Oberflächenlichtstreuung für nicht-transparente Fluide

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540431975

Die Methode der Oberflächenlichtstreuung (engl.: surface light scattering, SLS) untersucht die Dynamik thermischer Fluktuationen an der Phasengrenze von Flüssigkeiten durch Analyse des zeitlichen Verhaltens der Streulichtintensität. Sie wird routinemäßig zur nicht-invasiven Messung der Flüssigviskosität und der Ober- oder Grenzflächenspannung von transparenten Fluiden mit typischen erweiterten Unsicherheiten (k = 2) von 2% und darunter eingesetzt. Auch für nicht-transparente Fluide spielen die thermophysikalischen Eigenschaften von Fluiden in prozessrelevanten thermodynamischen Zuständen in Bezug auf Temperatur und Druck eine entscheidende Rolle bei der Auslegung verschiedener technischer Prozesse und Apparate. Unter extremen Bedingungen, wie z.B. hohen Temperaturen, sind jedoch nur für eine kleine Auswahl von Fluiden Daten zur Flüssigviskosität und Oberflächenspannung verfügbar. Die Anwendung der SLS-Methode in Reflexionsgeometrie ist eine Herausforderung, da die resultierenden Streulichtintensitäten deutlich geringer sind als die in Transmissionsgeometrie. Dies macht es unumgänglich, kleine Streuwinkel zu verwenden, d.h. kleine Wellenvektoren q zu untersuchen. Hier treten aufgrund der mangelnden Definition von q sogenannte Linienverbreiterungseffekte auf. Wenn diese nicht angemessen berücksichtigt werden, erhält man fehlerhafte Ergebnisse für Viskosität und Grenzflächenspannung. Für einen online- oder inline-Betrieb der SLS-Methode im Bereich kleiner q fehlen noch physikalisch fundierte Auswerteverfahren und eine geeignete Versuchsauslegung. Das Hauptziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Weiterentwicklung der SLS-Methode zur simultanen Bestimmung von Viskosität und Oberflächenspannung mit geringen Unsicherheiten für nicht-transparente Fluide. Es soll untersucht werden, für welchen Bereich von Wellenvektoren ein neuer Monte-Carlo-basierter Datenauswertungsansatz zufriedenstellende Ergebnisse liefert. Darüber hinaus wird untersucht, ob makroskopische Fluktuationen der Flüssigkeitsoberfläche oder die instrumentelle Unsicherheit der Apparatur die Linienverbreiterungseffekte dominieren. Dies soll durch systematische Änderungen der optischen Anordnung sowie die Integration eines kamerabasierten Strahlprofilers und eines aktiven Strahlstabilisierungssystems erreicht werden. Dabei ist es das Ziel, einen kalibrierungsfreien Aufbau zu realisieren. Ein weiteres Ziel ist die absolute Bestimmung der Wellenvektorverteilung, die es erlauben würde, Viskosität und Oberflächenspannung auch bei starker Linienverbreiterung zu bestimmen. Um den Erfolg der Entwicklungen zu belegen und zu zeigen, dass die Vorteile der SLS-Methode auf die Untersuchung nicht-transparenter Flüssigkeiten übertragen werden können, soll schließlich eine metallische Schmelze bei Raumtemperatur untersucht werden. Insgesamt soll diese Forschung die experimentellen und datenauswertenden Grundlagen für zukünftige SLS-Studien unter extremen Bedingungen liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen