Hochdruckthermofluiddynamik und Rheologie

Prof. Dr. habil. Andreas Wierschem

Professur für Hochdruckthermofluiddynamik und Rheologie
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Fotografie des Dünnschichtrheometers
Dünnschichtrheometer mit enhaltenem Sensor

Dieser Forschungsbereich befasst sich mit verschiedenen Themen, besonders der Auswirkung von Druckbelastungen bis 900 MPa auf organische und Biomaterialien. Ab 100 MPa treten durch den Druck Verfestigung, Denaturierung von Proteinen, starke Änderungen der Enzymaktivität und die Inaktivierung von Mikroorganismen auf. Daher sind hohe Drücke nicht nur für Dieseleinspritzung, sondern auch für die Haltbarmachung von Lebensmitteln und die Lebensmittelverarbeitung von Bedeutung, und bieten vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten bei Impfstoffen. Der Forschungsbereich arbeitet daher auch an der Anpassung von Messtechniken auf den Hochdruckbereich.

Rheologie bezeichnet die Wissenschaft, die sich mit dem Strömungs- und Verformungsverhalten von Stoffen unter mechanischer Last befasst. Oft hängt das Materialverhalten in komplexer Weise von der Mikrostruktur und deren Änderungen unter Last ab. Der Hauptforschungsbereich der Gruppe liegt in der Dünnschichtrheometrie. Hierzu wurden Dünnschichtrheometer entwickelt, die Messungen bis zu Spaltweiten von nur wenigen Mikrometern erlauben. Daraus ergibt sich eine Reihe an Vorteilen: eine kleine benötigte Probenmenge, Viskosität und Normalspannungsdifferenzen können bei Scherraten untersucht werden, die die von Standard-Rheometern um zwei Größenordnungen übersteigen, und sogar die Rheologischen Eigenschaften einzelner Zell-Lagen können untersucht werden.

Neben hohen Drücken und komplexem Materialverhalten werden auch allgemeinere Strömungsprobleme untersucht. Dabei geht es unter Anderem um Partikelbewegungen im Strömungsfeld, oder die passive Strömungskontrolle mittels geometrisch forcierter Einstellung eines (optimalen) Strömungsregimes.

Projekte

2021

  • Entwicklung von Technologien für den vertikalen minimalinvasiven Tiefseebergbau (DSS)

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Titel des Gesamtprojektes: Entwicklung von Technologien für den vertikalen minimalinvasiven Tiefseebergbau (DSS)
    Laufzeit: 1. Juni 2021 - 31. Mai 2024
    Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

2020

  • Entwicklung von Simulationsmodellen mit einphasiger Strömung zur Vorhersage der Strömungsverhältnisse, Parametrisierung und Sensivitätsanalyse, Simulative Entwicklung von Luftführungen sowie möglichen steuerbaren Elementen

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Titel des Gesamtprojektes: aLuVe: Innovativer, aktiv steuerbarer Luftverteiler mit adaptiver strömungstechnischer Steuerung für Sprühtrocknungsanlagen zur Diversifizierung des möglichen Produktspektrums und der anlagentechnisch optimierten Trocknung von Lebensmitteln
    Laufzeit: 1. Februar 2020 - 31. März 2022
    Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

  • Simulation der Strömungsverhältnisse im miniaturisierten Wärmetauscher durch thermodynamische Berechnungen sowie Entwicklung eines Kennfelds der adaptiven Betriebscharakteristik u. von Geometrien zu Nutzung turbulenter Strömungen zur Wärmeübertragung; CompactStream: Entwicklung eines Be- und Entlüftungsgerätes mit miniaturisiertem, rekuperativen Kunststoff-Wärmetauscher mit antimikrobieller, ice-phober Beschichtung, integriertem Elektrofilter zur Feinstaubfilterung und skalierbarem Luftstrom

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Laufzeit: 1. März 2020 - 31. Oktober 2022
    Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

