Kontakt
Dr. Norbert Weber
norbert.weber
hzdr.de
Tel.: +49 351 260 3112
Numerische Simulation von Flüssigmetallbatterien
Experimente mit Flüssigmetallbatterien sind anspruchsvoll: hohe Temperaturen, die inerte Atmosphäre und das reaktive Zellinventar erschweren (Geschwindigkeits-) Messungen. Daher werden die Experimente durch numerische Simulationen ergänzt. Entsprechende Modelle werden am HZDR entwickelt und in der open source CFD Bibliothek OpenFOAM implementiert. Alle Löser werden kontinuierlich weiterentwickelt und mit Hilfe der Versionierungssoftware git gepflegt. Neue Modelle werden mit experimentellen Daten, theoretischen Modellen oder anderen numerischen Modellen validiert. Momentan sind folgende Ein-Phasen Löser am HZDR verfügbar:
- Löser für magnetohydrodynamische Instabilitäten (Tayler Instabilität)
- Löser für doppel-diffusive Instabilitäten (thermo-solutale Konvektion)
- Mehr-Regionen Löser für magnetohydrodynamische Instabilitäten (Elektrowirbelströmung)
Die verfügbaren Mehr-Phasen Löser sind:
- Löser für magnetohydrodynamische Instabilitäten (Oberflächeninstabilitäten)
- Löser für thermische Konvektion (Oberbeck-Boussinesq Approximation)
Die Gitter werden typischerweise mit dem OpenFOAM tool snappyHexMesh erzeugt. Die Geometrien werden dabei mit Hilfe von Autodesk Inventor bzw. Salomé erstellt. Eigens entwickelte Gittergeneratoren verbessern die Auflösung der Grenzschichten; darüber hinaus steht eine effiziente Bibliothek zur Verteilung komplexer Geometrien (die aus verschiedenen Region bestehen) auf mehrere Prozessoren zur Verfügung. Ein eigens entwickelter PCG Löser mit verbesserter Regularisierungstechnik erlaubt eine deutlich genauere Bestimmung des elektrischen Potentials verglichen mit den Standard-Lösern.
Am HZDR entwickelte post processing software umfasst u. a. tools zur Moden-Zerlegung, Grenzflächen-Rekonstruktion, Ultraschall-Strahl Modelle sowie Software zur räumlichen und zeitlichen Mittelung.
Untersuchte Instabilitäten
Thermische Effekte in Flüssigmetallbatterien
Thermische Konvektion tritt in Flüssigmetallbatterien vorwiegend in der Anode der Zelle, aber auch in der Elektrolytschicht auf.
Weiterlesen
Elektrowirbelströmung
Elektrowirbelströmung kann immer dann auftreten, wenn die Stromdichteverteilung in einer Flüssigkeit mehrere nicht verschwindenden Komponenten besitzt.
Weiterlesen
Grenzflächeninstabilitäten
Langwellige Oberflächeninstabilitäten begrenzen die mögliche Elektrolytschichtdicke und den zulässigen Strom bei Aluminium-Reduktionszellen und Flüssigmetallbatterien.
Weiterlesen
Die Tayler Instabilität
Die Tayler Instabilität begrenzt die Skalierbarkeit von Flüssigmetallbatterien und spielt eine wichtige Rolle in der Astrophysik.
Weiterlesen
Solutale Konvektion
Solutale Konvektion tritt beim Laden von Flüssigmetallbatterien auf, und verbessert den Stofftransport erheblich.
Weiterlesen
Stofftransport in Flüssigmetallbatterien
Stofftransport bestimmt die Zellspannung von Flüssigmetallbatterien in erheblichem Maße.
Weiterlesen
Lokale Kurzschlüsse in Flüssigmetallbatterien
Lokale Kurzschlüsse treten in Flüssigmetallbatterien aus verschiedenen Gründen auf, und wurden bereits experimentell beobachtet.
Weiterlesen
Publikationen
- Godinez-Brizuela, O. E.; Duczek, C., Weber, N.; Nash, W.; Sarma, M.; Einarsrud, K. E.
A continuous multiphase model for liquid metal batteries
Journal of Energy Storage 73(2023) 109147 - Duczek, C.; Weber, N.; Godinez-Brizuela, O.E.; Weier, T.
Simulation of potential and species distribution in a Li||Bi liquid metal battery using coupled meshes
Electrochimica Acta 437(2023) 141413 - Weber, N.; Weier, T.
Liquid metal batteries
In: Electrochemical Cell Calculations with OpenFOAM (ed. S. Beale, W. Lehnert), Springer International Publishing (2022) - Personnettaz, P.; Klopper, T. S.; Weber, N.; Weier, T.
Layer coupling between solutal and thermal convection in liquid metal batteries
International Journal of Heat and Mass Transfer 188(2022) 122555 - Weber, N.; Duczek, C.; Horstmann, G.M.; Landgraf, S.; Nimtz, M.; Personnettaz, P.; Weier, T.; Sadoway, D.R.
Cell voltage model for Li-Bi liquid metal batteries
Applied Energy 209(2022) 118331 - Liu, K.; Stefani, F.; Weber, N.; Weier, T.; Li, B.W.
