IAM - Computational Materials Science

Microstructure – Diffusion

Unter Diffusion versteht man klassischerweise die Ausbreitung eines oder mehrerer Stoffe in einem Medium. Aber auch Wärme kann durch die Materie diffundieren. Beide Phänomene sind wichtig für viele Arten der Energiespeicherung.
BildIAM-CMS

Forschung

Die Forschungsaktivitäten der Gruppe "Microstructure – Diffusion" umfassen die Modellierung der flüssigen und festen Schäume, sowie simulative Untersuchung des Wärmetransports in porösen Strukturen unter Anderem unter dem Einfluss von Strömungen. Ziel ist es, die Effizienz von Wärmetauschern, -kollektoren und -speichern abhängig von der Gefügestruktur und den Materialeigenschaften zu verbessern. Bei der Modellierung der Prozessabläufe werden Phasenumwandlungsprozesse des fluiden Mediums berücksichtigt. Die Forschungsgruppe entwickelt optimale Strukturen der beteiligten porösen Stoffe, beispielsweise eines Metallschaums.

Metallschäume

Metallschäume sind Materialien mit ausgezeichneten Eigenschaften. Sie sehen aus wie Bierschäume, nur ohne Bier und im Wesentlichen ohne die Zwischenwände zwischen den einzelnen Bläschen. Nur wo sich drei oder mehr Bläschen zusammentreffen, ist noch Material. Diese so genannten Stege bilden ein unregelmäßiges festes Netz, das viele Eigenschaften des Grundmaterials – Metall – nach wie vor weitgehend besitzt: Wärmeleitfähigkeit, Stabilität, elektrische Leitfähigkeit. Darüber hinaus bieten sie noch viel mehr: Die Leichtigkeit, der geringere Grundmaterialbedarf und – ganz besonders – die große Oberfläche im Vergleich zum Volumen. Über diese Oberfläche kann zum Beispiel die Wärme mit der Luft, die sich um die Stege herum befindet, ausgetauscht werden. Diese Eigenschaft, verbunden mit der guten thermischen Leitfähigkeit von Metall, macht Metallschäume zu beliebten Gegenständen unserer Forschung im Rahmen des KIT-Programms Energieeffizienz, Materialien und Ressourcen.

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Computermodell eines Metallschaums
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Simulation eines textilen Abstandsgewirks mit Paraffinspeichern

Solarthermie

Die Sonnenenergie kann von schwarzen Gegenständen besonders gut absorbiert werden. So ist die Haut eines Polarbären schwarz, damit er aus dem Sonnenlicht am Nordpol so viel Energie wie möglich rausholen kann. Die weißen Fellhaare, die das Sonnenlicht durchlassen, dienen der Isolation der eigenen Körperwärme. Nach diesem Prinzip wurden im Projekt Solarthermie – zusammen mit dem Projektpartner Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf – Wärmekollektoren aus textilem Abstandsgewirk entwickelt. Neben der Energiegewinnung spielt natürlich auch ihre Speicherung eine große Rolle. Im zweiten Projektschritt wurden neue Speicheranlagen geprüft: Etwa kleine, mit Paraffin gefüllte Fingerhut-große Eimerchen, die unmittelbar unter den textilen Kollektor platziert werden sollen. Paraffin speichert latente Wärme beim Aufschmelzen und setzt sie beim Erstarren wieder frei. Wir am CMS prüfen verschiedene Systeme mit Hilfe von Computersimulationen und machen Verbesserungsvorschläge für ihre Geometrie.

Poröse Wasserrohre

Der möglichst effiziente Umgang mit Energieressourcen ist eine wichtige Herausforderung der Zukunft. Daraus ergibt sich die Suche nach effizienten, günstigen und praktischen Stoffen zur Wärmeleitung und -Speicherung in den Materialwissenschaften. Metallische Schäume stellen einen vielversprechenden Lösungsansatz für Probleme der Energieübertragung und -Speicherung dar, da sie sowohl die Eigenschaft der Durchlässigkeit für Fluide als auch die der großen Oberfläche besitzen. Das ermöglicht das effizientere Erwärmen von Flüssigkeiten und anderen möglichen Füllungen. Ziel ist hierbei eine möglichst große Wärmeübertragung bei einem gleichzeitig möglichst geringen Druckverlust. Die Herstellung dieser Schäume geschieht zunächst in Computersimulationen, in denen der Werkstoff auf verschiedene Bedingungen, wie Temperatur- oder Druckveränderungen und den Einfluss verschiedener Porengrößen getestet wird. Anschließend wird mithilfe eines 3D Druckers ein Modell für den Feinguss des optimalen Schaums hergestellt.
Anwendung finden Metallschäume beispielsweise in der Konzeption von Wasserrohren, die ihre Energie effizienter an das Wasser abgeben.

