Blasenströmungen mit viskoelastischen Flüssigkeiten

In vielen Anwendungen der Verfahrenstechnik und Biotechnologie werden chemische Reaktionen zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas beim Aufstieg von Gasblasen in der Flüssigkeit in so genannten Blasensäulen durchgeführt. Die Zweiphasenströmung in Blasensäulen wird seit einigen Jahrzehnten mit wachsender Intensität untersucht, da ihre Eigenschaften die Leistung der Blasensäule maßgeblich beeinflussen. Für den Fall Newtonscher Flüssigkeiten wurden bereits tiefgehende Erkenntnisse über die Transportvorgänge zwischen Blasen und Flüssigkeit gewonnen. Bei biotechnologischen Prozessen in Blasensäulen werden aber vielfach viskoelastische Flüssigkeiten eingesetzt. Auf dem Gebiet der dispersen Zweiphasenströmungen mit aufsteigenden Gasblasen in viskoelastischen Flüssigkeiten sind noch viele Fragen offen. Eine ungeklärte Fragestellung mit großer Bedeutung z.B. für die Verweilzeit der Blasen in der Flüssigkeit ist das dynamische Verhalten der Blasen beim Aufstieg. Dieses wird namentlich durch die Form beeinflusst, die die Blasen bei der Bewegung annehmen. Beim Überschreiten einer kritischen Blasengröße tritt ferner eine Unstetigkeit der Blasenaufstiegsgeschwindigkeit auf, deren physikalische Ursache bisher ungeklärt ist. Das vorliegend vorgeschlagene Projekt soll Grundlagenerkenntnisse zum Blasenaufstieg in viskoelastischen Flüssigkeiten liefern und die Ursache der Unstetigkeit in der Blasenaufstiegsgeschwindigkeit klären. Hierzu soll die Flüssigkeit durch Quantifizierung ihrer Relaxationszeit in Dehnströmungen rheologisch charakterisiert werden. Da Dehnbewegungen der Flüssigkeit in der Nähe der aufsteigenden Blasen trotz ihrer Bedeutung für den Blasenaufstieg in bisherigen Untersuchungen des Phänomens nicht ausreichend in Betracht gezogen wurden, verspricht dieser Ansatz eine Aufklärung des Effekts. Sehr wichtig für die Zweiphasenströmung ist auch die Intensität turbulenter Schwankungen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit, die durch die aufsteigenden Blasen in der viskoelastischen Flüssigkeit erzeugt werden. Das vorgeschlagene Projekt bearbeitet diese Fragestellung durch Messungen mit Laser-Doppler-Anemometrie in der Flüssigkeit für Blasengrößen sowohl unterhalb wie oberhalb des kritischen Wertes. Das rheologische Verhalten der Flüssigkeit wird durch eine Deborahzahl charakterisiert, die mit der Aufstiegsgeschwindigkeit und dem Radius der Blase gebildet wird. Übersteigt der Wert dieser Zahl einen Schwellwert, so wird die Relaxation der Normalspannungen bedeutend für den Vorgang (starke Strömung). Das übergeordnete Ziel des gesamten Projektes ist die Bereitstellung von Grundlagenerkenntnissen zu auftriebsgetriebenen Zweiphasenströmungen mit Blasen in viskoelastischen Flüssigkeiten.

In vielen Anwendungen der Verfahrenstechnik und Biotechnologie werden chemische Reaktionen zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas beim Aufstieg von Gasblasen in der Flüssigkeit in so genannten Blasensäulen durchgeführt. Die Zweiphasenströmung in Blasensäulen wird seit einigen Jahrzehnten mit wachsender Intensität untersucht, da ihre Eigenschaften die Leistung der Blasensäule maßgeblich beeinflussen. Für den Fall Newtonscher Flüssigkeiten wurden bereits tiefgehende Erkenntnisse über die Transportvorgänge zwischen Blasen und Flüssigkeit gewonnen. Bei biotechnologischen Prozessen in Blasensäulen werden aber vielfach viskoelastische Flüssigkeiten eingesetzt. Auf dem Gebiet der dispersen Zweiphasenströmungen mit aufsteigenden Gasblasen in viskoelastischen Flüssigkeiten sind noch viele Fragen offen. Eine ungeklärte Fragestellung mit großer Bedeutung z.B. für die Verweilzeit der Blasen in der Flüssigkeit ist das dynamische Verhalten der Blasen beim Aufstieg. Dieses wird namentlich durch die Form beeinflusst, die die Blasen bei der Bewegung annehmen. Beim Überschreiten einer kritischen Blasengröße tritt ferner eine Unstetigkeit der Blasenaufstiegsgeschwindigkeit auf, deren physikalische Ursache bisher ungeklärt ist. Das vorliegend vorgeschlagene Projekt soll Grundlagenerkenntnisse zum Blasenaufstieg in viskoelastischen Flüssigkeiten liefern und die Ursache der Unstetigkeit in der Blasenaufstiegsgeschwindigkeit klären. Hierzu soll die Flüssigkeit durch Quantifizierung ihrer Relaxationszeit in Dehnströmungen rheologisch charakterisiert werden. Da Dehnbewegungen der Flüssigkeit in der Nähe der aufsteigenden Blasen trotz ihrer Bedeutung für den Blasenaufstieg in bisherigen Untersuchungen des Phänomens nicht ausreichend in Betracht gezogen wurden, verspricht dieser Ansatz eine Aufklärung des Effekts. Sehr wichtig für die Zweiphasenströmung ist auch die Intensität turbulenter Schwankungen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit, die durch die aufsteigenden Blasen in der viskoelastischen Flüssigkeit erzeugt werden. Das vorgeschlagene Projekt bearbeitet diese Fragestellung durch Messungen mit Laser-Doppler-Anemometrie in der Flüssigkeit für Blasengrößen sowohl unterhalb wie oberhalb des kritischen Wertes. Das rheologische Verhalten der Flüssigkeit wird durch eine Deborahzahl charakterisiert, die mit der Aufstiegsgeschwindigkeit und dem Radius der Blase gebildet wird. Übersteigt der Wert dieser Zahl einen Schwellwert, so wird die Relaxation der Normalspannungen bedeutend für den Vorgang (starke Strömung). Das übergeordnete Ziel des gesamten Projektes ist die Bereitstellung von Grundlagenerkenntnissen zu auftriebsgetriebenen Zweiphasenströmungen mit Blasen in viskoelastischen Flüssigkeiten.