Multiskalen-Particle-Image-Velocimetry (PIV)-System

• Fachliche Zuordnung: Verfahrenstechnik, Technische Chemie
• Förderung: Förderung in 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431729792

Das Fachgebiet Lebensmittelbiotechnologie und -prozesstechnik der TU Berlin untergliedert sich in drei Arbeitsbereiche: (i) Struktur-Prozess-Funktionalität, (ii) Lebensmittelbiotechnologie und (iii) Biothermofluiddynamik. Biothermofluiddynamische Systeme besitzen die Eigenschaft, dass die ablaufenden Transportprozesse (Masse, Impuls, Energie) eine große Breite an Zeit- und Längenskalen abdecken und sich zudem auf den verschiedenen Skalen überlappen bzw. gegenseitig bedingen. Eine getrennte Betrachtung einzelner Skalen ist folglich nicht möglich, sondern mesoskalige und multiskalige Ansätze erweisen sich als unabdingbar. Die Wissensextraktion in der Gruppe der Antragstellerin basiert sowohl auf experimentellen als auch simulativen (darunter auch mathematisch-numerische) Verfahren einzeln oder in Kombination als methodisches Hybrid zum Einsatz. Die simulativen Verfahren bedürfen dabei ebenfalls stets experimenteller Daten sowohl zur Modellbildung als auch zur Validierung. Die Gruppe der Antragstellerin verfügt derzeit lediglich über eine Hochgeschwindigkeitskamera (4.000 fps bei 1024 x 1024 Pixel) und ist bezüglich hochauflösender Particle-Image-Velocimetry und Particle-Tracking-Velocimetry sowie Kameraaufnahmen mit höheren Bildraten und Auflösungen auf Kooperationen mit andere Forschungsstellen angewiesen. Da die Implementierung optischer Messtechniken in biothermofluiddynamischen Systemen starke benutzerdefinierte Kopplungen und Sonderlösungen erfordern, stehen der Integration geliehener Ausstattung von Kooperationspartnern häufig zeitliche wie auch apparative Restriktionen entgegen. Das Multiskalen-PIV-System zur Strömungsvisualisierung und Diagnose erschließt eine Reihe bisher brachliegender Forschungspotentiale. Dessen Beschaffung trüge daher dazu bei, dass sich das Fachgebiet in biothermofluiddynamischer Forschung Alleinstellungsmerkmale und somit eine noch stärkere wissenschaftliche Sichtbarkeit erarbeitet. Systemisch bedingte Zeitabhängigkeiten, ausgeprägtes dreidimensionales, multiskaliges Verhalten als auch Interaktionen multiphysikalischer Effekte kennzeichnen biothermofluiddynamische Systeme. Somit stellt das beantragte multiskalige PIV-System ein bezüglich der Ausprägung ideales und bezüglich des Bedarfes unabdingbares Untersuchungstool für mikrofluidische bis hin zu makroskopischen Systemen dar. Die bereits angeführten notwendigen problemadaptiven Lösungen für biothermofluiddynamische Aspekte umfassen dabei nicht nur die geometrische Ankopplung an Modellversuchsaufbauten, sondern auch unter anderem die Sicherstellung der Biokompatibilität des Messsystems (z.B. Beeinflussung der mikroorganismischen Symbiose durch Tracerpartikel), die Korrektur inhärenter Temperaturabhängigkeiten sowie das Ausloten der optischen Zugänglichkeit und somit der Messbereiche bei stark lichtabsorbierenden Medien bzw. Medien mit Eigenfluoreszenz.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Multiskalen-Particle-Image-Velocimetry (PIV)-System
• Gerätegruppe: 8860 Geschwindigkeitsmeßgeräte (außer 047, 053, 192 und 244)
• Antragstellende Institution: Technische Universität Berlin
• Leiterin: Professorin Dr. Cornelia Rauh