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Simulation eines durchströmten Wasserrohrs, das mit einem Metallschaum gefüllt ist
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Simulation eines flüssigen Schaums, und Prozesskette hin zu festen metallischen Schäumen

InSeL

Das Forschungsprojekt InSeL (Innovative Schaumstoffstrukturen für den effizienten Leichtbau) ist eine Forschungsinitiative zur Leichtbauforschung in Baden-Württemberg, bestehend aus dem Zusammenschluss verschiedener Universitäten, außeruniversitären Einrichtungen und Unternehmen, an denen das IAM des KIT beteiligt ist. Es beinhaltet die gemeinsame Forschung, aber auch die Wissenskommunikation der Forschungsergebnisse an Unternehmen, sowie die Vernetzung der InSel Mitglieder zu weiteren Forschungsprojekten. Wir am CMS beteiligten uns an diesem Projekt mit Computersimulationen im Bereich flüssige Seifenschäume, feste Polymerschäume, welche als Vorform beim Gießen von besonders feinporigen und monodispersen Metallschäumen dienen. Die mechanischen Eigenschaften der so entwickelten metallischen Leichtbauwerkzeuge werden von uns mit Hilfe von Computersimulationen untersucht.

PoroSan

Auch Granulate, wie z.B. Erdbodenmaterialien, sind poröse Medien. Sind sie verunreinigt und sollen sie mit Hilfe strömender Medien gereinigt werden, so ist das Verständnis der Strömungs- und Stofftransport-Eigenschaften durch sie von großer Bedeutung. Wir versuchen, diesen Phänomenen mit Hilfe der Simulationen der durchströmten Kugelschüttungen auf den Grund zu gehen.

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Simulation eines durchströmten Granulats
Projektteam
Name Tätigkeit
 
 
 
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
wissenschaftlicher Mitarbeiter
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Publikationen


