Dr. Anastasia August

Forschung

Modellierung des Wärmetransports in porösen Strukturen unter Anderem unter dem Einfluss von Strömungen

Die Forschungsaktivitäten der Gruppe "Multiphysics Materials Modelling: Microstructure-Heat-and-Mass Transfer" von Dr. rer. nat. Anastasia August umfasst die Modellierung 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.

 

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Foto: Dr. Marco Berghoff

 

Wichtigste Forschungsprojekte

 

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 Eingenschaft, verbunden mit der guten thermischen Leitfähigkeit von Metall, macht Metallschäume zu beliebten Gegenständen unserer Forschung im Rahmen des KIT-Programms Energieeffizienz, Materialien und Ressourcen.

Link: http://www.emr.kit.edu/

 

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 raus holen kann. Die weißen Fellhaare, die das Sonnenlicht durch lassen, dienen der Isolation der eigenen Körperwärme. Nach diesem Prinzip werden im Projekt Solarthermie – zusammen mit dem Projektpartner Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf (→ https://www.uni-stuttgart.de/forschung/orp/inst_profile/we/itv.html) Wärmekollektoren aus textilem Abstandsgewirk entwickelt. Neben der Energiegewinnung spielt natürlich auch ihre Speicherung eine große Rolle. Im zweiten Projektschritt werden 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 prüfenverschiedene 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 geringem 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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InSel: Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau

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. Dabei stehen drei Aspekte für die InSel Mitglieder im Vordergrund:

 

Innovationsaspekt:

Durch die immer weiter fortschreitende Technologie sind poröse Strukturen sehr gefragte Werkstoffe, deren Entwicklung jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden ist, wie beispielsweise die Entwicklung von Kompositen.

 

wirtschaftlicher Aspekt:

Das InSel Projekt soll die wirtschaftliche Erschließung bisher nicht ausreichend nutzbar gemachter poröser Materialien ermöglichen. Damit wird die Wettbewerbsfähigkeit vor allem mittelständischer Unternehmen gesteigert.

 

Kommunikationsaspekt:

Dieser beinhaltet die Wissenskommunikation an Unternehmen. Durch den interdisziplinären Ansatz soll zudem die Kommunikation der Forschenden untereinander gestärkt werden.

 

Unser Teilprojekt:

Wir am CMS beteiligten uns an diesem Projekt mit Computersimulationen im Bereich Polymerschäume, welche als Vorform beim Gießen von besonders feinporigen und monodispersen Metallschäumen dienen.

 

Link: https://www.hs-pforzheim.de/insel

 

Das Projekt wird gefördert durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und durch das Land Baden-Württemberg im Rahmen des Zentrums für Angewandte Forschung ZAFH ,,InSeL - Innovative Schaumstrukturen für den effizienten Leichtbau''. Wir danken EFRE und Baden-Württemberg für die Unterstützung des Vorhabens.

Bild
Populärwissenschaftliche Vorträge
Titel Tagung Autoren

Metallschaum Teil 1: Youtube

Metallschaum Teil 2: Youtube

Wärmeleitfähigkeit: Youtube

Nebelfänger Teil 1: Youtube

Nebelfänger Teil 2: Youtube

Eisbär Teil 1: Youtube

Eisbär Teil 2: Youtube

Talking Science: Karlsruhe-Blog

Famelab: clickit-magazin

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Podcast: Math KIT

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Metallschaum und Paraffin: Youtube

Stetigkeit: Youtube

Eisbär: Feeds Video Uni-Erlangen

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Publikationsliste


Poster
  1. 2024
    Digital twins - Synthetic and real porous materials
    Jamshidi, F.; Kunz, W.; Holland-Cunz, J.; August, A.; Nestler, B.
    2024, Juli 16. 2nd IAM Networking Seminar (2024), Karlsruhe, Deutschland, 16. Juli 2024
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
Vorträge
  1. 2015
    Simulation der Eigenspannungsentwicklung in metallischen Schäumen
    August, A.
    2015. Nachwuchsakademie ’Analyse und Bewertung von Eigenspannungen auf unterschiedlichen Längenskalen’, Kassel, 24.-28.Mai 2010
  2. 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
  3. 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
  4. 2012
    Metallische Schäume: Aktuelle Projekte am KIT-ZBS
    August, A.
    2012. Nachwuchsakademie ’Analyse und Bewertung von Eigenspannungen auf unterschiedlichen Längenskalen’, Kassel, 23.-24.April 2012
  5. 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
    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
  6. 2010
    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
Proceedingsbeiträge
  1. 2015
    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. doi:10.1007/978-3-319-10810-0_41
  2. 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
  3. 2012
    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-Verlag. doi:10.1007/978-3-642-23869-7_43
  4. 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
  5. 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
    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
Zeitschriftenaufsätze
  1. 2024
    Dual-porosity approach: heat transfer and heat storage processes in porous media
    Kneer, A.; August, A.; Alesi, E.; Reiter, A.; Wirtz, M.; Koeppe, A. H.; Barbe, S.; Nestler, B.
    2024. Mathematical and computer modelling of dynamical systems, 30 (1), 202–227. doi:10.1080/13873954.2024.2328663
  2. 2023
    Simulative Determination of Effective Mechanical Properties for Digitally Generated Foam Geometries
    Reder, M.; Holland-Cunz, J.; Lorson, P.; August, A.; Nestler, B.
    2023. Advanced Engineering Materials. doi:10.1002/adem.202300340
    A 3D computational method for determination of pores per inch (PPI) of porous structures
    Jamshidi, F.; Kunz, W.; Altschuh, P.; Lu, T.; Laqua, M.; August, A.; Löffler, F.; Selzer, M.; Nestler, B.
    2023. Materials Today Communications, 34, Art.-Nr.: 105413. doi:10.1016/j.mtcomm.2023.105413
    Vom Labor in die digitale Welt
    Holland-Cunz, J.; Laqua, M.; Wagner, F. N. P. H.; August, A.; Nestler, B.
    2023. Forschung aktuell / Hochschule Karlsruhe
  3. 2022
    Materialwissenschaft um Luftlöcher
    Holland-Cunz, J.; August, A.; Reder, M.; Nestler, B.
    2022. Forschung aktuell, 2022 (Juni), 16–19
  4. 2021
    Kleine Bausteine mit großer Wirkung
    Kneer, A.; August, A.; Wirtz, M.; Herrmann, C.; Schneider, D.; Nestler, B.
    2021. Forschung aktuell, 44–51
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 2017
    Magische Schäume
    August, A.; Matz, A. M.; Mocker, B. S.; Heimann, J.; Nestler, B.; Jost, N.; Krug, P.
    2017. Horizonte, 49, 3–5
  9. 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
  10. 2015
    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
  11. 2014
    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
  12. 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
    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
    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
  13. 2011
    Generierung offenporiger metallischer Schaumstrukturen zur Simulation der Wärmeübertragungseigenschaften
    Rölle, M.; August, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
    2011. Forschung aktuell, 2011, 21–23
    Offenporige metallische Schäume
    August, A.; Nestler, B.; Kneer, A.; Wendler, F.; Rölle, M.; Selzer, M.
    2011. Werkstoffe in der Fertigung, 2011 (6), 45–46
Dissertationen
  1. 2007
    Über die Dehn-Funktion von S-arithmetischen Gruppen. Dissertation
    August, A.
    2007. Universität Karlsruhe (TH). doi:10.5445/IR/1000007160