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Warum manche Blasen mehr Tempo machen

Warum bewegen sich große Gasblasen in viskoelastischen Flüssigkeiten (etwa Polymer- und Proteinlösungen) so viel schneller als erwartet? Eine offene Frage mit großer Relevanz für industrielle Produktionsprozesse. Forschende der TU Graz und der TU Darmstadt haben nun eine Erklärung gefunden.

Günter Brenn beschäftigt sich am Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung der TU Graz mit dem Verhalten von Gasblasen und Flüssigkeitstropfen. © Lunghammer – TU Graz

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Es ist ein unter Fachleuten lange bekanntes Rätsel, das in vielen industriellen Produktionsprozessen sehr relevant ist: die sprunghaft unterschiedlichen Aufstiegsgeschwindigkeiten von Gasblasen in sogenannten viskoelastischen Flüssigkeiten. Viskoelastische Flüssigkeiten sind Stoffe, die Merkmale flüssiger und elastischer Stoffe in sich vereinen. Ein Beispiel dafür sind viele Haarshampoos: Stellt man eine durchsichtige, fast ganz gefüllte Flasche davon auf den Kopf, so sieht man die eingeschlossene Luft als Blase in ungewöhnlicher Form aufsteigen. In vielen Industrieprozessen treten solche Flüssigkeiten als Lösungen von Polymeren auf, die häufig durch Begasung mit Sauerstoff angereichert werden müssen. „Wir wissen seit etwa 60 Jahren, dass die Aufstiegsgeschwindigkeit von Gasblasen in viskoelastischen Flüssigkeiten bei einem kritischen Blasendurchmesser sprunghaft zunimmt. Die Blasen steigen dann plötzlich bis zu zehnmal schneller auf. Das spielt für die kontrollierte Begasung dieser Flüssigkeiten eine fundamentale Rolle. Gleichzeitig war unklar, was diesen sprunghaften Geschwindigkeitsanstieg verursacht“, erläutert Günter Brenn vom Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung der TU Graz.

Mit einer Kombination aus Simulation, Experiment und theoretischen Analysen haben die Teams von Günter Brenn an der TU Graz und Dieter Bothe an der TU Darmstadt das Rätsel nun gemeinsam gelöst. Sie haben herausgefunden, dass die Wechselwirkung der Polymermoleküle mit der Strömung rund um die Gasblasen zu dem merkwürdigen Geschwindigkeitsverhalten der Blasen führt. Mit diesem Wissen kann nun der Sauerstoffeintrag in diese Lösungen genauer vorausberechnet werden, womit Apparaturen etwa in der Biotechnologie, in der Verfahrenstechnik und in der pharmazeutischen Industrie besser ausgelegt werden können. Ihre Erkenntnisse erläutern die Forscher aktuell im Fachjournal Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics

„Entspannter“ Zustand bevorzugt

Polymere bestehen aus oft riesengroßen Molekülen, die in komplexer Weise mit der Flüssigkeit, in der sie gelöst sind, interagieren. Diese Wechselwirkung macht eine Flüssigkeit viskoelastisch. Was bedingt nun den sprungartigen Geschwindigkeitsanstieg, den Gasblasen in diesen Flüssigkeiten ab dem kritischen Durchmesser an den Tag legen? Günter Brenn erläutert die jüngsten Erkenntnisse: „Die Strömung rund um die Blase führt dazu, dass sich dort die gelösten Polymermoleküle verformen. Diesen Zustand mögen die Moleküle nicht besonders. Sie wollen so schnell wie möglich zum entspannten, unverformten Zustand zurückkehren.“ Wenn diese Rückkehr zum entspannten Zustand schneller geht als der Transport der Moleküle bis zum Äquator der Blase, dann bleibt die Blase langsam. Dauert die Rückkehr zur Entspannung hingegen länger als die Reise zum Blasenäquator, dann wird in der Flüssigkeit eine Spannung frei, die die Blase „anschiebt“. Das führt zu einer Selbstverstärkung, da nachfolgende Polymermoleküle nun erst recht bis unterhalb des Äquators kommen, sich dort entspannen und wiederum eine „Schubkraft“ freisetzen.

