Porenstrukturabhängiger Wärme- und Stofftransport textiler Flächengebilde

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Götz T. Gresser; Professor Dr.-Ing. Ulrich Nieken
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453311482

Textilien sind eine Produktklasse mit einem breiten Einsatzspektrum und hohen funktionalen Anforderungen an mechanische und thermophysiologische Eigenschaften. Im Gegensatz zu vielen anderen Werkstoffen weisen Textilien über Faser, Garn und Flächentechnik eine komplexe „vielskalige“ Struktur auf. Betrachtet man Textilien als poröse Medien, spiegeln sich diese Skalen auch in den porometrischen Eigenschaften Porosität, Porendurchmesser und spezifischer Oberfläche der Struktur wieder. Der Wärme- und Stofftransport in Textilien wird maßgeblich von den Eigenschaften des vorliegenden Porensystems dominiert. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, neue Methoden der mathematischen Modellierung und der numerischen Simulation zur quantitativen Vorhersage des Wärme- und Stofftransports in textilen Porensystemen am Beispiel von Gestricken zu entwickeln und zu verifizieren. Ausgehend von den Fasereigenschaften und Produktionsparametern des Spinnprozesses (Garn) bzw. Strickprozesses (Gestrick) werden mathematische Porenmodelle von Garn und Gestrick entwickelt und parametriert. Zur Modellierung und Simulation der effektiven Wärme- und Stofftransporteigenschaften, basierend auf den Materialeigenschaften und den Porenmodellen, wird ein mehrstufiges Vorgehen vorgeschlagen. Die Kinetik der Transportprozesse und die ortsaufgelöste, mehrphasige Fluidverteilung werden in einem detaillierten Modell untersucht. Für die Vergröberung wird die Methode der asymptotischen Homogenisierung auf den Wärme- und Stofftransport angewendet; im Garn von der Faser auf das Faserbündel und im Gestrick von der einzelnen Masche auf die gesamte textile Fläche. Das homogenisierte Modell erlaubt, aufbauend auf den Erkenntnissen der detaillierten Simulation, die Berechnung des Wärme- und Stofftransportes bei vermindertem Rechenaufwand. Die Ergebnisse der Simulationen werden in jeder Ebene durch den experimentell bestimmten Wärme- und Stofftransport in Gestricken und Garnen validiert. Durch die Prädiktion des effektiven Porensystems und dem daraus resultierenden Wärme- und Stofftransport, entsteht eine neuartige Methode zur Herstellung von Strickwaren im Sinne des Ansatzes „Design-Follows-Function“.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen