Kontrolle von Strömungen in magnetischen Kolloiden

• Antragsteller: Professor Dr. Mario Liu; Professor Dr. Manfred Lücke (†); Professor Dr. Stefan Odenbach
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 21704730

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Projekt hat sich mit der Frage beschäftigt, in welcher Weise die magnetische Beeinflussung von Strömungen in Ferrofluiden korrekt beschrieben werden kann. Dazu haben wir als Modell-System die Taylor-Couette Strömung gewählt, da diese einerseits in magnetischen Systemen bereits hervorragend untersucht ist und andererseits durch die Vielzahl der Strömungszustände die erzeugt werden können eine außergewöhnliche Breite an Testzuständen bietet, die damit eine hervorragende Grundlage für einen echten experimentellen Test der theoretischen Ansätze darstellt. Innerhalb des Projekts sind Teilprojekte verankert – in der AG Liu wurde die Frage der Magnetisierungsrelaxation und allgemein der Ferrofluid-Dynamik als Grundlage für eine strömungsmechanische Beschreibung untersucht, in der AG Lücke wurde die Beeinflussung verschiedener Strömungszustände der Taylor-Couette Strömung unter Verwendung verschiedener Modell für die Magnetisierungsrelaxation theoretisch betrachtet, während in der AG Odenbach entsprechende experimentelle Untersuchungen durchgeführt wurden. Im Rahmen des Projekts hat sich gezeigt, dass die Ferrofluid-Dynamik für Fluide in denen die interpartikuläre Wechselwirkung der magnetischen Teilchen nicht zu stark ist vollständig formuliert werden kann, während die Betrachtung von Fluiden mit starken Wechselwirkungen und daraus resultierenden starken viskoelastischen Eigenschaften noch nicht abgeschlossen werden konnte. In den theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur magnetischen Beeinflussung der Taylor-Couette Strömung haben sich signifikante Veränderungen sowohl der kritischen Reynolds-Zahlen, bei denen bestimmte Strömungszustände auftreten, als auch der Strömungsstrukturen selbst ergeben. Es konnte hier gezeigt werden, dass bereits mit einfachen Modellen zur Magnetisierungsrelaxation eine Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment erzielt werden kann, die im Rahmen der Messgenauigkeit der Untersuchungen eine sehr gute Beschreibung des Strömungsverhaltens erlaubt. Es wird eine interessante Frage für zukünftige Untersuchungen sein, inwiefern diese einfache Form der Magnetisierungsrelaxation auch für Fluide mit sehr starker interpartikulärer Wechselwirkung hält, oder ob in solchen – magnetorheologischen – Fluiden die komplexeren Beschreibungen der Ferrofluid-Dynamik benötigt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Non-Newtonian behaviour in ferrofluids and magnetization Relaxation. Journal of Physics: Condensed Matter, Vol. 18. 2006, Number 38; S2623.
  O. Müller, D. Hahn, M. Liu
  
• Magnetorotationseffekte von Ferrofluiden in homogenen Magnetfeldern: Magnetisierung rotierender Zylinder, Torsionspendeldynamik und Wirbel im Taylor-Couette System. Dissertation, Universität des Saarlandes, Saarbrücken, 2008, 201 S.
  Andreas Leschhorn
  
• Flow control of magnetic fluids exposed to magnetic fields. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 149. 2009, Number 1: 012109.
  M. Reindl, A. Leschhorn, M. Lücke, S. Odenbach
  
• Thermodynamics, Electrodynamics, and Ferrofluid Dynamics. In: Colloidal Magnetic Fluids: Basics, Development and Application of Ferrofluids, ed. by S. Odenbach. Lecture Notes in Physics, Vol. 763. 2009, pp. 1-74.
  M. Liu, K. Stierstadt
  
• Experimental and theoretical investigations on Taylor–Couette flow of ferrofluids subject to magnetic fields. Physics Procedia, Vol. 9. 2010, pp. 121-125.
  M. Reindl, A. Leschhorn, M. Lücke, S. Odenbach
  
• Influence of a homogeneous axial magnetic field on Taylor–Couette flow of ferrofluids with low particle–particle interaction. Experiments in Fluids, Vol. 50. 2011, Issue 2, pp. 375–384.
  M. Reindl, S. Odenbach
  
• Seismo- and thermodynamics of granular solids. Granular Matter, Vol. 13. 2011, Issue 4, pp. 319–340.
  G. Gudehus, Y.M. Jiang, M. Liu
  
• Untersuchung von komplexen Wirbelströmungen mit newtonschem Fluid und Ferrofluiden im Taylor-Couette System. Dissertation, Naturwissenschaftlich-Technische Fakultat II - Physik und Mechatronik - der Universitat des Saarlandes, Saarbrücken, 2011, 299 S.
  Sebastian Altmeyer
  
• Akustik granularer Materie. Dissertation, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät der Eberhard Karls Universität Tübingen, 2012, 103 S.
  Michael Mayer
  
• Dip of the granular shear stress. Physical Review E, Vol. 86. 2012, Issue 6: 061312.
  D. Krimer, S. Mahle, M. Liu
  
• Expression for the granular elastic energy. Physical Review E, Vol. 85. 2012, Issue 5: 051304.
  Y. M. Jiang, H. P. Zheng, Z. Peng, L. P. Fu, S. X. Song, Q. C. Sun,M. Mayer, M. Liu
  
• Influence of inhomoge- neous magnetic fields on the flow dynamics of a ferrofluid between differentially rotating cylinders. Physical Review E, Vol. 85. 2012, Issue 6: 066314.
  S. Altmeyer, Younghae Do, J. M. Lopez
  
• Rheologie von granularer Materie und Ferrofluiden. Dissertation, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät der Eberhard-Karls-Universität Tübingen, 2012, 145 S.
  Stefan Mahle
  
• Effect of elongational flow on ferrofluids under a magnetic field. Physical Review E, Vol. 88. 2013, Issue 1: 013003.
  S. Altmeyer, Younghae Do, J. M. Lopez
  
• Elongational flow effects on the vortex growth out of Couette flow in ferrofluids. Physical Review E, Vol. 87. 2013, Issue 5: 053010.
  S. Altmeyer, A. Leschhorn, C. Hoffmann, M. Lücke
  
• Hydrodynamics of granular gases with a two-peak distribution. Physical Review E, Vol. 88. 2013, Issue 5: 052204.
  Y. P. Chen, M. Y. Hou, Y. M. Jiang, M. Liu
  
• Granular Solid Hydrodynamics (GSH): a broadranged macroscopic theory of granular media. Acta Mechanica, Vol. 225. 2014, Issue 8, pp. 2363–2384.
  Y. M. Jiang, M. Liu
  
• Applying GSH to a wide range of experiments in granular media. The European Physical Journal E, Vol. 38. 2015, Issue 3: 15.
  Y. Jiang, M. Liu
  
• Maxwell’s stress tensor and the forces in magnetic liquids. ZAMM - Journal of Applied Mathematics and Mechanics / Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, Vol. 95. 2015, Issue 1, pp. 4–37.
  K. Stierstadt, M. Liu