Rasende Blasen

Es ist ein lange bekanntes Rätsel, das in vielen industriellen Produktions­prozessen sehr relevant ist: die sprunghaft unterschiedlichen Aufstiegs­geschwindigkeiten von Gasblasen in visko­elastischen Flüssigkeiten. Ein Beispiel dafür sind viele Haarshampoos: Stellt man eine durchsichtige, fast ganz gefüllte Flasche davon auf den Kopf, so sieht man die einge­schlossene Luft als Blase in ungewöhnlicher Form aufsteigen. In vielen Industrie­prozessen treten solche Flüssig­keiten als Lösungen von Polymeren auf, die häufig durch Begasung mit Sauerstoff angereichert werden müssen. „Wir wissen seit etwa sechzig Jahren, dass die Aufstiegs­geschwindigkeit von Gasblasen in visko­elastischen Flüssigkeiten bei einem kritischen Blasen­durchmesser sprunghaft zunimmt. Die Blasen steigen dann plötzlich bis zu zehnmal schneller auf. Das spielt für die kontrollierte Begasung dieser Flüssig­keiten eine funda­mentale Rolle. Gleichzeitig war unklar, was diesen sprunghaften Geschwindigkeits­anstieg verursacht“, erläutert Günter Brenn vom Institut für Strömungs­lehre und Wärme­übertragung der TU Graz.

Mit einer Kombination aus Simulation, Experiment und theoretischen Analysen haben die Teams von Günter Brenn an der TU Graz und Dieter Bothe an der TU Darmstadt das Rätsel nun gemeinsam gelöst. Sie haben heraus­gefunden, dass die Wechselwirkung der Polymermoleküle mit der Strömung rund um die Gasblasen zu dem merkwürdigen Geschwindigkeits­verhalten der Blasen führt. Mit diesem Wissen kann nun der Sauerstoffeintrag in diese Lösungen genauer voraus­berechnet werden, womit Apparaturen etwa in der Biotechnologie, in der Verfahrens­technik und in der pharma­zeutischen Industrie besser ausgelegt werden können.

„Die Strömung rund um die Blase führt dazu, dass sich dort die gelösten Polymer­moleküle verformen. Diesen Zustand mögen die Moleküle nicht besonders. Sie wollen so schnell wie möglich zum entspannten, unverformten Zustand zurückkehren“, sagt Brenn. Wenn diese Rückkehr zum entspannten Zustand schneller geht als der Transport der Moleküle bis zum Äquator der Blase, dann bleibt die Blase langsam. Dauert die Rückkehr zur Entspannung hingegen länger als die Reise zum Blasenäquator, dann wird in der Flüssig­keit eine Spannung frei, die die Blase anschiebt. Das führt zu einer Selbst­verstärkung, da nachfolgende Polymer­moleküle nun erst recht bis unterhalb des Äquators kommen, sich dort entspannen und wiederum eine Schubkraft freisetzen.

Neben der hohen Praxis­relevanz dieser Erkenntnis, insbesondere für die oben genannten Anwendungs­bereiche, ergeben sich auch Konsequenzen in der Grundlagenforschung. „Es hat sich heraus­gestellt, dass eine weitere überraschende Eigenschaft des Strömungs­feldes dieser Lösungen diesem von uns gezeigten molekularen Mechanismus zugeordnet werden kann: nämlich der negative Nachlauf der Gasblase“, so Dieter Bothe von der Arbeits­gruppe Analysis des Fachbereichs Mathematik der TU Darmstadt. Das ist ein Bereich im Strömungs­feld unter der Blase, in dem normalerweise die Flüssigkeit mit kleiner Geschwindigkeit der Blase hinterherläuft. Bei den polymeren Flüssig­keiten ist es aber umgekehrt: dort ist die Flüssigkeits­bewegung entgegen der Blasen­bewegung orientiert. Diese Flüssigkeits­bewegung kommt durch dieselbe Spannung zustande, die auch die Blase anschiebt. Aus diesem Verständnis können sich Möglich­keiten zur Steuerung von Strömungs­vorgängen ergeben.

TU Graz / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Bothe et al.: On the molecular mechanism behind the bubble rise velocity jump discontinuity in viscoelastic liquids, J. Non-Newt. Fluid Mech. 302, 104748 (2022); DOI: 10.1016/j.jnnfm.2022.104748.
• Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung, TU Graz
• Analysis (D. Bothe), Fachbereich Mathematik, TU Darmstadt