Steinbeis-Experten entwickeln Simulations-Software
Benetzung und Flüssigkeitsausbreitung auf strukturierten Oberflächen und in zellulären porösen Medien spielen eine zentrale Rolle in einem breiten Spektrum von Anwendungen und für unterschiedliche Werkstoffe. Mit dem an der Hochschule Karlsruhe entwickelten Softwarepaket Pace3D können die Kontaktwinkeleigenschaften von Flüssigkeitstropfen und Flüssigkeitsfilmen auf komplexen Oberflächen simuliert werden. Über das Steinbeis-Transferzentrum Werkstoffsimulation und Prozessoptimierung werden Computersimulationen mit Pace3D angeboten.
Benetzung eines Flüssigkeitstropfens auf einer rauen Oberfläche (li. oben), Simulation zweier nicht-mischbarer Tropfen (re. oben), Kondensation von Wassertropfen auf Fasern (li. unten), Computermodell einer granularen Sandstruktur zur Simulation ein- und mehrphasiger Strömung (re. unten).
Die Anwendungsbeispiele für eine derartige Flüssigkeitsausbreitung sind zahlreich: vom Lotuseffekt auf rauen nano- oder mikrostrukturierten Oberflächen über in Bauteilbereiche eindringende Flüssigkeit als Vorlaufprozess für Korrosion bis hin zur Kondensation und Verdunstung auf Gewebefasern zur Wassergewinnung.
Die an der Hochschule Karlsruhe in Form von Pace3D entwickelten Modelle basieren auf dem Prinzip der Energieminimierung und sind in der Lage, die 3D Topologie und Ausbreitungsdynamik mehrerer nichtmischbarer Fluide unter Berücksichtigung der substanzspezifischen Eigenschaften zu beschreiben. Die physikalischen Kenngrößen der Flüssigkeiten und die Trägerstruktur sind Bestandteil der Modellierung und ermöglichen die Analyse der Kontaktwinkelprozesse für verschieden behandelte Oberflächen.
In Simulationsstudien kann die Wirkung der Oberflächeneigenschaften und der geometrischen Auslegung der Struktur oder des Bauteils auf die Benetzung und auf die Kapillarkräfte systematisch erforscht werden. Im Rahmen von Förderprojekten mit Industriepartnern haben die Karlsruher Experten Pace3D schon erfolgreich zur Vorhersage von Kondensations- und Verdunstungsraten, zur Bestimmung von anisotropen Permeabilitätseigenschaften, zur Bestimmung der Flüssigkeitsmengen und der Fortschrittsgeschwindigkeit in Kanälen, Spalten und Porenstrukturen eingesetzt.