IAM - Computational Materials Science

Microstructure – Fluid Dynamics

Die Forschung der Gruppe konzentriert sich auf die Grenzflächeninstabilität, die Benetzung und die Phasenübergänge in Legierungen und Polymerlösungen, in denen sowohl die Fluiddynamik als auch die Diffusion vorhanden und miteinander gekoppelt sind.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Fei Wang

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Forschung

Die Forschungsaktivitäten der Gruppe von Dr.-Ing. Fei Wang fokussieren sich auf die mikrostrukturelle Entwicklung von Phasen in Verbindung mit einer fluiden Dynamik und der Phasentransformation in unvermischbaren Flüssigkeiten und nanoporösen Strukturen. Das Forschungsziel ist es, Eindrücke über die Kinetik mikrostruktureller Evolutionen und Muster, welche sich im Gleichgewicht oder Ungleichgewicht befinden, zu erhalten. Dabei bleibt die Herausforderung, theoretische Berechnungen mit numerischen Simulationen oder experimentellen Ergebnissen zu verbinden, da die Korrektheit der Simulation von den gegebenen thermodynamischen und kinetischen Daten abhängt. Anwendung findet die Forschung in der industriellen Produktion, wie beispielsweise beim Tintenstrahldrucker oder der Herstellung von Nanopartikeln.
Durch die Anwendung der Phasenfeldmethode konzentriert sich die Forschung der Gruppe auf den mikrostrukturellen Evolutionsprozess, bei dem sowohl die Fluiddynamik als auch die Diffusion vorhanden sind. Zwei unterschiedliche Phasenfeldansätze, nämlich Cahn-Hilliard- und Allen-Cahn-Modelle, die mit Navier-Stokes-Gleichungen gekoppelt sind, werden angewendet, um bestimmte physikalische Probleme zu modellieren. Die Gruppe arbeitet an den folgenden Forschungsschwerpunkten.

Benetzung

Es werden verschiedene Benetzungsphänomene wie reaktive Benetzung beim Löten, Trägheitsbenetzung auf strukturierten Strukturen und Benetzungsübergänge in Abhängigkeit von der Temperatur oder der Zusammensetzung berücksichtigt.

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Visualisierung einer Simulation zur Benetzung auf eienr strukturierten Oberfläche
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Grenzflächeninstabilität am Beispiel einer Tröpfchenkette am Wasserhahn (Foto und Simulation)

Grenzflächeninstabilität

In der Fluiddynamik besteht eine typische Grenzflächeninstabilität darin, dass das Wasser beim Öffnen eines Wasserhahns zu rinnen beginnt und in eine Tröpfchenkette zerfällt. Ähnlich kann ein dünner Flüssigkeitsfilm auch in Tröpfchen oder Flüssigkeitsringe zerfallen. Das Problem wird komplexer, wenn die flüssige Phase mit einer festen Phase in Kontakt steht, wobei der Benetzungsmechanismus berücksichtigt werden muss. Zu diesem Thema werden Grenzflächenentwicklungen und -instabilitäten untersucht, indem theoretische Modelle entwickelt und numerische Simulationen durchgeführt werden, die auf den Phasenfeldmethoden basieren.

Bildung poröser Strukturen aus Polymerlösungen

Poröse Strukturen können durch spinodale Zersetzung aus Polymerlösungen gebildet werden. Während des Strukturbildungsprozesses werden zwei Stufen angenommen: In der ersten Stufe wird die Lösung als flüssige Phase betrachtet, in der die Oberflächenspannung und der Phasenübergang die mikrostrukturelle Entwicklung dominieren. In der zweiten Stufe findet eine Gelierung statt, bei der die aus der Phasentrennung resultierenden Tröpfchen fest sind. Hierbei müssen viskoelastische Eigenschaften berücksichtigt werden. Für diesen Strukturbildungsprozess soll ein thermodynamisch konsistentes Phasenfeldmodell entwickelt werden.

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Simulation zum Strukturbildungsprozess einer porösen Struktur aus einer Polymerlösung
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Visualisierung einer Simulation zur Erstarrung

Erstarrung

Das Phasenfeldmodell wird so angepasst, dass der Phasenübergang beispielsweise beim Dendritenwachstum, der monotektischen Reaktion, der peritektischen Reaktion und der eutektischen Reaktion untersucht werden kann, wo Diffusion und Konvektion eine Rolle spielen.

