Untersuchungen zur Strömungsdynamik von Schäumen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Sascha Heitkam
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431077191

Das Projekt befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung von neuartiger Messtechniken für Schaumströmungen. Schäume sind nicht nur aus ästhetischer Sicht faszinierend und spannend, sie stellen auch ein modernes und interdisziplinäres Forschungsfeld dar. Durch den Einsatz von Schäumen als neuartige Materialien sowie in der Schaumflotation zur Gewinnung von Rohstoffen gewinnt Schaum aktuell auch an industrieller Bedeutung. Doch trotz 200 Jahren Schaumforschung gibt es noch immer viele ungelöste Fragen.Insbesondere das Fließverhalten und die Strömungsdynamik von Schäumen ist bislang kaum untersucht. Während in Newtonschen Fluiden viele Effekte wie Grenzschichten, Wärmetransport oder Turbulenz gut verstanden sind, sind diese Effekte in Schäumen kaum vermessen. Dafür gibt es im Wesentlichen zwei Gründe. Zum Einen sind Schaumströmungen wesentlich komplexer und verbinden Prozesse über mehrere Größenskalen. Zum Anderen gibt es kaum geeignete Messtechnik, da Schaum ein fragiles, undurchsichtiges Phasengemisch darstellt. Erste Experimente unter optischer Beobachtung der Randschicht lieferten bereits spannende Einblicke in Schaumströmungen und zeigten deutliche Abweichungen von Newtonschen Fluiden. Jedoch gibt es bisher kaum 3-dimensionale Untersuchungen mit vernünftigen räumlichen und zeitlichen Auflösungen. Auch numerische Untersuchungen sind kaum etabliert, unter Anderem mangels Validierungsexperimenten.In der ersten Phase des Projektes sollen neuartige Messtechniken für Schaumströmungen entwickelt und validiert werden. Dazu sollen am gewählten Standort existierende, und zum Teil einzigartige Messtechniken für Flüssigmetallströmungen auf Schäume adaptiert werden. Konkret ist der Einsatz von Leitfähigkeitstomographie, patentierten Gittersensoren, Röntgen- und Neutronenradiographie, einer weltweit einzigartigen, ultraschnellen Röntgentomographie sowie die Verfolgung spezieller Tracer mittels Röntgen angedacht. Vorstudien haben bereits die Anwendbarkeit vieler dieser Techniken für Schäume gezeigt, jedoch sind Anpassungen und Validierungen notwendig.In der zweiten Phase des Projektes sollen mit den entwickelten Messtechniken drei generische Schaumströmungen systematisch untersucht werden, nämlich die Strömung um einen Zylinder und über eine rückspringende Stufe sowie der Freistrahl. Auf diese Weise können die Messtechniken gegeneinander validiert und eine Datenbasis für die Validierung weiterer Messtechniken und numerischer Methoden etabliert werden. Durch den Vergleich mit Newtonschen Fluiden sollen einzigartige Effekte, hervorgerufen durch die Viskoelastizität, die Fließgrenze sowie durch die Wechselwirkung zwischen Flüssigkeitsverteilung, Fließeigenschaften und Schaumströmung identifiziert und beschrieben werden. Ausserdem sollen durch großskalige Experimente erstmals turbulente Strukturen in Schäumen dokumentiert und analysiert werden.Mit Abschluss des Projektes soll die Strömungsdynamik von Schäumen als neues Forschungsfeld etabliert sein.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Pavel Trtik