Verständnis von porenskaligen Verdrängungsmechanismen für Newtonsche und komplexe Fluide durch die Wechselwirkung von Fluideigenschaften und Porengeometrie

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Seemann
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495227335

Ziel dieses Projekts ist es, das Eindringverhalten nicht Newtonscher Flüssigkeiten in porösen Medien (mikrofluidische Modellsysteme) zu verstehen. Dieses Eindringverhalten wird durch das Zusammenspiel von (komplexen) Fluideigenschaften wie Benetzbarkeit, scherratenabhängiger Viskosität und Elastizität sowie geometrischen Parametern wie Größe und Form von Fließkanälen bestimmt. Die scherratenabhängigen Fluideigenschaften können bei einem konstanten (globalen) Volumenfluss zu einer "geometrieabhängigen" Viskositätsverteilung innerhalb eines heterogenen porösen Mediums führen, sowie zu lokalen Elastizitätseinflüssen. Um den Einfluss komplexer Fluideigenschaften auf die porenskaligen Instabilitäten und letztlich auf das globale Eindringverhalten zu verstehen, soll das globale und lokale Verdrängungsverhalten der komplexen Fluide untereinander, sowie mit dem Verdrängungsverhalten Newtonscher Fluide mit gleicher Null-Scherviskosität verglichen werden. Die auftretenden geometrieabhängigen lokalen Scherraten und damit lokalen Viskositäten sollen durch Bestimmung der Flussfelder abgeschätzt werden. Die Experimente sollen für unterschiedliche Porenraumgeometrien und unterschiedliche Eindringgeschwindigkeiten jeweils für den Fall eines benetzenden sowie eines nicht-benetzenden eindringenden Fluids durchgeführt werden. Die Geschwindigkeiten werden dabei so gewählt, dass kapillare, viskose und möglicherweise elastische Kräfte dominieren, während Trägheitskräfte vernachlässigt werden können. Durch die Verwendung von zwei Kameras mit unterschiedlichen Vergrößerungsoptiken sollen gleichzeitig das globale Eindringmuster sowie die schnellen lokalen Instabilitäten beobachtet werden. Die Häufigkeit verschiedener lokaler Instabilitäten soll durch numerische Bildanalyse ermittelt und zur Erklärung der verschiedenen Verdrängungsmodii verwendet werden, die zu unterschiedlichen globalen Verdrängungsmustern führen. Die globalen Muster werden durch verschiedene statistische Deskriptoren wie z.B. die Fingerbreite quantifiziert. Durch den Vergleich aller gewonnenen Daten sollen der benetzungsabhängige Einfluss der scherverdünnenden Viskosität und der Elastizität bzw. der Kombination beider nicht-Newtonschen Eigenschaften auf das Auftreten bestimmter lokaler Instabilitäten und damit letztlich aus das globalen Verdrängungsverhaltens bestimmt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen