Berechnen der Leitfähigkeit
ConductoDict
Das Modul ConductoDict simuliert thermische und elektrische Leitfähigkeitsexperimente und berechnet den thermischen sowie den elektrischen Leitfähigkeitstensor. Darüber hinaus werden die Temperatur- und Potentialverteilung sowie die Verteilung des Wärmefluss, der Stromdichte und des elektrischen Feldes berechnet.
Ein Leitfähigkeitsexperiment in ConductoDict erfordert als Eingabe:
- 3D-Darstellung einer Struktur oder eines Materials
- Leitfähigkeit für jedes Material, dass in der Struktur enthalten ist
- Experimentelle Prozessparameter, wie z.B. Temperatur oder Potential an den Domänengrenzen
Anwendungsbeispiele
Der Algorithmus in ConductoDict wurde bereits für verschiedene Anwendungen genutzt, sowohl in Industrieprojekten (Dämmmaterialien, Kohlstoffnanoröhrchen) als auch für akademische Zwecke, beispielsweise:
- Wärmeleiteigenschaften:
- von mitteldichten Faser- (MDF) Platten
- von gußeisernen Mikrostrukturen
- der Gasdiffusionsschicht in Brennstoffzellen
- elektrische Leitfähigkeit von Ag/SnO
- elektrische Leitfähigkeit und Formation-Factor von Sandsteinen u.ä.
Auswirkungen der Wandstärke auf die Wärmeleitfähigkeit
- Ziel: Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit mit ConductoDict
zur Vermeidung intensiver experimenteller Arbeit - Input: Physikalische Eigenschaften des Grundmaterials
(Polypropylen) Zellgröße: 90 µm,
Wandstärke: 3 µm, 4 µm, 5 µm, 6 µm - Ergebnis: Wandstärke ↑ ➤ Wärmeleitfähigkeit ↑
Auswirkungen der Zellgröße auf die Wärmeleitfähigkeit
- Ziel: Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit mit ConductoDict
zur Vermeidung intensiver experimenteller Arbeit - Eingabe: Physikalische Eigenschaften des Grundmaterials
(Polypropylen), Feste Wandstärke: 5 µm - Ergebnis: Zellgröße ↑ ➤ Wärmeleitfähigkeit ↓
Berechnung des Formfaktors
Berechnung der effektiven elektrischen Leitfähigkeit und Ermittlung
des Formation Resistivity Factor (FF)
(a) Elektrisches Potential: vom Eingang
zum Ausgang, Gildehauser*
(b) Elektrisches Feld: Hohe Werte (rot) in
den porösen Engstellen
*Berg et al., 2016, https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2016.01.010
Elektrische Eigenschaften von GDLs: Experimentelle und numerische Validierung
Die Studie untersucht die elektrische Leitfähigkeit von
Toray TGP-H-060 GDL und vergleicht Experimente
und Simulationen unter Druck mit hoher Übereinstimmung.
(a) Segmentierter CT-Scan von TGP-H-060 bei drei verschiedenen
Kompressionsstufen. Die Farben zeigen die Stärke der Stromdichte an.
* Becker, J., et al., “Determination of Material Properties of Gas Diffusion
Layers: Experiments and Simulations Using Phase Contrast Tomographic
Microscopy”, Journal of The Electrochemical Society, 2009, 156(10).
ConductoDict Features
Das ConductoDict-Modul kann verwendet werden, um thermische und elektrische Leitfähigkeitssimulationen mithilfe des LIR- oder EJ-Solvers durchzuführen:
Berechnung der Wärmeleitfähigkeit
Der Wärmeleitfähigkeitstensor wird berechnet. Dies geschieht durch die Lösung der stationären Wärmeleitungsgleichung in jeder Richtung. Die Wärmeleitfähigkeit der enthaltenen Materialien wird berücksichtigt, wobei diese isotrop, transvers-isotrop oder orthotrop sein kann. Zusätzlich kann ein Kontaktwiderstand zwischen verschiedenen Materialien oder unterschiedlichen Objekten desselben Materials vorgegeben werden. Als Ausgabe weist ConductoDict dem gesamten Datensatz einen einzelnen, effektiven Wärmeleitungstensor zu. Die Temperatur- und Wärmeflussverteilung wird ebenfalls berechnet und kann in der grafischen Benutzeroberfläche visualisiert werden.
Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit
Der elektrische Leitfähigkeitstensor wird berechnet. Dies erfolgt durch die Lösung der zugrunde liegenden Gleichung für das elektrische Potential, die die Kontinuitätsgleichung für den Strom und das Ohm’sche Gesetz kombiniert. Die elektrische Leitfähigkeit der enthaltenen Materialien wird berücksichtigt, wobei sie ebenfalls isotrop, transvers-isotrop oder orthotrop sein kann. Ähnlich wie bei der Wärmeleitung kann ein Kontaktwiderstand zwischen verschiedenen Materialien oder zwischen unterschiedlichen Objekten desselben Materials berücksichtigt werden, um unvollständigen Kontakt zu modellieren. Als Ausgabe wird der effektive elektrische Leitfähigkeitstensor für den gesamten Datensatz berechnet. Zusätzlich werden die Potential-, Stromdichte- und elektrische Feldverteilung berechnet und können in der grafischen Benutzeroberfläche visualisiert werden. Der Formationswiderstandsfaktor wird ebenfalls berechnet, basierend auf dem Widerstand eines Fluids im Porenraum. Dies ist eine entscheidende Eigenschaft in der Petrophysik und Geophysik.
Wissenschaftliche Publikationen
Diese Module werden oft mit ConductoDict kombiniert:
| Bildverarbeitung & Bildanalyse | ImportGeo-Vol | ||
| Charakterisierung & Analyse | GrainFind | FiberFind | PoroDict + MatDict |
| Modellierung & Design | Anwendungsrelevante Module zum Erstellen und Modellieren von 3D-Microstrukturmodellen in GeoDict | ||
| Simulation & Vorhersage | SatuDict | ||
| Schnittstellen | |||
Welche Module für Sie am besten passen, ist abhängig von der Art Ihrer Anwendung.