Die Phänomene verdünnter Gasströmungen in makroskopischen und mikroskopischen Kanälen - Modelentwicklung und experimentelle Validierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Strömungsverhalten sogenannter verdünnter Gase und ihre Wechselwirkung mit Oberflächen ist in wissenschaftlichen Bereichen wie Katalyse, Gastrennmembranen und Raumfahrttechnik von großem Interesse. Zu verdünnten Gasströmen kommt es, wenn der Druck oder die durchströmten Poren oder Kanäle klein genug sind, dass der gemessene Massendurchsatz deutlich höher ist als mit der klassischen Poiseuille-Gleichung vorhergesagt, was als Schlupfströmung bezeichnet wird. Die Fragen, was Schlupf ist und wie er entweder von der Verdünnung, der charakteristischen Längenskala des Kanals oder auch von der Oberflächenfunktionalisierung abhängt, blieben unbeantwortet. Trotz mehrerer Ansätze, diesen Effekt phänomenologisch durch Impulsakkommodation (Randbedingungen für Modelle, die aus der kinetischen Theorie abgeleitet sind) zu erklären, blieben sie unvollständig, da hierbei die Kräfte, die den Gasmolekülen von den Kanaloberflächen auferlegt werden, vernachlässigt wurden. Zudem sind zur Beschreibung verdünnter Gasströme bislang aufwändige numerische Simulationen erforderlich gewesen, da einfache analytische Modelle entweder nur sehr spezielle Fälle abdeckten oder empirische Parameter benötigten, was ihre Vorhersagekraft deutlich einschränkte. Alle diese Modellierungsansätze haben funktionalisierte Oberflächen außer Acht gelassen, für die bei Porendurchmessern unterhalb von 20 nm ein deutlicher Einfluss auf die verdünnte Gasströmung bekannt ist. Um zu zeigen, ob solche Wirkungen bei gleicher Dominanz von Gas-Wand-Wechselwirkungen, d.h. ähnlicher Knudsenzahl, auch bei größeren Geometrien beobachtet werden können, wurden Experimente an der Anlage TRANSFLOW in Karlsruhe und an der Anlage IUSTI in Marseille durchgeführt. Ferner wurde ein analytisches Modell entwickelt, das die Strömung von verdünntem Gas in geraden Mikrokanälen für alle Verdünnungsregime beschreiben kann, indem ein wirksamer Gasmoleküldurchmesser ermittelt wird. Die allgemeine Erkenntnis hierbei ist, dass es auf diese Weise möglich ist, die Strömung von verdünntem Gas in geraden Kanälen analytisch zu beschreiben, ohne dass geometrieabhängige empirische Parameter benötigt werden, wodurch der Ansatz Vorhersagekraft bekommt. Die Simulationsergebnisse dieses Modells sowie aufwändiger numerischer Simulationen wurden mit den experimentellen Strömungsdaten verglichen, die an planen und an funktionalisierten Mikrokanälen gemessen wurden. Dieser Vergleich erlaubte es, die Gas-Oberflächen-Wechselwirkung verdünnter Gase auch im Hinblick auf den Gasmoleküldurchmesser neu zu beleuchten und zu zeigen, dass überraschenderweise auch unter den Bedingungen verdünnter Gase, bei denen Gas-Wand-Wechselwirkungen dominieren, eine Wandfunktionalisierung den Gasfluss in Mikrokanälen nicht beeinflusst.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Model, plots and data for rarefied gas flow in straight channels
Kunze, S.
-
Molecular diameters of rarefied gases. Scientific Reports, 12(1).
Kunze, S.; Groll, R.; Besser, B. & Thöming, J.
-
Predicting Rarefied Gas Flow Through Surface Functionalized Channels [Oral presentation]. 32nd International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, Seoul, South Korea, July 4-8
Kunze, S., Perrier, P., Groll, R., Besser, B., Varoutis, S., Graur, I. & Thöming, J.
-
Rarefied Gas Flow in Functionalized Micro Channels [Oral presentation]. 4th European Conference on Non-Equilibrium Gas Flows, Eindhoven, Netherlands, March 29-31
Kunze, S., Perrier, P., Besser, B., Varoutis, S., Graur, I. & Thöming, J.
-
Rarefied Gases and Functionalized Surfaces. PhD thesis. University of Bremen
Kunze, S.
-
Raw data of rarefied gas flow through plain and functionalized rectangular micro channels
Kunze, S.
-
Rarefied gas flow in functionalized microchannels. Scientific Reports, 14(1).
Kunze, Simon; Perrier, Pierre; Groll, Rodion; Besser, Benjamin; Varoutis, Stylianos; Lüttge, Andreas; Graur, Irina & Thöming, Jorg
