Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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Simulation mit PoreChem.
© Fraunhofer ITWM
Simulation mit PoreChem. Die Software simuliert den Fluss, Transport und Reaktionen chemisch reaktiver gelöster Stoffe in aufgelösten porösen Medien.

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PoreChem – Simulation des reaktiven Stofftransports in porösen Medien

Reaktiver Transport von gelösten Stoffen ist relevant in vielen Prozessen der Industrie und Umwelt. Beispiele hierfür sind funktionalisierte Membranen, die Absorption von gelösten reaktiven Stoffen in Gestein oder nanoporösen Reaktoren. Für das akademische Studium dieser Prozesse und deren Optimierung in industriellen Prozessen und Produkten sind numerische Simulationen auf Porenebene unerlässlich.

Zu diesem Zweck haben wir PoreChem entwickelt, ein hochentwickeltes Softwarepaket, das dreidimensionalen Fluss, Transport und Reaktionen chemisch reaktiver gelöster Stoffe in aufgelösten porösen Medien simuliert.

Mit PoreChem kann zunächst die Strömung eines Fluides durch ein poröses Medium (siehe Abbildung 1) simuliert werden. Auf dem daraus resultierenden Geschwindigkeitsfeld wird dann der Transport gelöster Stoffe durch Diffusion und Advektion im Porenraum (siehe Abbildung 2) berechnet. Dabei können Reaktionen zwischen den Spezies mit verschiedenen Reaktionskinetiken mitberücksichtigt werden. Diese Reaktionen können sowohl im Fluidvolumen als auch auf der Oberfläche des porösen Mediums stattfinden.

Geschwindigkeitsverteilung im Porenraum
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Auf dieser Grafik ist die Geschwindigkeitsverteilung farblich markiert, die bei einem Fluid im Porenraum einer Mikrofiltrationsmembran vorliegt. Zu sehen ist hier die aufgelöste Geometrie der inneren Struktur dieser Membran.

PoreChem ermöglicht direkte numerische Simulationen von:

  • Geschwindigkeitsverteilungen in den Porenräumen der aufgelösten Geometrien von Mikrofiltrationsmembranen
  • dem Fluss eines Fluides (kompressibel oder inkompressibel) durch ein poröses Medium auf 3D-Bildern
  • dem Transport gelöster Stoffe durch Diffusion oder Advektion im Porenraum
  • den Reaktionen verschiedener Partikeltypen im Fluid auf der Porenskala
  • Oberflächenreaktionen mit mehreren verschiedenen Reaktionskinetiken
  • der Kopplung der Massenanreicherung an den Fluss in porösen Medien

Mit PoreChems hochoptimiertem Löser werden numerische Simulationen direkt auf Volumenbildern aus mikrobildgebenden Verfahren – wie etwa µCT – oder auf virtuellen, mit unsere Partnersoftware GeoDict generierten, Domänen durchgeführt.

 

Darüber hinaus berechnet PoreChem mehrere wichtige Größen, wie z.B.:

  • absorbierte Masse und Konzentration im Fluid als Funktion der Zeit
  • die Effizienz funktionalisierter Membranen
  • Durchbruchkurven von Schadstoffen

Damit kann PoreChem für viele verschiedene physikalische Fragestellungen zu erwartende experimentelle Ergebnisse numerisch simulieren. Dies reduziert den Bedarf an teuren und zeitaufwändigen Experimenten. Auch kann damit das experimentelle Setup optimiert werden, wie etwa die Porenmorphologie in Filterapplikationen.

Verteilung eines Schadstoffes im Porenraum in einer aufgelösten Geometrie.
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Hier ist die räumliche Verteilung eines Schadstoffes im Porenraum in einer aufgelösten Geometrie dargestellt.

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