2016

  • Zweiter newtonscher Bereich von Polymerlösungen

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Laufzeit: 1. Januar 2016 - 31. März 2019
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Abstract
                                      Polymerlösungen sind grundlegende rheologische Systeme mit unzähligen Anwendungen. Ihre Viskosität ist typischerweise stark abhängig von der Scherbelastung: Bei niedrigen Scherraten, im 1. newtonschen Bereich, zeigen Polymerlösungen eine scherratenunabhängige Viskosität. Bei höheren Scherraten nimmt die Viskosität deutlich ab. Bei sehr hohen Scherraten wird wieder ein Bereich konstanter Viskosität, der 2. newtonsche Bereich, erwartet. Neben der Scherrate wird die Viskosität wesentlich von der Art des Polymers und seiner Struktur, dem Molekulargewicht und seiner Verteilung, der Polymerkonzentration und von dem Lösungsmittel bestimmt. Im 1. newtonschen Bereich lassen sich vor allem abhängig von Konzentration und Molekulargewicht unterschiedliche Regime von Polymerlösungen unterscheiden. Während der 1. newtonsche Bereich und das Einsetzen der Scherverdünnung intensiv erforscht sind, trifft dies nicht für den 2. newtonschen Bereich zu. Hier fehlen detaillierte Kenntnisse zu den Viskositätswerten, Normalspannungsdifferenzen, sowie der Orientierung der Polymere und ihre Abhängigkeiten von den oben genannten Parametern ebenso wie systematische Studien zum Einsetzen des 2. newtonschen Bereichs. Genaue Kenntnisse zu diesem Bereich sind nicht nur für ein grundlegendes Verständnis notwendig sondern werden in einer Reihe von industriellen Anwendungen benötigt. Wesentliche Ursache für den Kenntnismangel ist das bisherige Fehlen adäquater Messtechnik: Der Scherratenbereich liegt typischerweise 1-2 Zehnerpotenzen jenseits des Parameterbereichs kommerzieller Rheometer. Darüber hinaus müssen sehr niedrige Viskositäten detektiert werden. Wir haben die geometrische Genauigkeit von Rotationsrheometern um etwa den Faktor 30 bis 100 verbessert. Dadurch können Messungen bei deutlich niedrigeren Spaltbreiten durchgeführt und so die erforderlichen hohen Scherraten erreicht werden. Darüber hinaus ist das weiterentwickelte Gerät nach Kenntnisstand des Autors als einziges in der Lage, bei Scherraten bis zu 105 s-1 Normalkräfte in Polymerlösungen zu detektieren und rheooptische Untersuchungen durchzuführen. Eine weitere Steigerung der Genauigkeit soll im Rahmen des Projekts erfolgen. Zentrales Ziel des Projekts ist es, den 2. newtonschen Bereich bei wohldefinierten wie auch industriell relevanten Polymerlösungen zu charakterisieren. Neben der Bestimmung der Viskosität sollen bei den hohen Scherraten Normalkräfte und die Polymerorientierung detektiert werden. Durch letztere soll geklärt werden, ob sich die Mikrostruktur im 2. newtonschen Bereich noch wesentlich ändert. Es soll vor allem geklärt werden, ob im 2. newtonschen Bereich ähnlich dem 1. newtonschen Bereich unterschiedliche Regime als Funktion der Polymerkonzentration auftreten. Dabei soll der Einfluss von Molekulargewicht, Strukturänderungen des Polymers und des Lösungsmittels bestimmt werden. Um scherinduzierte Degradation zu vermeiden, sollen die Untersuchungen an semiflexiblen Polymeren durchgeführt werden.                             

2015

  • Substrateinfluss auf strömungsinduzierte Partikelbewegung in laminarer Scherströmung

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Laufzeit: 1. Oktober 2015 - 15. Oktober 2019
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Abstract
    Das strömungsinduzierte Lösen und Bewegen von Feststoffpartikeln auf einem festen Untergrund oder einer Granulatschicht ist von grundlegender Bedeutung bei vielen natürlichen und industriellen Systemen. Beispielhaft seien der Sediment- bzw. Granulattransport bei der Filtration, in Fließgewässern und Rohrleitungssystemen, der Partikeltransport in Atemwegen, wie auch die Reinigung von Oberflächen genannt. Auch in der Mikrofluidik werden zunehmend kugelförmige Partikel z.B. als Informationsträger oder für Aktuatoren wie Ventile und Pumpen eingesetzt. Eine wichtige Voraussetzung ist dabei die kontrollierte Positionierung von Partikeln. Während die Bewegung einzelner Partikel auf ebenen Wänden recht gut verstanden ist, gilt dies nicht für strukturierte Oberflächen und Partikelschichten. Trotz zahlreicher Untersuchungen zum Einsatz der Partikelbewegung und der Partikelbewegung bzw. des Materialtransports in granularen Betten, werden bis heute diese technologisch wichtigen Prozesse unzureichend beschrieben. Dies resultiert daraus, dass das Entfernen der Partikel ausschließlich in willkürlich angeordneten Sedimentschichten untersucht wurde und nicht wohldefinierte Parameter in die Modellierung eingingen. So bleibt unklar, welchen Einfluss die Substratgeometrie und Nachbarpartikel auf den Einsatz der Partikelbewegung als auch auf die Partikelgeschwindigkeit entlang der Substrate ausüben.Granulatschichten behindern die Partikelbewegung zum einen dadurch, dass sie als unebener Untergrund ein Hindernis darstellen, dessen Kontaktwinkel stromabwärts überwunden werden muss, zum anderen durch Abschattung des Partikeln gegen die Strömung abgeschattet. Darüber hinaus führen Nachbarpartikel in analoger Weise zu einer zusätzlichen Behinderung. Ausgehend von dieser Beobachtung sollen die wesentlichen Parameter variiert werden. Ziel des Projekts ist es, den Einsatz der Partikelbewegung und die Partikelbewegung entlang der Substrate selbst in einem Modell quantitativ und ohne Rückgriff auf nicht wohldefinierte Parameter zu beschreiben.

