Modellierung und Simulation von Hoch-Temperatur-Korrosionsprozessen:
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| Published: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
2009
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Reihe 5, Grund-und Werkstoffe/Kunststoffe ; 740 |
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| adam_text | Titel: Modellierung und Simulation von Hoch-Temperatur-Korrosionsprozessen
Autor: Buschmann, Udo
Jahr: 2009
Inhaltsverzeichnis
Nomenklatur VIII
1 Einleitung l
1.1 Zielsetzung 2
1.2 Gliederung 3
1 Grundlagen und Theorie der Hoch-Temperatur-Korro¬
sion 5
2 Technischer Hintergrund und Literaturkenntnisstand 6
2.1 Phänomenologie der Hoch-Temperatur-Korrosion 6
2.2 Beispielsysteme 7
2.3 Literaturkenntnisstand 9
3 Modellierungsgrundlagen 11
3.1 Chemische Thermodynamik 11
3.1.1 Chemisches Gleichgewicht 11
3.1.2 Reaktionsgemische 13
3.1.3 Gemische realer Systeme 14
3.2 Geschwindigkeit chemischer Reaktionen 14
3.2.1 Experimentelle Methoden 15
3.2.2 Kinetik von Reaktionen 15
3.2.3 Konzentrationsabhängige Reaktionsgeschwindigkeiten 15
3.2.4 Stoßtheorie 16
3.3 Diffusion 16
3.3.1 Atomare Bewegungsvorgänge 16
3.3.2 Phänomenologische Betrachtung der Diffusion 20
3.3.3 Temperaturabhängigkeit der Diffusion 21
3.3.4 Analytische Lösungen ausgewählter Diffusionsszenarien 22
4 Wagner-Theorie zur Beschreibung von innerer Oxidation 25
4.1 Annahmen und Grundlagen 25
4.2 Vernachlässigung der Metalldiffusion 27
4.3 Berücksichtigung der Metalldiffusion 28
4.4 Diskussion der gefundenen Lösungen 28
V
Inhaltsverzeichnis
5 Modellierungsansätze für Diffusions-Reaktions-Systeme 30
5.1 Approximation durch einen quasistatischen Ansatz 30
5.1.1 Gleichgewichtsberechnungen für Massenwirkungssysteme 31
5.1.2 Gleichgewichtsberechnungen für nicht ideale Systeme 33
5.2 Approximation durch einen zeitkontinuierlichen Ansatz 34
5.2.1 Reaktionskinetiken für einfache Systeme 34
5.3 Stöchiometrische Zwänge 36
5.3.1 Projektion auf den stöchiometrischen Raum 38
6 Ansätze zur Approximation der Triebkraft 40
6.1 Thermodynamisches Gleichgewicht 40
6.2 Konzentrationsdifferenzen 42
6.3 Vektor der Zustandsänderungen 43
6.4 Chemisches Potenzial 45
7 Numerische Lösungsverfahren für Differentialgleichungen 47
7.1 Differenzenquotienten 47
7.1.1 Ableitungen erster Ordnung 47
7.1.2 Ableitungen höherer Ordnung 48
7.2 Integration von Differenzialgleichungen 49
7.2.1 Approximation der Differenziale 49
7.2.2 Explizites Euler-Verfahren 50
7.2.3 Implizites Euler-Verfahren 51
8 Simulator-Implementierung 54
8.1 Architektur 55
8.2 Daten-Cache 56
8.2.1 Substitution 58
8.2.2 Interpolation 60
II Experimente zu gekoppelten Reaktions-Diffusions-
Systemen 63
9 Vergleich zwischen quasistationärem und kontinuierlichem Ansatz 64
9.1 Definition des Modellsystems 64
9.2 Anwendung des kontinuierlichen und des quasistatischen Modells 66
9.3 Diskussion des Modelleinflusses 67
10 Ein vielphasiges System 70
10.1 Festlegung des Simulationsmodells 71
10.2 Analyse der Ergebnisse 73
10.3 Quantifizierung der realen Reaktionskinetik 75
11 Zweidimensionales System mit anisotropen Diffusionsverhalten 76
11.1 Darstellung der experimentellen Befunde 7g
11.2 Definition des Simulationsmodells 77
11.3 Bewertung der Resultate 80
VI :
I
i
Inhaltsverzeichnis
12 Ein dreidimensionales System 82
12.1 Thermographische Untersuchung bei verschiedenen Versuchsführungen . . . 82
12.2 Neubildung einer verletzten Oxidschicht 84
12.3 Änderung der Elementzusammensetzung 85
12.4 Vergleich der experimentellen Befunde mit der thermodynamischen Vor¬
hersage 87
12.5 Eindimensionale Betrachtung des Schichtaufwachsens 88
12.6 Verarmung an Aluminium innerhalb der Probe 89
12.7 Korrosion der Probe 93
12.8 Diskussion der Ergebnisse 93
13 Leistungsverhalten des Simulators 94
13.1 Parallelisierung der Thermodymanik-Berechnungen 94
13.2 Speicherung errechneter Gleichgewichtslagen im Cache 95
14 Zusammenfassung und Ausblick 97
III Diffusionsberechnungen auf heterogenen Gebieten 101
15 Mikrostruktur und Morphologie von Ausscheidungen 102
16 Zellulare Automaten zur Beschreibung von räumlich verteilten Syste¬
men 104
16.1 Charakteristika von zellulären Automaten 104
17 Diffusionsmodelle für zelluläre Automaten 107
17.1 Zellular Automat von Toffoli und Margolus 107
17.2 Zellular Automat von Chopard und Droz 108
17.3 Sensitivität des Modells 112
17.4 Erweiterung des Modells 113
18 Implementierung 115
18.1 Octree 115
18.2 Minimierung des notwendigen Speicherbedarfs 116
18.3 Leistungsverhalten 118
19 Anwendung des Diffusionsautomaten 120
20 Zusammenfassung und Ausblick 123
Literaturverzeichnis 125
VII
|
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