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.

  • Der hybride Sprühtrockner: Mit innovativen Multiparameter-Prozesssonden und Mehrphasen-höchstleistungsnumerik zum effizienten Multifunktionstrockner

    (Third Party Funds Group – Sub project)

    Overall project: Der hybride Sprühtrockner: Mit innovativen Multiparameter-Prozesssonden und Mehrphasen-höchstleistungsnumerik zum effizienten Multifunktionstrockner
    Term: March 1, 2023 - September 30, 2025
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)
    Abstract

    Projektziel ist ein Luftverteiler der mithilfe von Simulationen und speziell für das Vorhaben entwickelten multiparameter-Prozesssonden so ausgelegt werden kann, dass die Trocknungsanlagen durch wechselbare hybride Luftverteiler universell für unterschiedliches Trocknungsgut mit unterschiedlichen Verarbeitungsvoraussetzungen eingesetzt werden können.

  • Technische Entwicklung und rheologische Untersuchungen von nachhaltigen Mikrokapselformulierungen für thermolabile bioaktive Wirkstoffe in Lippenpflegestiften

    (Third Party Funds Group – Sub project)

    Overall project: MicLips
    Term: April 1, 2023 - April 30, 2025
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

  • Trägheitseinfluss auf strömungsinduzierte Partikelbewegung in laminarer Scherströmung

    (Third Party Funds Single)

    Term: February 1, 2022 - January 31, 2025
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)

  • Verbundprojekt: Entwicklung von Technologien für den vertikalen minimalinvasiven Tiefseebergbau (DSS); Teilprojekt Lehrstuhl für Strömungsmechanik (LSTM) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)

    (Third Party Funds Group – Sub project)

    Overall project: Entwicklung von Technologien für den vertikalen minimalinvasiven Tiefseebergbau (DSS)
    Term: June 1, 2021 - May 31, 2024
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

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

    (Third Party Funds Group – Sub project)

    Overall project: aLuVe: Innovativer, aktiv steuerbarer Luftverteiler mit adaptiver strömungstechnischer Steuerung für Sprühtrocknungsanlagen zur Diversifizierung des möglichen Produktspektrums und der anlagentechnisch optimierten Trocknung von Lebensmitteln
    Term: February 1, 2020 - March 31, 2022
    Funding source: 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

    (Third Party Funds Single)

    Term: March 1, 2020 - October 31, 2022
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

  • Second Newtonian region of polymer solutions

    (Third Party Funds Single)

    Term: January 1, 2016 - March 31, 2019
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Abstract
                                      Polymer solutions are a class of fundamental rheological systems with countless applications. Their viscosity typically depends strongly on the shear load: At low shear rates, in the 1st Newtonian branch, the polymer solutions have a constant viscosity. Beyond this branch, the viscosity diminishes considerably. Finally, at very high shear rates another regime of constant viscosity, the 2nd Newtonian branch is expected. Apart from shear rate, the viscosity depends substantially on the type of polymer and its structure, the molecular weight and its distribution, the polymer concentration, and on the solvent. In the 1st Newtonian branch, different regimes of polymer solutions can be distinguished depending particularly on concentration and on molecular weight. While the 1st Newtonian branch and the onset of shear thinning are well studied, this is not the case for the 2nd Newtonian branch. Here, detailed knowledge about viscosity, normal-stress differences and the orientation of the polymers, their dependencies on the above-mentioned parameters as well as studies about the onset of the 2nd Newtonian branch are lacking. Proper knowledge about this branch, however, is not only necessary for a fundamental understanding of polymer solutions but is also needed in a number of industrial applications. Essential reason for the lack of knowledge about the 2nd Newtonian branch is the deficiency of adequate measuring technique: The shear-rate range is typically 1-2 decimal orders beyond the parameter range covered by commercial rheometers. Besides, very low viscosities need to be detected. We have improved the geometrical precision of rotational rheometers by about a factor of 30 to 100. This permits measurements at considerably narrower gaps that enable reaching the necessary high shear rates and precision. Furthermore, to the best of the authors knowledge, the improved rheometer is the only one that allows for detecting normal forces in polymer solutions and for carrying out rheo-optical studies at shear rates up to 105 s-1. It is aimed for further enhancing the precision within the project. Central aim of the project is to characterize the 2nd Newtonian branch of well-defined as well as industrially relevant polymer solutions. Simultaneously with the viscosity measurements, shear-induced normal forces due to the solution viscoelasticity and the orientation of the polymers are to be detected. The latter is to study whether the microstructure changes in the 2nd Newtonian branch. The main issue is to clarify if there are different regimes as a function of polymer concentration in the 2nd Newtonian branch similar to those in the 1st Newtonian branch. Furthermore, the impact of molecular weight, changes in polymer structure and solvent should be elucidated. To avoid shear-induced degradation, the study is planned to be carried out with semi-flexible polymers.

  • Substrate impact on flow induced particle motion in laminar shear flow

    (Third Party Funds Single)

    Term: October 1, 2015 - October 15, 2019
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Abstract
    Flow induced detachment and motion of solid particles on a fixed substrate or granular bed is of fundamental relevance in numerous natural and industrial systems. As examples sediment and granular transport in filtration, natural watercourses and piping systems, particle transport in the respiratory system, and the cleaning of surfaces may be mentioned. In microfluidics, spherical particles are progressively used as information carrier or for actuators like valves or pumps. Therefore, an important precondition is the controlled positioning of particles. While the motion of single particles on smooth walls is quite well understood, this does not hold for structured surfaces and granular beds. Despite numerous studies concerning the onset of particle motion, the motion itself or rather the material transport, these technologically important processes are still not well described. This is due to the fact that particle removal has been studied exclusively for disordered sediment layers and has been tried to describe using not well-defined parameters in the existing models. Since the precise particle arrangement is ignored, the effects of substrate geometry, exposure to the flow and shading by neighboring particles remains unclear. Hence, the impact of substrate geometry and of neighboring particles on the onset of particle motion and the motion along the substrate itself remains unclear.Granular beds hinder particle motion in two ways: On the one hand, the uneven substrate poses an obstacle, which downstream contact angle has to be overcome, on the other hand, its shades the particle against the flow. In an analogue manner, neighboring particles serve as an additional hindrance. Starting from this observation, we plan to vary the relevant parameters. The aim of the project is to describe the onset of particle motion and the motion along the substrate itself in laminar shear flows quantitatively in a model without recourse to not well-defined parameters.

  • Einfluss der Partikellagerung auf den strömungsinduzierten Einsatz der Partikelbewegung

    (Third Party Funds Single)

    Term: July 1, 2010 - June 30, 2012
    Funding source: 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.

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

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

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1995