Untersuchung der Konvektiven Instabilität in flüssigen Schäumen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Sascha Heitkam
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280187655

Flüssige Schäume sind in unserem täglichen Leben allgegenwärtig (Kosmetika, Lebensmittel). Trotzdem überrascht und erstaunt uns ihr Verhalten immer wieder. Wohl auch deswegen sind Schäume eine Inspirationsquelle für Künstler (Tara Donovan: 'Styrofoam Cup Sculpture'), Architekten (Bejings 'Water Cube') und Wissenschaftler (John Archibald Wheeler: 'Quantenschaum'). Insbesondere in den letzten 30 Jahren haben wir viel über Schäume gelernt. Dennoch sind die komplexen Effekte die in flüssigen Schäumen auftreten können zu großen Teilen unverstanden. Ein Beispiel für solch einen Effekt ist die Konvektive Instabilität. Führt man Schaum im oberen Bereich geringe Mengen Flüssigkeit zu, so sickert diese gleichmäßig durch den Schaum nach unten. Erhöht man jedoch den Flüssigkeitsstrom, so beginnt der Schaum lokal zu fließen. Ähnlich der Rayleigh-Taylor-Instabilität bewegt sich flüssigkeitsreicher Schaum nach unten und flüssigkeitsarmer Schaum nach oben. Die Ausbildung dieser Konvektionsrolle wurde bereits vor über 15 Jahren dokumentiert. Dennoch ist der zugrunde liegende Mechanismus bis heute nicht geklärt. Tatsächlich gibt es nicht einmal systematische Messungen zur Ausprägung der Konvektiven Instabilität. Lediglich der kritische Flüssigkeitsstrom wurde bestimmt. Darauf basierend wurden mehrere, zum Teil widersprüchliche Theorien publiziert die das Einsetzen der Instabilität erklären. In diesem Projekt soll die Konvektive Instabilität nun systematisch erforscht werden. Als Lösungsansatz wird eine Kombination von Experiment und Numerik verfolgt. Im Experiment wird die Konvektive Instabilität in einem vertikalen Kanal über einen möglichst großen Parameterbereich vermessen. Aus den Messwerten wird eine Regime-Map zur einfachen Vorhersage der Konvektiven Instabilität abgeleitet. Komplementär zu den Experimenten sollen phasengemittelte numerische Simulationen die Konvektive Instabilität abbilden. Dazu wird ein Strömungslöser um relevante schaumtypische Effekte erweitert. Die dazu notwendige analytische Beschreibung der Effekte wird der Literatur, eigenen Vorarbeiten sowie zusätzlichen phasenauflösenden Simulationen im Rahmen dieses Projektes entnommen. Der resultierende Strömungslöser ist das eigentliche Werkzeug zur Erklärung der Konvektiven Instabilität. Mit ihm wird der Einfluss der einzelnen Effekte auf die Instabilität quantifiziert und so ihre Ursache und ihr Mechanismus ergründet. Abschließend wird die Strömung von Schaum um einen Zylinder oder über eine rückspringende Stufe numerisch und experimentell untersucht. Die Resultate werden als Referenzfall für zukünftige Untersuchungen zu Schaumströmungen aufgearbeitet

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Wiebke Drenckhan, Ph.D.; Professor Dr. Reinhard Höhler