Transport elastischer Fasern in engen Mikrokanälen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Mathias Bechert
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403680998

Das Projekt beschäftigt sich mit dem Transportverhalten von elastischen Mikrofasern in engen, einschränkenden Strömungskanälen. Dieses Szenario ist in der Praxis für viele verschiedene Anwendungen von Bedeutung, wie beispielsweise bei der Herstellung von Verbundmaterialien, der Lebensmittelforschung oder bei der Fortbewegung von Mikroorganismen in Schleim.Liegen die Abmessungen des Kanals dabei in der Größenordnung der Fasergeometrie, kommt es zur viskosen Wechselwirkung und einer Beeinflussung der Faserdynamik durch die Kanalwände. Dies äußert sich bei starren Fasern durch eine Abhängigkeit der Transportgeschwindigkeit der Faser vom Grad der Einschränkung, sowie durch eine Oszillation sowohl der Faserposition zwischen den seitlichen Kanalwänden als auch des Ausrichtungswinkels zur Strömungsrichtung. Die Oszillationseigenschaften und insbesondere eine mögliche Dämpfung dieser hängen dabei von der Symmetrie der Faser ab. So konnte bereits gezeigt werden, dass es möglich ist asymmetrische Objekte aufgrund der Ausrichtung entlang der Kanalmitte herauszufiltern.Der Einfluss von elastischen Eigenschaften der Faser wurde bisher noch nicht theoretisch untersucht. Durch die Möglichkeit der Biegedeformation können sich neue Effekte ergeben, wie beispielsweise ein instabiles Verhalten, das sogenannte Buckling, oder auch ein Transport von langen Fasern, die im Fall von starren Fasern den Kanal blockieren würden. Auch die Oszillationseigenschaften hängen voraussichtlich stark vom elastischen Verhalten der Faser ab.Die Herausforderung einer theoretischen Beschreibung besteht in der korrekten Berücksichtigung der Strömung zwischen Faser und Kanalwänden, die eine rein zweidimensionale Betrachtung unmöglich macht. In diesem Projekt sollen daher zwei Herangehensweisen zur Modellierung entwickelt und evaluiert werden. Die eine basiert auf der Erweiterung eines reduzierten zweidimensionalen Modells, dem sogenannten Brinkman-Modell, während die andere eine dreidimensionale Simulation darstellt, die auch zur Überprüfung des Brinkman-Modells verwendet werden kann.Ziel des Projekts ist es, die Frage nach einer geeigneten Modellierung zu beantworten sowie anschließend in den experimentell relevanten Parameterbereichen das dynamische Verhalten qualitativ und quantitativ zu untersuchen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Auswertung der Ergebnisse hinsichtlich praktisch relevanter Größen, wie zum Beispiel geeignete Kanalgeometrien abhängig von der Anwendung.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Gastgeber: Professor Dr. François Gallaire