Charakterisierung des Porenraums von Mikrostrukturen
GeoApp: Compute Tortuosity
Für die Berechnung einer Tortuosität gibt es viele verschiedene Definitionen. Alle zielen darauf ab, neben der Porosität, einen zusätzlichen skalaren Wert zu ermitteln. Dieser Wert beschreibt den Effekt der Porenverteilung auf die Transporteigenschaften einer Mikrostruktur und kann zum Vergleich verschiedener Mikrostrukturen verwendet werden. Die Definitionen basieren auf verschiedenen Annahmen, wie man die Tortuosität einer Mikrostruktur bestimmen kann, insbesondere falls die Mikrostruktur nicht als voll aufgelöste Struktur vorliegt, siehe [1].
In GeoDict, mit seiner einzigartigen Möglichkeit, Mikrostrukturen in hoher Auflösung zu modellieren bzw. gemessene Strukturen zu importieren, können Tortuositäten für verschiedenste Definitionen berechnet werden. Alle Berechnung werden direkt auf der Mikrostruktur durchgeführt und miteinander verglichen.
Die GeoApp Compute Tortuosity bietet einen einfachen Weg, alle dazu notwendigen GeoDict Kommandos automatisiert aufzurufen. Die benötigten Input-Parameter werden in der GeoApp automatisch entsprechend der verschiedenen Tortuositätsdefinitionen eingestellt. Dies ermöglicht eine sehr einfache Berechnung und den Vergleich der unterschiedlichen Tortuositätswerte für verschiedene Mikrostrukturen.
Berechnen Sie Tortuositäten für geometrische, indirekte physikalische und gemischte Ansätze. Ermitteln Sie die Charakteristik der Mikrostruktur und Transporteigenschaften im Porenraum.
GeoDict Publikationen
[1] L. Holzer, P. Marmet, M. Fingerle, A. Wiegmann, M. Neumann, V. Schmidt, Tortuosity and microstructure effects in porous media: classical theories, empirical data and modern method, 2023, https://doi.org/10.1007/978-3-031-30477-4
Batterieanoden-Struktur
Berechnen Sie für eine Graphitanode die Tortuosität im
Elektrolyten, um den Lithium-Ionen-Transport zu analysieren.
a) Geodätische Tortuosität: der kürzeste Weg vom Separator
zum Stromabnehmer, unabhängig vom Porendurchmesser
verglichen mit der Dicke der Elektrode
b) Tortuosität des Perkolationspfads: Mittelwert der
Pfadlängen mit dem größten Durchmesser verglichen mit
der Dicke der Elektrode
c) Indirekte physikalische Berechnung aus relativer
Diffusivität und Porosität der Struktur. Dargestellt
ist der Diffusionsstrom multipliziert mit -1.
Gasdiffusionsschicht (GDL) einer Brennstoffzelle
Für die Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle kann die Berechnung der Tortuosität genutzt werden, um den Transport von H2O und O2 zu untersuchen.
- Analyse des Transports von Gasen in der GDL
- Transport von O2 zur Katalysatorschicht hin
- Abtransport von H2O von der Katalysatorschicht weg
Tortuositäten orthogonal zur Katalyseschicht (Z)
Transport zur Katalysatorschicht und Abtransport
von der Katalysatorschicht untersuchen:
a) Geodätische Tortuosität: der kürzeste Weg
unabhängig vom Porendurchmesser verglichen
mit der Dicke der GDL
b) Tortuosität des Perkolationspfades: Mittelwert der
Pfadlängen mit dem größten Durchmesser verglichen
mit der Dicke der GDL
c) Gemischte geometrische und physikalische
Berechnung aus Stromlinien einer
Strömungssimulation
Tortuositäten parallel zur Katalyseschicht (X)
Transport durch die GDL untersuchen:
a) Geodätische Tortuosität: kürzester Weg
unabhängig vom Porendurchmesser verglichen mit
der Länge der GDL in x-Richtung
b) Tortuosität des Perkolationspfads: Mittelwert der
Pfadlängen mit größtem Durchmesser verglichen mit
der Länge der GDL in x-Richtung
c) Gemischte geometrische und physikalische
Berechnung aus Stromlinien einer
Strömungssimulation
GeoApp Features
- Auswahl der Tortuositäten und der relevanten geometrischen Eigenschaften
- Geometrische Tortuositäten
- Indirekte physikalische Tortuositäten aus Diffusivitätsberechnungen, elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten
- Gemischte Tortuositäten, ermittelt aus der Länge der Stromlinien oder aus gemittelten Werten des Diffusionsstroms, der Stromdichte, des Wärmestroms oder der Strömungsgeschwindigkeit
- Bestimmung von Porosität, Porengrößenverteilung und Oberfläche
- Definition von Berechnungsrichtung und Randbedingungen
- Übersichtliche Darstellung aller Ergebnisse als Tabelle
Abhängig von den gewählten Berechnungen ist für folgende Module eine Lizenz notwendig:
| Notwendiges Modul | PoroDict | DiffuDict | ConductoDict | FlowDict | AddiDict |
Diese Module und GeoApps werden oft mit der "Compute Tortuosity" GeoApp kombiniert:
| Import & Bildverarbeitung | ImportGeo-Vol | |
| Bildanalyse | MatDict | |
| Materialmodellierung | GrainGeo | FiberGeo |
| Simulation & Vorhersage | BatteryDict |
Welche Module für Sie am besten passen, ist abhängig von der Art Ihrer Anwendung.