2010

  • Einfluss der Partikellagerung auf den strömungsinduzierten Einsatz der Partikelbewegung

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Laufzeit: 1. Juli 2010 - 30. Juni 2012
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Abstract
    Das strömungsinduzierte Lösen und Entfernen von Feststoffpartikeln von einem festen Untergrund ist von grundlegender Bedeutung in einer Vielzahl natürlicher wie industrieller Systeme. Beispielhaft seien der Sediment- bzw. Granulattransport in Fließgewässern sowie in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, die Reinigung von Oberflächen z.B. in Produktionsanlagen und von Wafern, Filtration, Mikrofluidik oder auch der Partikeltransport in Atemwegen genannt. Aufgrund ihrer großen Bedeutung werden sowohl das Einsetzen des Partikeltransports als auch das Entfernen der Partikel von der Oberfläche sowohl theoretisch als auch experimentell intensiv untersucht.Während die Bewegung einzelner Partikel auf ebenen Wänden als recht gut verstanden gelten kann, gilt dies nicht für Partikelanhäufungen und Sedimentschichten. Dies resultiert zum einen daraus, dass das Entfernen der Partikel vor allem bei turbulenten Strömungen untersucht wurde, zum anderen wurde bisher ausschließlich der Einsatz der Bewegung irregulär angeordneter Partikel auf ebenen Unterlagen oder in eingeebneten aber willkürlich angeordneten Sedimentschichten untersucht. In der Beschreibung bleibt die genaue Partikelanordnung unberücksichtigt. So bleiben auch die genauen Mechanismen wie Einfluss von Druck und Schubspannung, die genaue Lagerung der Partikel, Abschattung durch Nachbarpartikel oder durch das Ruhen der Partikel in Vertiefungen unklar. Zudem sind auch die kritischen Zeitdauern für den Einsatz der Partikelbewegung nicht bekannt.Im Rahmen des beantragten Projekts soll der Einfluss der Partikellagerung auf den strömungsinduzierten Einsatz der Partikelbewegung experimentell untersucht werden. Zu diesem Zweck soll auf einem regelmäßig angeordneten Substrat aus identischen Partikeln systematisch die Anzahl der Kontaktpunkte, die Orientierung des Substrats bzgl. der Strömungsrichtung und der Gitterabstand des Substrats variiert werden. Neben der Messung der kritischen Kennzahlen für den Einsatz der Bewegung unter stationärer Scherströmung sollen die kritischen Zeitdauern für den Einsatz der Bewegung im überkritischen Parameterbereich bestimmt werden. Ausgehend von Messungen an Einzelpartikeln auf dem Substrat sollen die Untersuchungen auf Partikelgruppen auf dem Substrat und schließlich auf eine geschlossene Partikelschicht ausgeweitet werden.

Themen

Die Forschungsgruppe gliedert sich in 3 Bereiche:
  • Hochdruck
    Im Vordergrund steht die Frage, inwiefern sich Produkteigenschaften und Herstellungsprozesse durch Anwendung von Drücken bis zu einigen tausend bar verbessern lassen. Dazu ist es notwendig, Materialparameter bei den hohen Drücken zu kennen und adäquate Messmethoden für in situ-Untersuchungen unter Hochdruck zu entwickeln.
  • Fluiddynamik
    Der Schwerpunkt liegt bei Mehrphasenströmungen. Besonderes Augenmerk wird auf den Einfluss von Substraten auf die Dynamik von Filmströmungen, auf den strömungsinduzierten Einsatz von Partikelbewegung und die Entwicklung adäquater Messmethodik gerichtet.
  • Rheologie
    Rheologie untersucht das Strömungs- und Deformationsverhalten von Materie. Schwerpunkt der Gruppe ist die Dünnschichtrheometrie. Mit ihr können minimale Probenmengen (Größenordnung 10 µL) bei Scherraten von mehr als 105 s-1 untersucht werden aber auch die mechanischen Eigenschaften von Zellen und Gewebe, Zellaufbruch oder auch die Bestimmung von Adhäsionsgrenzen.

Zu den aktuell oder kürzlich in Projekten behandelten Themen zählen:

  • Hochdruckprozesse
    • Druckinduzierte Phasenübergänge
    • Materialparameterbestimmung unter Hochdruck
    • Messverfahren unter Hochdruck
  • Fluiddynamik
    • Strömungsinduzierte Partikelbewegung
    • Filmströmungen
  • Rheologie
    • Dünnschichtrheologie
    • Biorheologie
    • Rheologie bei hohen Scherraten
    • Polymerlösungen

Methoden

Der Gruppe stehen verschiedenste Messgeräte zur Verfügung. Eine Auflistung findet sich unter https://lstm.cms.rrze.uni-erlangen.de/forschung/ausstattung/

Publikationen

2021

2020

2019

2018

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1997

1995