2020
Development of synthetic open porous structures for improved heat transfer.
August, A.; Jamshidi, F.; Kneer, A.; Wolf, R. H.; Wirtz, M.; Nestler, B.
2020. International journal of heat and mass transfer, 159, Article No.120071. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120071
On counting cells in open pore foams.
August, A.; Nestler, B.
2020. Engineering Research Express, 2 (2), Art. Nr.: 025029. doi:10.1088/2631-8695/ab8c94
About the surface area to volume relations of open cell foams.
August, A.; Nestler, B.
2020. Engineering Research Express, 2 (1), Article No.015021. doi:10.1088/2631-8695/ab6ac6
2019
Modern Times need Enlightened Innovation and Sophisticated Materials.
Kneer, A.; Wirtz, M.; Yurtsever-Kneer, S.; Barbe, S.; August, A.
2019. Galvanotechnik, 2019 (4), 712–719
A bionic approach for heat generation and latent heat storage inspired by the polar bear.
August, A.; Kneer, A.; Reiter, A.; Wirtz, M.; Sarsour, J.; Stegmaier, T.; Barbe, S.; Gresser, G. T.; Nestler, B.
2019. Energy, 168, 1017–1030. doi:10.1016/j.energy.2018.11.143
2018
Effective Thermal Conductivity of Composite Materials Based on Open Cell Foams.
August, A.; Reiter, A.; Kneer, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2018. Heat and Mass Transfer Research Journal, 2 (1), 33–45
Computergestütztes Design gradierter Metallschäume.
August, A.; Kneer, A.; Nestler, B.
2018. Forschung aktuell, 2018 (März), 56–58
Perspectives on material modelling: Porous and particle-based microstructures.
Nestler, B.; August, A.; Selzer, M.; Hötzer, J.; Kellner, M.; Prajapati, N.; Rehn, V.; Seiz, M.
2018. Ceramic applications, 6 (1), 73–77
2017
Magische Schäume.
August, A.; Matz, A. M.; Mocker, B. S.; Heimann, J.; Nestler, B.; Jost, N.; Krug, P.
2017. Horizonte, 49, 3–5
2016
Heat propagation in computer designed and real metal foam structures.
August, A.; Matz, A. M.; Nestler, B.; Jost, N.
2016. Multidiscipline modeling in materials and structures, 12 (4). doi:10.1108/MMMS-03-2016-0012
2015
Simulation der Eigenspannungsentwicklung in metallischen Schäumen.
August, A.
2015. Nachwuchsakademie ’Analyse und Bewertung von Eigenspannungen auf unterschiedlichen Längenskalen’, Kassel, 24.-28.Mai 2010
Modellierung und Simulation der Starrkörperbewegung in Rückschlagventilen.
Jainta, M.; Reiter, A.; August, A.; Moik, F.; Nestler, B.
2015. Forschung aktuell, 2015, 13–15
Sonnenbäder am Nordpol: Das Eisbär-Prinzip für Gebäude.
August, A.; Nestler, B.; Kneer, A.
2015. Horizonte : Forschung an Fachhochschulen in Baden-Württemberg, (45), 68
Prediction of heat conduction in open-cell foams via the diffuse interface representation of the phase-field method.
August, A.; Ettrich, J.; Rölle, M.; Schmid, S.; Berghoff, M.; Selzer, M.; Nestler, B.
2015. International Journal of Heat and Mass Transfer, 84, 800–808. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.01.052
Phase-field simulations of large-scale microstructures by integrated parallel algorithms.
Hötzer, J.; Jainta, M.; Vondrous, A.; Ettrich, J.; August, A.; Stubenvoll, D.; Reichardt, M.; Selzer, M.; Nestler, B.
2015. High Performance Computing in Science and Engineering ’14 : Transactions of the High Performance Computing Center, Stuttgart (HLRS), 2014. Hrsg.: W. E. Nagel, 629–644, Springer, Cham. doi:10.1007/978-3-319-10810-0_41
2014
Digital representation of complex cellular structures for numerical simulations.
Ettrich, J.; August, A.; Roelle, M.; Nestler, B.
2014. Cellular Materials (CellMAT 2014), Dresden, October 22-24, 2014
Open cell metal foams: Measurement and numerical modelling of fluid flow and heat transfer.
Ettrich, J.; August, A.; Nestler, B.
2014. Cellular Materials (CellMAT 2014), Dresden, October 22-24, 2014
A numerical approach to derive analytical correlations for pressure drop and heat transfer for open cell porosities.
August, A.; Kneer, A.; Janßen-Tapken, K.; Nestler, B.
2014. Cellular Materials (CellMAT 2014), Dresden, October 22-24, 2014
Digital representation of complex cellular structures for numerical simulations.
Ettrich, J.; August, A.; Roelle, M.; Nestler, B.
2014. Cellular Materials (CellMAT 2014), Dresden, 22.-24. Oktober 2014, CD-ROM
Open cell metal foams: Measurement and numerical modelling of fluid flow and heat transfer.
Ettrich, J.; August, A.; Nestler, B.
2014. Cellular Materials (CellMAT 2014), Dresden, 22.-24. Oktober 2014, CD-ROM
Metallische Schneeflocken.
Wesner, E.; August, A.; Nestler, B.
2014. Horizonte : Forschung an Fachhochschulen in Baden-Württemberg, (43), 29–31
Modelling of transient heat conduction with diffuse interface methods.
Ettrich, J.; Choudhury, A.; Tschukin, O.; Schoof, E.; August, A.; Nestler, B.
2014. Modelling and simulation in materials science and engineering, 22 (8), Art.Nr. 085006/1–29. doi:10.1088/0965-0393/22/8/085006
2013
Advanced coupled simulation methods for heat transfer and stiffnessphenomena induced by fluid flow in metal foams.
Kneer, A.; Janssen-Tapken, K.; Reimann, K.; August, A.; Nestler, B.
2013. 5th International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Sciennce and Engineering, Santa Eulalia, Ibiza, E, June 17-19, 2013
Development and numerical investigation of metal foam based modular latent heat storage cell.
Kneer, A.; August, A.; Nestler, B.; Martens, E.
2013. 2nd International Conference on Materials for Energy (EnMat 2013), Karlsruhe, 12.-16. Mai 2013
