Simulations of Transport Phenomena and Porous Structures Using Dissipative Particle Dynamics

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Det här arbetet handlar om simuleringar av porösa material och transportfenomen vid en mesoskopisk längdskala, det vill säga en längdskala större än en enskild atom men mindre än att alla atomer beter sig som en kontinuerlig enhet. De porösa material som har studerats är membran som används i bränsleceller. Masstransport har även studerats i membranet. Värme- och masstransport har studerats i raka kanaler, först i kanaler helt fyllda med vätska och sedan även i kanaler med droppvis flöde. I bägge fallen har även stelning, det vill säga fasövergång från flytande till fast form, studerats. Vad är då syftet med denna studie? Många av våra nya tekniker förlitar sig på fysikaliska processer som sker vid väldigt små längskalor. I en bränslecell transporteras protoner i porösa membran där porerna endast är några få nanometer i diameter. De kemiska reaktionerna i bränslecellen är beroende av att syre, protoner och elektroner reagerar med varandra på en aktiv yta av nanometerstorlek. I bägge fallen är flöden av storleksordningen nanoliter per sekund av stor betydelse för hela bränslecellens prestanda. Ett flöde beter sig väldigt annorlunda i kanaler och porer av denna ringa storlek än vad de skulle i en större apparat. Att förstå hur dessa flödesprocesser fungerar i detalj samt hur de aktiva porösa materialen är konstruerade kan hjälpa oss att bygga effektivare och billigare batterier och bränsleceller. Detta är motiveringen till arbetet. Målsättningen med detta arbete är att ernå fördjupad förståelse för transportfenomen och porösa strukturer vid en mesoskopisk längdskala. Att utföra experiment är väldigt kostsamt och därför har datorsimuleringar använts som tillvägagångssätt. Mer detaljerat så har målsättningen varit att rekonstruera den mesoskopiska strukturen i det ledande materialet som används som membran i en bränslecell och utvärdera dess transportegenskaper som exempelvis diffusion, samt att utvärdera värme- och masstransport i raka kanaler där extra fokus har lagts på värmeöverföring i inloppet till kanalerna och stelning. Hela detta arbete bygger på datorsimuleringar och simuleringsmetoden dissipativ partikeldynamik (DPD) har använts för samtliga studier. Studien visar att den presenterade modellen över de porösa membranen överensstämmer väl med tidigare studier både med avseende på masstransport och strukturella parametrar. Studierna av mesoskopiskt flöde i raka kanaler förutspår en effektivare värmeöverföring i kanalernas inlopp jämfört med motsvarande makroskopiska kanaler, samt att stelning kommer att bero på temperaturskillnad mellan inloppet och de kalla väggarna, medans flödeshastigheten kommer att ha en ringa betydelse.