Starrkörperbewegung

Im Gegensatz zu den Partikeln aus weicher Materie mit endlichen Verformungen im Bildungsprozess poröser Strukturen werden hier Starrkörperpartikel betrachtet, bei denen die Verformung Null ist. Zu diesem Thema wird derzeit ein Phasenfeldmodell entwickelt.

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Simulation zur Starrkörperbewegung in einem strömenden Fluid
Projektteam
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Mitarbeiter
 
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
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Publikationen


2020
Microstructural transition in monotectic alloys: A phase-field study.
Laxmipathy, V. P.; Wang, F.; Selzer, M.; Nestler, B.
2020. International journal of heat and mass transfer, 159, Art.-Nr. 120096. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120096
How do chemical patterns affect equilibrium droplet shapes?.
Wu, Y.; Wang, F.; Ma, S.; Selzer, M.; Nestler, B.
2020. Soft matter, 16 (26), 6115–6127. doi:10.1039/d0sm00196a
2019
Influence of melt convection on the morphological evolution of seaweed structures: Insights from phase-field simulations.
Pavan Laxmipathy, V.; Wang, F.; Selzer, M.; Nestler, B.; Ankit, K.
2019. Computational materials science, 170, Art.-Nr. 109196. doi:10.1016/j.commatsci.2019.109196
Phase-field investigation on the growth orientation angle of aluminum carbide with a needle-like structure at the surface of graphite particles.
Cai, Y.; Wang, F.; Selzer, M.; Nestler, B.
2019. Modelling and simulation in materials science and engineering, 27 (6), Art.-Nr.: 065010. doi:10.1088/1361-651X/ab2351
Progress Report on Phase Separation in Polymer Solutions.
Wang, F.; Altschuh, P.; Ratke, L.; Zhang, H.; Selzer, M.; Nestler, B.
2019. Advanced materials, 1806733. doi:10.1002/adma.201806733
Phase-field study on the growth of magnesium silicide occasioned by reactive diffusion on the surface of Si-foams.
Wang, F.; Altschuh, P.; Matz, A. M.; Heimann, J.; Matz, B. S.; Nestler, B.; Jost, N.
2019. Acta materialia, 170, 138–154. doi:10.1016/j.actamat.2019.03.008
2018
Phase-field study of surface irregularities of a cathode particle during intercalation.
Santoki, J.; Schneider, D.; Selzer, M.; Wang, F.; Kamlah, M.; Nestler, B.
2018. Modelling and simulation in materials science and engineering, 26 (6), 065013. doi:10.1088/1361-651X/aad20a
Phase-field modeling of reactive wetting and growth of the intermetallic Al2 Au phase in the Al-Au system.
Wang, F.; Reiter, A.; Kellner, M.; Brillo, J.; Selzer, M.; Nestler, B.
2018. Acta materialia, 146, 106–118. doi:10.1016/j.actamat.2017.12.015
2017
Numerical and experimental investigations on the growth of the intermetallic Mg₂Si phase in Mg infiltrated Si-foams.
Wang, F.; Matz, A. M.; Tschukin, O.; Heimann, J.; Mocker, B. S.; Nestler, B.; Jost, N.
2017. Advanced engineering materials, 19 (10), Art.Nr. 1700063. doi:10.1002/adem.201700063
2016
Detachment of nanowires driven by capillarity.
Wang, F.; Nestler, B.
2016. Scripta materialia, 113, 167–170. doi:10.1016/j.scriptamat.2015.11.002
2015
Underdamped capillary wave caused by solutal Marangoni convection in immiscible liquids.
Wang, F.; Ben Said, M.; Selzer, M.; Nestler, B.
2015. Journal of materials science, 51 (4), 1820–1828. doi:10.1007/s10853-015-9600-1
Experimental and Numerical Investigation on the Phase Separation Affected by Cooling Rates and Marangoni Convection in Cu-Cr Alloys.
Wang, F.; Klinski-Wetzel, K. von; Mukherjee, R.; Nestler, B.; Heilmaier, M.
2015. Metallurgical and materials transactions / A, 46 (4), 1756–1766. doi:10.1007/s11661-015-2745-3
2014
Numerical study on solutal Marangoni instability in finite systems with a miscibility gap.
Wang, F.; Mukherjee, R.; Selzer, M.; Nestler, B.
2014. Physics of fluids, 26 (12), Art.Nr. 1.4902355. doi:10.1063/1.4902355