COMSOL Electrochemistry Module 6.3

6.2

NOVEDADES

Resistencia de contacto

El Electrochemistry Module introduce la capacidad de incluir resistencias de contacto externas en las condiciones de contorno Electric Ground, Electric Potential y Electrode Current. Esta funcionalidad se puede habilitar mediante la casilla de verificación Include contact resistance en la ventana Settings, y la resistencia deseada también se puede especificar en el campo de texto.

Ejemplo de resistencia de contacto habilitada en el nodo Electrode Potential en el modelo tutorial Wire Electrode.

6.1

NOVEDADES

La versión 6.1 ahora admite actividades no ideales, y la condición de Continuidad se ha mejorado para geometrías de ensamblaje con pares de identidad.

Coeficientes de actividad de especies no ideales
La versión 6.1 presenta la funcionalidad para modelar electrolitos no ideales utilizando la teoría de Debye-Hückel. En tales electrolitos, incluso una pequeña variación en la concentración, en el rango milimolar, puede causar cambios medibles en cantidades como el pH y el potencial de equilibrio del electrodo. La capacidad de dar cuenta de los efectos no ideales en el modelado y la simulación es, por lo tanto, una adición importante a las interfaces electroquímicas. En esta versión ahora es posible incluir estos efectos en las interfaces Terciary Current Distribution, Nernst-Planck y Transport of Diluted Species. Los coeficientes de actividad se pueden definir utilizando la actividad de especies de Debye-Hückel o expresiones definidas por el usuario.

Selección de las actividades de especies no ideales de Debye-Hückel. El ajuste se encuentra en los nodos de la interfaz Terciary Current Distribution, Nernst-Planck y Transport of Diluted Species.

Condición de continuidad mejorada en contornos del par de ensamblaje
Los pares de ensamblaje se utilizan normalmente cuando se utilizan elementos de malla que no coinciden en cada lado de un límite. La necesidad de usar pares de ensamblajes puede surgir cuando se usan, por ejemplo, mallas de barrido en geometrías 3D complejas. En la versión 6.1, la condición de contorno Continuity para las variables dependientes potenciales (tanto para las fases del electrodo como del electrolito) de los límites de los pares de conjuntos se ha mejorado significativamente en términos de precisión y estabilidad numérica en las interfaces de Current Distribution y Cathodic Protection.

Elementos de malla que no coinciden entre capas en el modelo Jelly Roll de la biblioteca de aplicaciones del módulo de diseño de batería.

Fórmulas químicas avanzadas
Ahora es posible utilizar fórmulas más avanzadas para especies químicas y reacciones químicas. Los signos de cierre (), [] y {} se pueden usar para indicar unidades estructurales en la fórmula molecular en un complejo de coordinación, por ejemplo. Para mejorar la legibilidad, se pueden usar nombres simplificados en la fórmula de reacción para indicar una especie completa o una parte de la estructura molecular. Cuando se realiza el balanceo de la reacción, se considera la composición y carga completas.

6

NOVEDADES

La versión 6.0 trae una nueva formulación predefinida para adsorción-desorción en combinación con reacciones de electrodos y un modelo tutorial nuevo.

Especies adsorbedoras-desabsorbentes
Las capacidades de modelado de la condición de contorno Electrode Surface existente se han ampliado con un conjunto de ecuaciones predefinidas que realizan un seguimiento de la ocupación del sitio de la superficie y la concentración superficial de las especies adsorbidas. La nueva sección Adsorbing-Desorbing Species permite modelar la cinética de adsorción-desorción y la termodinámica en las superficies de los electrodos en combinación con reacciones electroquímicas de varios pasos.

La variación de concentración en una geometría deformada de una vía de orificio pasante después de la deposición de cobre.

Flujo de reacción no isotérmica
Ahora hay interfaces multifísicas de Flujo reactivo no isotérmico que configuran automáticamente modelos de flujo reactivo no isotérmico. El acoplamiento multifísico Reacting Flow ahora incluye la opción de acoplar las interfaces Química y Transferencia de calor. Con este acoplamiento, las contribuciones cruzadas entre el calor y las ecuaciones de especies, como la entalpía de cambio de fase o el término de difusión de entalpía, se incluyen en el modelo. La temperatura, la presión y la dependencia de la concentración de diferentes cantidades y propiedades del material también se tienen en cuenta automáticamente, lo que permite realizar el balance de calor y energía utilizando las variables predefinidas correspondientes. Esta nueva función puede verse en el modelo tutorial Dissociation in a Tubular Reactor.

Distribución de temperatura en un reactor tubular.

