Transport of flexible fibers in confining micro-channels

• Applicant: Dr.-Ing. Mathias Bechert
• Subject Area: Fluid Mechanics ; Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2018 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 403680998

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Ziel dieses einjährigen Projekts im Rahmen eines Forschungsstipendiums war die Erforschung der Dynamik elastischer Fasern in einem flachen Strömungskanal. Die Kanalhöhe ist dabei in der Größenordnung der Faserhöhe, so dass viskose Reibungseffekte einen großen Einfluss auf Transportdynamik und Faserdeformation haben. Es wurde ein Modell reduzierter Dimensionalität verwendet, das auf den über die Kanalhöhe gemittelten Stokes-Gleichungen basiert, den sogenannten Brinkman-Gleichungen, die durch ein zusätzliches Modell für die Spaltströmung zwischen Faser und Kanalwänden ergänzt wurden. Dieses Modell wurde bereits zuvor erfolgreich für starre Fasern angewendet und nun für den Fall elastischer Fasern erweitert. Die Elastizität wird dabei über ein Euler-Bernoulli- Balken-Modell beschrieben. Als erstes wurde damit der Transport und im speziellen die Deformation einer senkrecht zur Strömungsrichtung orientierten Faser untersucht. Dieser Fall erwies sich bei experimentellen Beobachtungen als besonders charakteristisch. Mit Hilfe des Brinkman-Modells, sowie einem zu Validierungszwecken verwendeten 3D-Modell, konnte hierbei die Faserdeformation quantifiziert und mit praktisch relevanten Kontrollparametern wie dem E-Modul, der Kanal- und Fasergeometrie korreliert werden. Die Ergebnisse sind dabei im Einklang mit experimentellen Messungen der Kooperationspartner, mit denen eine gemeinsame Publikation in der Zeitschrift „Physical Review Fluids“ erfolgte. Aufgrund unerwarteter technischer Komplikationen bei der weiter geplanten Ausweitung des Modells für elastische Fasern wurde angesichts der Kürze des Projekts der weitere Fokus auf asymmetrische T- und L-förmige Fasern gelegt, um den Einfluss der Faserform auf die Transportdynamik, der ebenfalls bei elastischen Fasern eine große Rolle spielt, zu untersuchen. Dank der Flexibilität des Brinkman-Modells konnte die gesamte Transportdynamik der asymmetrischen Fasern in sowohl transversal als auch lateral beschränkten Kanälen untersucht und wichtige Eigenschaften wie beispielsweise attraktive Fixpunkte identifiziert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist die Trajektorien der Fasern im Kanal über Fasersymmetrie und -geometrie, sowie über die Kanalgeometrie zu beeinflussen und legen dadurch eine vielversprechende Grundlage für Filterapplikationen. Experimentelle Beobachtungen der Kooperationspartner bestätigen die neuen Erkenntnisse, die gemeinsam in der Zeitschrift „Europhysics Letters“ veröffentlicht wurden.

Publications

• 2019, Controlling transport dynamics of confined asymmetric fibers, Europhysics Letters 126, 44001
  M. Bechert, J. Cappello, M. Daïeff, F. Gallaire, A. Lindner und C. Duprat
  
• 2019, Transport of flexible fibers in confined microchannels, Physical Review Fluids 4, 034202
  J. Cappello, M. Bechert, C. Duprat, O. du Roure, F. Gallaire und A. Lindner