Transient behaviour of electrovortex flow in a cylindrical container
Magnetohydrodynamics 57(2021) 437-448 - Bénard, S.; Weber, N.; Horstmann, G.M.; Landgraf, S.; Weier, T.
Anode-metal drop formation and detachment mechanisms in liquid metal batteries
Journal of Power Sources 510(2021) 230339 - Nore, C.; Cappanera, L.; Guermond, J.-L.; Weier, T.; Herreman,
W..
Feasibility of metal pad roll instability experiments at room temperature
Physical Review Letters 126(2021) 184501 - Weier, T.; Grants, I.; Horstmann, G. M.; Landgraf, S.; Nimtz, M.; Personnettaz, P.; Stefani, F.; Weber, N.
Conductivity influence on interfacial waves in liquid metal batteries and related two-layer systems
Magnetohydrodynamics 56(2020) 237-246 - Personnettaz, P.; Landgraf, S.; Nimtz, M.; Weber, N.; Weier, T.
Effects of current distribution on mass transport in the positive electrode of a liquid metal battery
Magnetohydrodynamics 56(2020) 247-254 - Herreman, W.; Bénard, S.; Nore, C.; Personnettaz, P.; Cappanera, L.; Guermond, J.-L.
Solutal buoyancy and electrovortex flow in liquid metal batteries
Physical Review Fluids 5(2020) 074501 - Liu, K.; Stefani, F.; Weber, N.; Weier, T.; Li, B.W.
Numerical and experimental investigation of electro-vortex flow in a cyclindrical container
Magnetohydrodynamics 56(2020) 27-41 - Weber, N.; Nimtz, M.; Personnettaz, P.; Weier, T.; Sadoway, D.
Numerical simulation of mass transfer enhancement in liquid metal batteries by means of electro-vortex flow
Journal of Power Sources Advances 1(2020) 100004 - Herreman, W.; Nore, C.; Ziebell Ramos, P.; Cappanera, L.; Guermond, J.-L.; Weber, N.
Numerical simulation of electrovortex flows in cylindrical fluid layers and liquid metal batteries
Physical Review Fluids 4(2019) 113702 - Herreman, W.; Nore, C.; Guermond, J.-L.; Cappanera, L.; Weber, N.; Horstmann, G.M.
Perturbation theory for metal pad roll instability in cylindrical reduction cells
Journal of Fluid Mechanics 878(2019) 598-646 - Personnettaz, P.; Landgraf, S.; Nimtz, M.; Weber, N.; Weier, T.
Mass transport induced asymmetry in charge/discharge behavior of liquid metal batteries
Electrochemistry Communications 105(2019) 106496 - Weber, N.; Landgraf, S.; Mushtaq, K.; Nimtz, M.; Personnettaz, P.; Weier, T.; Zhao, J.; Sadoway, D.
Modeling discontinuous potential distributions using the finite volume method, and application to liquid metal batteries
Electrochimica Acta 318(2019) 857-864 - Personnettaz, P.; Beckstein, P.; Landgraf, S.; Köllner, T.; Nimtz, M.; Weber, N.; Weier, T.
Thermally driven convection in Li||Bi liquid metal batteries
Journal of Power Sources 401(2018) 362-374 - Weber, N.; Nimtz, M.; Personnettaz, P.; Salas, A.; Weier, T.
Electromagnetically driven convection suitable for mass transfer enhancement in liquid metal batteries
Applied Thermal Engineering 143(2018) 293-301 - Horstmann, G.M.; Weber, N.; Weier, T.
Coupling and stability of interfacial waves in liquid metal batteries
Journal of Fluid Mechanics 845(2018) 1-35 - Ashour, R.; Kelley, D.; Salas, A.; Starace, M.; Weber, N.; Weier, T.
Competing forces in liquid metal electrodes and batteries
Journal of Power Sources 378(2018) 301-310 - Kelley, D.; Weier, T.
Fluid mechanics of liquid metal batteries
Applied Mechanics Reviews 70(2018) 020801 - Weber, N.; Beckstein, P.; Galindo, V.; Starace, M.; Weier, T.
Electro-vortex flow simulation using coupled meshes
Computers and Fluids 168(2018) 101-109 - Weber, N.; Beckstein, P.; Herreman, W.; Horstmann, G.M.; Nore, C.; Stefani, F.; Weier, T.
Sloshing instability and electrolyte layer rupture in liquid metal batteries
Physics of Fluids 29(2017), 044101 - Weber, N.; Beckstein, P.; Galindo, V.; Herreman, W.; Nore, C.; Stefani, F.; Weier, T.
Metal pad roll instability in liquid metal batteries
Magnetohydrodynamics 53(2017), 129-140 - Weber, N.; Galindo, V.; Priede, J.; Stefani, F.; Weier, T.
The influence of current collectors on Tayler instability and electro-vortex flows in liquid metal batteries
Physics of Fluids 27(2015), 014103 - Weber, N.; Galindo, V.; Stefani, F.; Weier, T.; Wondrak, T.
Numerical simulation of the Tayler instability in liquid metals
New Journal of Physics 15(2013), 043034