Thermal conductivity of air filled open cell aluminum foams.
August, A.; Nestler, B.; Rölle, M.; Schmid, S.; Ettrich, J.
2013. 2nd International Conference on Materials for Energy (EnMat 2013), Karlsruhe, 12.-16. Mai 2013
2012
Eisbärbauten - Simulation der physikalischen Eigenschaften von textilen Wärmedämmstoffen.
Römmelt, M.; August, A.; Kneer, A.; Stegmaier, T.; Nestler, B.
2012. Forschung aktuell, 2012, 21–24
Metallische Schäume: Aktuelle Projekte am KIT-ZBS.
August, A.
2012. Nachwuchsakademie ’Analyse und Bewertung von Eigenspannungen auf unterschiedlichen Längenskalen’, Kassel, 23.-24.April 2012
Thermal conductivity of air filled open cell aluminum foams.
August, A.; Nestler, B.; Rölle, M.; Schmid, S.; Ettrich, J.
2012. Biannual Internat.Conf.on Materials Science Engineering (MSE 2012), Darmstadt, September 25-27, 2012
Computational analysis of bio inspired thermal absorber systems made of textile fabrics.
Schoof, E.; Römmelt, M.; Selzer, M.; August, A.; Nestler, B.; Kneer, A.; Stegmaier, T.
2012. International School and Conference on Biological Materials Science, Potsdam, March 20-23, 2012
A phase-field study of large-scale dendrite fragmentation in Al-Cu.
Wesner, E.; Choudhury, A.; August, A.; Berghoff, M.; Nestler, B.
2012. Journal of crystal growth, 359 (1), 107–121. doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.08.036
Metallic foam structures, dendrites and implementation optimizations for phase-field modeling.
Vondrous, A.; Nestler, B.; August, A.; Wesner, E.; Choudhury, A.; Hötzer, J.
2012. High performance computing in science and engineering ’ 11 : transactions of the High Performance Computing Center, Stuttgart (HLRS) 2011. Ed.: W.E. Nagel, 595–606, Springer, Berlin. doi:10.1007/978-3-642-23869-7_43
Comparison of phase-field and cellular automaton models for dendritic solidification in Al-Cu alloy.
Choudhury, A.; Reuther, K.; Wesner, E.; August, A.; Nestler, B.; Rettenmayr, M.
2012. Computational materials science, 55, 263–268. doi:10.1016/j.commatsci.2011.12.019
2011
Metallic foam structures, dendrites and implementation optimizations for phase-field modeling.
Vondrous, A.; Nestler, B.; August, A.; Wesner, E.; Choudhury, A.; Hötzer, J.
2011. High Performance Computing in Science and Engineering, Stuttgart, October 4-5, 2011
Simulation of heat propagation in open cell metal foams.
August, A.
2011. Euromat 2011 : European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes, Montpellier, F, September 12-15, 2011
Phase field simulations of heat propagation in open cell metal foam.
August, A.
2011. Materials Research Society Spring Meeting, San Francisco, Calif., April 25-29, 2011
Phase-field study of the fragmentation secondary arm in Al-Cu alloys.
Wesner, E.; Choudhury, A.; August, A.; Berghoff, M.; Nestler, B.
2011. Euromat 2011 : European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes, Montpellier, F, September 12-15, 2011
Generierung offenporiger metallischer Schaumstrukturen zur Simulation der Wärmeübertragungseigenschaften.
Rölle, M.; August, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2011. Forschung aktuell, 2011, 21–23
Analysis of thermal evolution in textile fabrics using advanced microstructure simulation techniques.
Römmelt, M.; August, A.; Nestler, B.; Kneer, A.
2011. 5th Internat.Conf.on Textile Composites and Inflatable Structures (Structural Membranes 2011), Barcelona, E, October 5-7, 2011
Analysis of thermal evolution in textile fabrics using advanced microstructure simulation techniques.
Römmelt, M.; August, A.; Nestler, B.; Kneer, A.
2011. 5th Internat.Conf.on Textile Composites and Inflatable Structures (Structural Membranes 2011), Barcelona, E, October 5-7, 2011. Ed.: E. Onate, 614–626
Offenporige metallische Schäume.
August, A.; Nestler, B.; Kneer, A.; Wendler, F.; Rölle, M.; Selzer, M.
2011. Werkstoffe in der Fertigung, 2011 (6), 45–46
2010
Efficiency Study of Metal Foams for Heat Storage and Heat Exchange.
August, A.; Nestler, B.; Wendler, F.; Selzer, M.; Kneer, A.; Martens, E.
2010. CELLMAT 2010 : Proceedings of the International Conference on Cellular Materials, Dresden, Germany, October 27 - 29, 2010. Ed.: G. Stephan, 148–151, Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials, Dresden
Efficiency study of metal foams for heat storage and heat exchange.
August, A.; Nestler, B.; Wendler, F.; Selzer, M.; Kneer, A.; Martens, E.
2010. Gumbsch, P. [Hrsg.] Proc.of the 5th Internat.Conf.on Multiscale Materials Modeling (MMM 2010), Freiburg, October 4-8, 2010 Stuttgart : Fraunhofer Verl., 2010, 355–358
Efficiency study of metal foams for heat storage and heat exchange.
August, A.
2010. International Conference on Cellular Materials (CellMat 2010), Dresden, October 27-29, 2010
Eigenspannungsentwicklung in metallischen Schäumen.
August, A.
2010. Nachwuchsakademie ’Analyse und Bewertung von Eigenspannungen auf unterschiedlichen Längenskalen’, Kassel, 15.Oktober 2010
Efficiency study of metal foams for heat storage and heat exchange.
August, A.; Nestler, B.; Wendler, F.; Selzer, M.; Kneer, A.; Martens, E.
2010. 5th Internat.Conf.on Multiscale Materials Modeling (MMM 2010), Freiburg, October 4-8, 2010
2007
Über die Dehn-Funktion von S-arithmetischen Gruppen. Dissertation.
August, A.
2007. Universität Karlsruhe, Karlsruhe. doi:10.5445/IR/1000007160