Neben der hohen Praxisrelevanz dieser Erkenntnis, insbesondere für die oben genannten Anwendungsbereiche, ergeben sich auch Konsequenzen in der Grundlagenforschung. „Es hat sich herausgestellt, dass eine weitere überraschende Eigenschaft des Strömungsfeldes dieser Lösungen diesem von uns gezeigten molekularen Mechanismus zugeordnet werden kann: nämlich der sogenannte ,negative Nachlauf‘ der Gasblase“, so Dieter Bothe von der Arbeitsgruppe Analysis des Fachbereichs Mathematik der TU Darmstadt. Das ist ein Bereich im Strömungsfeld unter der Blase, in dem normalerweise die Flüssigkeit mit kleiner Geschwindigkeit der Blase „hinterherläuft“. Bei den polymeren Flüssigkeiten ist es aber umgekehrt: dort ist die Flüssigkeitsbewegung entgegen der Blasenbewegung orientiert. Diese Flüssigkeitsbewegung kommt durch dieselbe Spannung zustande, die auch die Blase „anschiebt“. Aus diesem Verständnis können sich Möglichkeiten zur Steuerung von Strömungsvorgängen ergeben.

Weitere Infos zur Forschung von Günter Brenn: „Die Welt der Gasblasen und Flüssigkeitstropfen

An der TU Graz ist dieses Forschungsgebiet im Field of Expertise „Human & Biotechnology“ verankert, einem der fünf Stärkefelder der TU Graz.

Information

Bibliographische Angaben zur Publikation:
On the molecular mechanism behind the bubble rise velocity jump discontinuity in viscoelastic liquids.
Dieter Bothe, Matthias Niethammer, Christian Pilz, Günter Brenn. J. Non-Newtonian Fluid Mech. vol. 302 (2022), 104748
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2022.104748

Kontakt

Günter BRENN
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil.
TU Graz | Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung
Tel.: +43 316 873 7340
guenter.brennnoSpam@tugraz.at 

Dieter BOTHE
Prof. Dr.
TU Darmstadt | Fachbereich Mathematik
Tel.: +49 6151 16-21463
bothenoSpam@mma.tu-darmstadt.de 

Günter Brenn ist Leiter des Instituts für Strömungslehre und Wärmeübertragung der TU Graz. © Lunghammer – TU Graz
Dieter Bothe, Prodekan der Arbeitsgruppe Analysis des Fachbereichs Mathematik der TU Darmstadt. © Sebastian Keuth
Grafische Kurzfassung wesentlicher Erkenntnisse der Forschungsarbeit. Bild: Matthias Niethammer – TU Darmstadt
Schematische Darstellung zweier aufsteigenden Blasen in einer viskoelastischen Flüssigkeit, links im unterkritischen Zustand und rechts im überkritischen Zustand. Bild: Matthias Niethammer – TU Darmstadt
Schematische Darstellung wesentlicher Einflüsse der Polymerströmung auf das Blasenaufstiegsverhalten. Bild: Dieter Bothe – TU Darmstadt
Visualisierung der Simulationsergebnisse zur Ausrichtung und Verformung der Polymermoleküle in der viskoelastischen Flüssigkeitsströmung um die Blase. Bei der Blasenumströmung richten sich die Polymermoleküle in Umfangsrichtung zur Kontur der Blasengrenzfläche aus. Gleichzeitig verformen sich die Moleküle im oberen Teil der Blase. Im unterkritischen Zustand (links) sind die Polymermoleküle unterhalb des Blasenäquators bereits in ihren entspannten Zustand zurückrelaxiert. Im überkritischen Zustand (rechts) findet die Relaxation im Wesentlichen unterhalb des Blasenäquators statt. Bild: Matthias Niethammer – TU Darmstadt