Modellierung des Strahlungstransports in porösen Materialien

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1 Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. Modellierung des Strahlungstransports in porösen Materialien Daniel Gerstenlauer, Ch. Doerffel, M. Arduini-Schuster, J. Manara AKT Dienstag, 18. Februar 2014

2 Der Redner Daniel Gerstenlauer Diplom Physiker Doktorand ZAE/EF

3 Übersicht Motivation Poröse Medien Simulation Strahlungstransport Messung Strahlungstransport Strahlungstransport nanoskaliger Medien

4 Motivation Wärmetransport optimieren Ressourcen sparen

5 Übersicht Motivation Poröse Medien Simulation Strahlungstransport Messung Strahlungstransport Strahlungstransport nanoskaliger Medien

6 Poröse Medien Zwei Materialien verschiedener Phasen Ein umschließendes Material (Matrix) Verschiedene Strukturen möglich: Schaum Faser Pulver

7 Poröse Medien

8 Motivation λ tot = λ i = λ g + λ s + λ r Glicksman, MIT Sommer course on foams

9 Übersicht Motivation Poröse Medien Simulation Strahlungstransport Messung Strahlungstransport Strahlungstransport nanoskaliger Medien

10 Strahlungstransport Für optisch dicke Proben gilt: λ r T = 16 σ T3 3 e T ρ : Stefan-Boltzmann Konstante e * : Effektiver spezifischer Extinktionskoeffizient (Absorption & Streuung) : Dichte des Materials

11 Strahlungstransportgleichung Transmissions-, Reflexionsund Emissionsgrad Brechungsindex, Struktur, etc. Drei-Fluss-Rechnung Mie-Theorie Extinktionskoeffizient und Albedo Drei-Fluss-Rechnung Mie-Theorie Transmissions-, Reflexionsund Emissionsgrad Gleichung für den Strahlungstransport Strahlungswärmeleitfähigkeit Struktur, Poren- bzw. Partikel- Größe, etc.

12 T-Matrix Methode Idee (Waterman): a mn b mn scatt T-Matrix nur von physikalischen Eigenschaften bestimmt Ideale Sphäre (Mie): = T f mn g mn inc a n 1 0 = T n b n 0 T2 n f n g n

13 Mie Theorie Placido/Arduini-Schuster/Kuhn, Thermal properties predictive model for insulating foams, Infr phys tech 2004.

14 Mie Theorie

15 Mie Theorie (Halb-)analytisches Modell: Schaum auf Substrukturen herunterbrechen Taschenrechner verwenden

16 Finite Differences in Time Domain Bisher: T-Matrix beliebig kompliziert und rechenintensiv Mie Theorie ohne abhängige Effekte Alternativ: Finite Differenzen im Zeitregime als weitere Möglichkeit, Strahlungstransport zu simulieren

17 Finite Differences in Time Domain Part. Ableitungen der Maxwell Gleichungen durch finite Differenzen ersetzen Em. Felder an diskreten Punkten berechnen Em. Felder untereinander jeweils um halbe Zellgröße versetzen Yee-Zellen El. Feldes/magn. Feldes abwechselnd berechnen leap frog in time stepping

18 Finite Differences in Time Domain

19 Finite Differences in Time Domain

20 Finite Differences in Time Domain Hier Video zeigen, da PPT keine *.mkv abspielt

21 Übersicht Motivation Poröse Medien Simulation Strahlungstransport Messung Strahlungstransport Strahlungstransport nanoskaliger Medien

22 Extinktionskoeffizient e*[ m 2 /kg] Extinktionskoeffizient e*[ m 2 /kg] Simulation Mie Theorie 200 µm 200 µm Mittlere Wanddicke: 0.52 µm Mittlerer Zelldurchmesser: 158 µm Schaumdichte: 14.3 kg/m Mittlere Wanddicke : 0.35 µm Mittlerer Zelldurchmesser : 108 µm Schaumdichte : 14.3 kg/m Messung Simulation Messung Simulation Wellenlänge λ [µm] Wellenlänge λ [µm] Placido/Arduini-Schuster/Kuhn, Thermal properties predictive model for insulating foams, Infr phys tech 2004.

23 Simulation FDTD Reflexionsgrad Gitter d = 25µm, m = 38µm

24 Übersicht Motivation Poröse Medien Simulation Strahlungswärmetransport Messung Strahlungswärmetransport Strahlungstransport nanoskaliger Medien

25 Wärmequantisierung Messung des Wärmeleitfähigkeitquants g 0 ergibt g 0 = π 2 k B 2 T 3h = W K 2 T Schwab/Henriksen/Worlock/Roukes, Measurement of the quantum of thermal conductance, Nature 2000

26 Mesoskopisches Dilemma Fouriers Gesetz Wärmequantisierung Übergang unbekannt, aber: Übergang Mikro- oder Nanoschäumen bedeutet Quantisierung beachten: Phononentransport und streuung, ballistischer Transport,

27 Strahlungstransport Strahlungstransport auf kleinsten Skalen: klassische Elektrodynamik + Fluktuations- Dissipations-Theorem (FDT) FDT korreliert kleine Störungen des lokalen thermischen Gleichgewichts mit der Reaktion spontaner Fluktuation

28 Strahlungstransport Karl Joulain, Microscale and Nanoscale Heat Transfer

29 Zusammenfassung + Ausblick Vielzahl poröser Materialien auf Strahlungstransport untersuchbar Mie Theorie beschreibt Schäume sehr gut FDTD als vielseitigere Methode eingeführt Kleinere Strukturen benötigen neue Methoden/Physik

30 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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