Deslizamiento poroso para la interfaz de ecuaciones de Brinkman
La capa límite en el flujo en medios porosos puede ser muy delgada y poco práctica de resolver en un modelo de ecuaciones de Brinkman. La nueva opción de tratamiento de paredes deslizantes porosas permite tener en cuenta las paredes sin resolver el perfil de flujo completo en la capa límite. En cambio, se aplica una condición de tensión en las superficies, lo que produce una precisión decente en el flujo masivo mediante la utilización de una solución asintótica del perfil de velocidad de la capa límite. La funcionalidad se activa en la ventana Ajustes de la interfaz de Ecuaciones de Brinkman y luego se utiliza para la condición de pared predeterminada. Esta nueva característica se puede utilizar en la mayoría de los modelos que involucran flujo subterráneo descrito por las ecuaciones de Brinkman y donde el dominio del modelo es grande.

La opción Porous Slip está disponible en la ventana de Ajustes de la interfaz de Ecuaciones de Brinkman

Transferencia de calor en medios porosos
La funcionalidad de transferencia de calor en medios porosos se ha renovado para que sea más fácil de usar. Una nueva área física de Medios porosos ahora está disponible en la rama de Transferencia de calor e incluye las interfaces de Transferencia de calor en medios porosos, Desequilibrio térmico local y Transferencia de calor en lecho empacado. Todas estas interfaces tienen una función similar, la diferencia es que el nodo Medio poroso predeterminado dentro de todas estas interfaces tiene una de tres opciones seleccionadas: Equilibrio térmico local, Desequilibrio térmico local o Lecho empacado. La última opción ha sido descrita anteriormente. La interfaz de Desequilibrio térmico local, que reemplazó al acoplamiento multifísico, corresponde a un modelo de dos temperaturas: una para la fase fluida y otra para la fase sólida. Las aplicaciones típicas pueden implicar un calentamiento o enfriamiento rápido de un medio poroso debido a la fuerte convección en la fase líquida y la alta conducción en la fase sólida, como en las espumas metálicas. Cuando se selecciona la interfaz Equilibrio térmico local, hay nuevas opciones de promedio disponibles para definir la conductividad térmica efectiva según la configuración del medio poroso.

Flujo no isotérmico en medios porosos
La nueva interfaz multifísica de Flujo no isotérmico, Ecuaciones de Brinkman añade automáticamente el acoplamiento entre la transferencia de calor y el flujo de fluido en medios porosos. Combina las interfaces Transferencia de calor en medios porosos y Ecuaciones de Brinkman. Puede verse esta nueva característica en el modelo tutorial Free Convection in a Porous Medium.

El ejemplo tutorial Free Convection in a Porous Medium hace uso de la nueva funcionalidad de flujo no isotérmico. Temperatura (K) en una estructura porosa sometida a gradientes de temperatura y posterior convección libre.

Gestión muy mejorada de materiales porosos
Los materiales porosos ahora se definen en la tabla Propiedades específicas de fase en el nodo Material poroso. Además, se pueden añadir subnodos para las características sólidas y fluídicas donde se pueden definir varios subnodos para cada fase. Esto permite el uso de un mismo material poroso para el flujo de fluidos, el transporte de especies químicas y la transferencia de calor sin tener que duplicar las propiedades y configuraciones del material.

El nuevo nodo Materiales para Materiales porosos ejemplificado en un modelo multiescala de un lecho empacado.

Nuevo modelo tutorial

Adsorption-Desorption Voltammetry

Para que ocurra una reacción electroquímica, la especie que reacciona generalmente necesita adsorberse en la superficie del electrodo antes de someterse a una reducción u oxidación, después de lo cual la especie del producto resultante se desorbe nuevamente en el electrolito. Este ejemplo investiga el impacto de varios parámetros cinéticos para la adsorción, desorción y transferencia de electrones cuando se realiza una voltamperometría cíclica en un electrodo plano.

5.6

NOVEDADES

Generación automática de resolvedores iterativos

Los resolvedores Geométrico iterativo y multimalla algebraico ahora son generados automáticamente por los nodos de pasos de estudio (sin embargo, un resolvedor Directo seguirá siempre siendo utilizado por defecto). Habilitar uno de los resolvedores iterativos puede disminuir la memoria utilizada y el tiempo de cálculo en grandes simulaciones.

