket soll es ermöglichen, alle dafür relevanten physikalischen und chemischen Strukturbildungsprozesse abzubilden.
Aufgrund der komplexen und sich dynamisch verändernden Geometrie wurde ein gitterfreies Berechnungsverfahren gewählt, die „Smoothed-Particle-Hydrodynamics“-Methode (SPH). In der zweiten Antragsperiode wurden Operatoren für diffusiven und konvektiven Transport, chemische Reaktion und insbesondere für die Abbildung der Phasengrenze implementiert und sorgfältig validiert. Der 2D-Code wurde parallelisiert und auf 3D-Berechnungen erfolgreich erweitert. In der dritten Antragsperiode soll nun der Übergang von generischen Beispielen auf zwei praxisrelevante Fragestellungen, die Membranfällung und die Regeneration von Partikelfiltern, vollzogen werden. Dazu muss der Code sowohl hinsichtlich der physikalischen Phänomene erweitert als auch die Effizienz der Berechnung weiter gesteigert werden. Vorgesehen sind die Berechnung thermodynamischer Daten mit der PC-SAFT Zustandsgleichung, die Modellierung der armophen Erstarrung der polymerreichen Phase und die Approximation der fluiden Strömung als Stokes-Fluß. Für die Effizienzsteigerung der Berechnung ist eine Kopplung von gitterfreien mit etablierten, gitterbasierten Verfahren vorgesehen.
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