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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasserbau - IWS

Selected Topics and International Network Lectures

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Donnerstag
21.04.2005
16:00 Uhr
Dr. Volker Schulz, Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik, Kaiserslautern

Strömung, Wärmeleitung und Gasdiffusion in teilgesättigten Mikrostrukturen - Anwendungsbeispiel: Brennstoffzelle

In den letzten Jahren hat sich die Berechnung von effektiven Materialeigenschaften, ausgehend von einem repräsentativen mikroskopischen Volumenelement ,etabliert'. Dabei wird eine für/ das Material repräsentative Mikrostruktur entweder durch 3D-bildgebende Verfahren erfasst oder virtuell im Rechner erzeugt. Die effektiven Materialeigenschaften ergeben sich dann durch die numerische Lösung einer entsprechenden Differentialgleichung. Beispielsweise erhält man die effektive Permeabilität aus der Lösung der Stokes-Gleichung. Bei vielen industriellen Anwendungen, wie z.B. der Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle, liegt eine teilweise Sättigung des Materials vor. Dies bedeutet, dass ein benetzendes und ein nicht-benetzendes Fluid im Porenraum verteilt sind, wobei die Verteilung von Fluideigenschaften und Kapillardruck abhängt. Als Konsequenz werden die Materialeigenschaften zu relativen Größen, also Funktionen der Sättigung. Die numerische Bestimmung dieser relativen Größen (z.B. der Gasdiffussion) führt zu gekoppelten Differentialgleichungen (z.B. Zweiphasenströmung und Diffusionsgleichung), die numerisch äußerst aufwändig sind und für praktische Anwendungen wegen der langen Rechenzeiten kaum einsetzbar sind. Im Rahmen des Vortrags wird eine neue Methode vorgestellt, bei der Phasenverteilung und Parameter sukzessive bestimmt werden. In dem Ansatz wird zunächst mit Hilfe eines porenmorphologischen Modells ein Dränageprozess simuliert, bei dem sich Phasenverteilung in Abhängigkeit des Kapillardrucks ergibt. Diese Verteilung bildet dann die Grundlage für weitere numerische Simulationen zur Lösung von Strömungs-, Wärmeleitungs- und Diffusionsgleichung. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Methode für verschiedene Materialien (Vliese, Sintermaterialien, etc.) geeignet ist. Sie lässt sich - insbesondere wegen der vergleichsweise kurzen Rechenzeiten - hervorragend im Rahmen eines virtuellen Materialdesigns einsetzen.