Berechnen der Tortuosität und der effektiven Diffusivität

DiffuDict

DiffuDict berechnet den Tortuositätsfaktor und die effektive Diffusivität von porösen Medien.

Poröse Medien für die Berechnungen mit DiffuDict können entweder mit GeoDict generiert oder aus Dateien, z.B. einer CT- oder FIB/SEM-Aufnahme, importiert werden. Abhängig von der Porengröße kann die diffundierende Flüssigkeit als Kontinuum oder als einzelne Moleküle betrachtet werden, die durch Reflexionen an den Porenwänden diffundieren.

Die Knudsen-Zahl (Kn), die das Verhältnis zwischen dem Porendurchmesser und der mittleren charakteristischen Weglänge der Moleküle im Fluid beschreibt, bestimmt, welches der beiden Modelle dominant ist.

Anwendungsbeispiele

Bestimmung der

  • Tortuosität der Poren 
  • effektiven Diffusionsfähigkeit von Gasdiffusionsschichten mit oder ohne mikroporöse Schichten 
  • Konzentrationsverteilung innerhalb einer Katalysatorschicht.

Anwendungsbeispiele

DiffuDict Features

Die Berechnung des Tortuositätsfaktors und der effektiven Diffusivität erfolgt parallelisiert für Shared-Memory Workstations oder verteilte Speichercluster.

Die Knudsen-Zahl (Kn), die das Verhältnis zwischen dem Porendurchmesser und der mittleren charakteristischen Weglänge der Moleküle im Fluid beschreibt, bestimmt, welches der beiden Modelle dominant ist:

Kleine Knudsen-Zahlen

Für kleine Knudsen-Zahlen wird das Fluid als Kontinuum betrachtet und die Konzentrationsverteilung innerhalb des porösen Mediums wird durch die Laplace-Gleichung geregelt. Die effektive Diffusivität wird dann anhand des resultierenden Konzentrationsfluss bestimmt, wobei das erste Gesetz von Fick angewendet wird. Die relative Diffusität und der Tortuositätsfaktor werden dann durch den Vergleich der effektiven Diffusivität durch das poröse Material mit der Diffusivität im Innern des Fluids ermittelt.

Große Knudsen-Zahlen

Für große Knudsenzahlen wird die Reflexion einzelner Moleküle an den Porenwänden simuliert, um die mittlere quadratische Verschiebung der Moleküle über die Zeit zu erhalten. Aus diesem Wert kann die effektive Diffusivität berechnet werden.

Mittlere Knudsen-Zahlen

Für mittlere Knudsen-Zahlen wird die Bosanquet-Näherung verwendet, um die effektive Diffusivität durch Mittelwertbildung zwischen diesen beiden Fällen zu finden. 

Service

Tortuositätsfaktor und effektive Diffusivität 

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  • Module aus dem Digitalen Materialdesign zur Erstellung/Modellierung von 3D-Strukturmodellen in GeoDict