Trägheitseinfluss auf strömungsinduzierte Partikelbewegung in laminarer Scherströmung

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Harting; Professor Dr. Andreas Wierschem
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467503132

Das strömungsinduzierte Lösen und Bewegen von Feststoffpartikeln auf einem festen unebenen oder rauen Untergrund oder einer Granulatschicht ist von grundlegender Bedeutung bei vielen natürlichen und industriellen Systemen. Beispielhaft seien der Sediment- bzw. Granulattransport beim Fördern, in Filtration und Fraktionierung, 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, für Aktuatoren wie Ventile und Pumpen, in flow assays oder zur Konstruktion von Metamaterialien 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 nur teilweise für strukturierte Oberflächen und Partikelschichten. Das liegt vor allem daran, dass bei den zahlreichen Untersuchungen zum Materialtransport und speziell zur Partikelbewegung und deren Einsatz das Entfernen der Partikel bis vor kurzem ausschließlich in willkürlich angeordneten Sedimentschichten untersucht wurde und nicht wohldefinierte Parameter in die Modellierung eingingen. Unlängst konnten wir für den trägheitsfreien Fall eine fitfreie Beschreibung vorlegen, die den Einsatz der Partikelbewegung nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ gut beschreibt. Sie basiert auf wohldefinierten Experimenten mit strukturierten Substraten zusammen mit numerischen Berechnungen der Kräfte und Momente. Offen bleibt, welchen Einfluss Trägheit auf das Einsetzen der Partikelbewegung hat. Hier stellen sich eine Reihe offener Fragen, von dem Einfluss auf die kritische Shieldszahl über die Art der Bifurkation, die Abhängigkeit von der Dauer der Scherbelastung bis hin zu Resonanz und Resuspension, die im beantragten Projekt geklärt werden sollen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen