Viskoelatische Instabilität von Poiseuilleströmung

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Wagner
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 157269621

Die laminare Strömung einfacher Flüssigkeiten wird instabil, wenn die inertialen Effekte die viskose Reibung übersteigen. Das Verhältnis dieser beiden Effekte wird durch die sogenannte Reynoldszahl bestimmt und der klassische Übergang zur Turbulenz ist ein inertialer Effekt. Bei elastischen Flüssigkeiten (z.B. Polymerlösungen) wurde kürzlich gezeigt, dass in gekrümmten Stromlinien eine lineare Instabilität zu einer ungeordneten Strömung auftritt, wenn elastische Effekte, die durch die Weissenbergzahl abgeschätzt werden, einen bestimmten Wert überschreiten. Dies tritt selbst bei verschwindend kleinen Reynoldszahlen, d.h. ohne den Einfluss von inertialen Effekten, auf. Dennoch können die ungeordneten Strömungen ganz ähnliche Charakteristika wie in inertialer Turbulenz zeigen, d.h. ein kontinuierliches Spektrum an räumlichen Wellenzahlen und eine Energiekaskade. Im Falle gerader Stromlinien war die Situation bis vor Kurzem weniger klar. Theoretische Betrachtungen sagen einen schwach nichtlinearen Übergang voraus, bei dem Störungen mit endlichen Amplituden die Strömung destabilisieren können sollten. In der ersten Förderperiode konnte solch eine schwach nichtlineare Instabilität in Polymerlösungen erstmals eindeutig nachgewiesen werden. Allerdings fehlt noch eine quantitative Charakterisierung des Bifurkationsszenarios und der Art und Amplitude der Störung, die notwendig ist, um die Instabilität zu erzeugen. Außerdem existieren noch keinerlei Daten bzgl. kohärenter Strömungsstrukturen, die in der Nähe der Instabilität zu erwarten sind. Hier knüpft das vorgeschlagene Projekt an und es beabsichtigt, die Stabilität viskoelastischer Kanalströmungen experimentell zu untersuchen. Dadurch soll ein verbessertes Verständnis über Turbulenz und die Strömungsdynamik komplexer Flüssigkeiten allgemein erzielt werden. Zusätzlich hoffen wir, einige Probleme bei technisch relevanten Prozessen aufklären zu können. Ein Beispiel ist der Schmelzebruch, bei dem die Strömung einer Polymerschmelze beim Extrudieren schon bei verschwindend kleinen Reynoldszahlen instabil wird und nicht schneller prozessiert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen