Gefrier- und Auftauprozesse in gesättigten porösen Materialien - ein Modellierungskonzept im Rahmen der Theorie poröser Medien

Bloßfeld, Wolfgang Moritz GND

In den Ingenieur- und Naturwissenschaften spielen Gefrier- und Auftauprozesse von Flüssigkeiten in porösen Materialen hinsichtlich der Problematik der Frostlanglebigkeit von Festkörpern eine wichtige Rolle. In der vorliegenden Arbeit wird auf der Grundlage der Theorie poröser Medien (TPM), ein makroskopisches kompressibles 4-Phasen-Modell, bestehend aus den Konstituierenden: Festkörper (Zementstein), Flüssigkeit (gefrierbares Wasser), Eis und Gas (Luft), sowie ein inkompressibles 3-Phasen-Modell (Zementstein, gefrierbares Wasser und Eis) zur Beschreibung von Gefrier- und Auftauprozessen in saturierten porösen thermoelastischen Festkörpern formuliert. Der Schwerpunkt liegt auf der Beschreibung kapillarer, mikromechanischer (Mikro-Eislinsen-Pumpe, Frostsaugen) und energetischer Effekte mit der Untersuchung der thermodynamischen Zustandsgrößen: Temperatur, Druck , freie Energie, {\it Gibbs}che Energie, Enthalpie, freie Enthalpie (latente Wärme, Schmelz- und Erstarrungswärme) und Entropie sowie die Volumendehnung und Änderung der Porosität (Durchlässigkeit) vor, während und nach der Phasenumwandlung unter zyklischer Wärmebelastung und auf der Formulierung der konstitutiven Beziehungen durch die Auswertung der Entropieungleichung und des Dissipationsmechanismus. Für die Beschreibung der Phasenübergänge 1. Art (hier: flüssig - fest) wurde ein physikalisch motivierter Ansatz bezüglich der Massenzuwächse formuliert. Im Rahmen der numerischen Modellbildung werden die gekoppelten, nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen unter Verwendung des Standard Galerkin-Verfahrens in das Finite-Elemente-Programm FEAP implementiert. Die numerischen Ergebnisse der Simulationen von realitätsnahen physikalischen Anfangs- und Randwertproblemen zeigen, dass das Modell physikalische Beobachtungen beschreiben kann und verdeutlicht die Anwendbarkeit und die Praxisrelevanz der in dieser Arbeit entwickelten Modelle für gesättigte poröse Materialien unter zyklischer Wärmebelastung.

In civil engineering, freezing and thawing processes of fluid and gas saturated porous media under thermal loading regarding frost durability are a point of great discussion. In this work, a macroscopic compressible quadruple model, consisting of the constituents solid (cement stone), liquid (freezable water), ice and gas (air) and an incompressible ternary model (cement stone, freezable water and ice) are presented within the framework of the Theory of Porous Media (TPM) for description of freezing and thawing processes in fluid and gas saturated porous media. The main focus lies on the description of capillary effects, micro mechanic effects (micro-ice-lens model frost-suction) and energy effects with respect to the thermo-dynamic values: temperature, pressure, free energy, Gibbs energy, enthalpy, free enthalpy (latent heat, heat of fusion and heat of freezing) and entropy as well as the volume deformations and the change of porosity (permeability) due to ice formation before, during and after the phase transition under thermal loading and the formulation of the constitutive relations by the evaluation of the evaluation of the entropy inequality and dissipation mechanism. For detection of energetic effects with respect to the control of phase transition of water and ice, a physically motivated evolution equation for the mass exchange between ice and liquid is presented. Regarding the numerical treatment the coupled, nonlinear partial differential equations have been implemented in the finite element program FEAP within the framework of standard Galerkin method. The numerical results of the simulations of real physical value and boundary problems show that the model is capable to predicting experimental observations and illustrate the practical application of the developed model for saturated porous solids under cyclic thermal loading.

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Bloßfeld, Wolfgang Moritz: Gefrier- und Auftauprozesse in gesättigten porösen Materialien - ein Modellierungskonzept im Rahmen der Theorie poröser Medien. 2020.

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