Die strömungsmechanischen Eigenschaften von Mikrostrukturen, wie etwa die Fitrationseffizienz von Filtermedien, werden maßgeblich durch ihren mikroskopischen Faseraufbau beeinflusst. Ausgehend von der geometrischen Erfassung solcher Mikrostrukturen, beispielsweise durch Computertomographie-Aufnahmen, können die Strömungsvorgänge innerhalb einer Mikrostrukturen mit modernen Lattice-Boltzmann Methoden berechnet werden. Mit speziell entwickelten numerischen Algorithmen lässt sich darüber hinaus der Transport von Partikeln und ihre Anlagerung an die mikroskopische Faserstruktur simulieren. Dabei werden alle relevanten Wechselwirkungen zwischen dem Fluid und den Partikeln, wie z.B. Widerstandskräfte und Brownsche Bewegung, berücksichtigt. Dies beinhaltet bei Anlagerungsprozessen insbesondere auch molekulare Kräfte, wie beispielsweise die van-der-Waals Kräfte. Die für die Durchströmung relevante Versperrung bereits abgeschiedener Partikel kann durch eine direkte Kopplung zwischen Partikel- und Fluidbewegung berücksichtigt werden.
Umfassende Berechnungen der Strömungsphänomene und des Partikeltransports innerhalb einer Mikrostruktur erlauben tiefe Einblicke in die physikalischen Vorgänge auf mikroskopischer Ebene und ermöglichen eine gezielte Optimierung der Geometrie solcher Faserstrukturen.
Numerische Verfahren
Für die Berechnung der strömungsmechanischen Phänomene innerhalb der Mikrostrukturen verwenden wir speziell entwickelte Lattice-Boltzmann Methoden (LBM). Ein großer Vorteil dieser Methoden besteht darin, selbst hochkomplexe Geometrien sehr einfach erfassen zu können. Die Berechnung der Partikelbewegung durch die Mikrostrukturen erfolgt durch explizite bzw. implizite Algorithmen zur Lösung der Bewegungsgleichungen der Partikel.
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