Linealización de dependencia de la concentración en cinética de electrodo

La nueva opción Linealizar... mejora la cinética para órdenes de reacción no unitarias al evitar problemas al evaluar potencias de números negativos. Esta función está disponible en los nodos Reacción en electrodo y Reacción en electrodo poroso en las interfaces de Distribución de corriente terciaria cuando se utiliza la ecuación de Nernst para el potencial de equilibrio en combinación con la Ley de acción de masas o de Múltiples pasos concentrados para la densidad de corriente de intercambio. La nueva opción Linealizar está activada de forma predeterminada al crear un nuevo modelo y es utilizada por todos los modelos tutoriales que presentan la ecuación de Nernst y la ley de acción de masas o las opciones de cinética de varios pasos concentrados.

Interfaz de usuario del nodo Reacción en electrodo para definir la cinética del electrodo.

Electrodo poroso de alta conductividad

El nuevo nodo de dominio Electrodo poroso de alta conductividad está disponible en la mayoría de las interfaces electroquímicas. Esta funcionalidad puede ser utilizada para electrodos porosos con una alta conductividad en la fase de electrodo de conducción de electrones. Reemplaza la variable espacial para el potencial de electrodo por una variable global, reduciendo asi el número de grados de libertad del problema.

Características renovadas de los medios porosos para el transporte de especies diluidas

La interfaz de Transporte de especies diluidas en medios porosos se ha renovado para utilizar el nuevo nodo Medio poroso. Dos nuevas características de dominio, los nodos de Medio poroso y Medio poroso insaturado, están disponibles en la interfaz de Transporte de especies diluidas en medios porosos. Puede utilizarse el nuevo nodo Medio poroso para asignar propiedades de material a las múltiples fases en un medio poroso. Los nuevos nodos tienen contenedores dedicados para definir las propiedades del líquido, el gas y la matriz porosa. Puede verse esta funcionalidad en el tutorial "Ceramic Water Filter with Activated Carbon Core".

Concentración de contaminantes en una vela de filtro de agua cerámico.

5.5

NOVEDADES

La versión 5.5 trae una interfaz para el cálculo del potencial de equilibrio utilizando la ecuación de Nernst y cinética Butler-Volmer dependiente de la concentración dessde las ecuaciones químicas y soporte de la interfaz Química para reacciónes de electrodo.

Cálculo de potencial de equilibrio utilizando la ecuación de Nernst
En las funcionalidades Electrode Reaction y Porous Electrode Reaction, el potencial de equilibrio de las reacciones del electrodo pueden ser definidas utilizando la nueva opción Nernst Equation, facilitando la configuración de modelos termodinámicamente consistentes. En las interfaces físicas que resuelven concentraciones múltiples, como las interfaces Tertiary Current Distribution y Chemistry, el potencial de equilibrio automáticamente será dependiente de la concentración, basándose en la estequiometría de reacción. Todos los modelos de la librería de aplicaciones que disponen de potenciales de equilibrio Nernstiano han sido actualizados para utilizar la nueva funcionalidad.

Sección de ajustes para la interfaz Equilibrium Potential in the Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck. El potencial de equilibrio se calculará automáticamente de la estequiometría de reacción y la concentración de especies.

Cinética de Butler-Volmer dependiente de la concentración
En la funcionalidades Electrode Reaction y Porous Electrode Reaction, la densidad de corriente de intercambio de las expresiones de cinéticas Butler-Volmer y Linearized Butler-Volmer ahora pueden ser automáticamente definidas para ser dependientes de la concentración, basándose en la estequiometría de la reacción. La opción está disponible si la opción Nernst equation es utilizada para definir el potencial de equilibrio. En la interfaz Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck, las opciones Mass action law y Lumped multistep están disponibles para el tipo de densidad de corriente de intercambio. Se han actualizado todos los modelos de la Librería de Aplicaciones que disponen de potenciales de equilibrio Nernstiano, para que usen la nueva funcionalidad.

Sección de ajustes para la cinética del electrodo en la interfaz Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck. La densidad de corriente de intercambio se calculará automáticamente de la estequiometría de reacción y concentraciones de especies.

Soporte de las interfaz de química para reacciones del electrodo
La interfaz Chemistry, añadida al módulo Corrosion Module en la versión 5.5, ahora dispone de nodos Electrode Reactions y Electrode Reaction Group. La interaz Chemistry permite definir especies múltiples y reacciones de electrodo, así como reacciones químicas ordinarias. También, las propiedades de mezcla y termodinámica, como potenciales de equilibrio, pueden ser calculados automáticamente por la interfaz Chemistry. Las variables definidas por estas funcionalidades, como las densidades de corriente local y potenciales de equilibrio, pueden estar acopladas a cualquier otra interfaz física aplicable.

Dos interfacese Chemistry son usadas en este modelo para definier los potenciales de equilibrio y las cinéticas de reacciones en un electrolizador de agua de óxido sólido.