Numerische Simulation der Mikroströmung in porösen inerten Strukturen

Abstract

Aufgrund ihrer sehr hohen spezifischen Oberfläche besitzen offenporige poröse Materialien herausragende Transporteigenschaften. Die besonderen Transporteigenschaften in Kombination mit der hohen mechanischen Stabilität keramischer Grundmaterialien begründen das hohe Interesse, das monolithischen keramischen Schwammstrukturen (offenenporige zelluläre Strukturen) entgegengebracht wird. Dem gegenüber steht ein Mangel an Modellen für die ausreichend genaue, quantitative Beschreibung der vielfältigen Eigenschaften dieser Materialien und den daraus resultierenden Beschränkungen für den industriellen Einsatz. In dieser Arbeit wurde sowohl die experimentell erfasste Mikrostruktur eines keramischen Schwamms als auch eine randome, auf dem Tetrakaidekaeder-Modell beruhende Modellstruktur mit klassischer CFD („computational fluid dynamics”) untersucht. Ziel dieser Arbeiten war es zu klären, ob eine numerische Simulation der Strömungsvorgänge in ausreichender Genauigkeit in der Lage ist, den Transportvorgang durch die Mikrostruktur der Schwammmaterialien zu berechnen. Zu diesem Zweck wurden einerseits aus MRI-Messdaten („magnetic resonance imaging”) gewonnene, rekonstruierte Geometriedaten als auch eine Modellgeometrie mit näherungsweise gleicher spezifischer Oberfläche und Porosität mit einem Rechennetz diskretisiert und darauf aufbauend die Strömung mit einem kommerziellen CFD-Programm simuliert. Die Ergebnisse wurden hinsichtlich des Druckverlustes analysiert und mit Messdaten aus der Literatur verglichen. Die teilweise sehr gute Übereinstimmung mit dem Experiment, aber auch die Unterschiede beider Rechenergebnisse ermutigen zu weitergehenden numerischen Untersuchungen, die auch Wärmetransport berücksichtigen.