Forscher klären unerwartetes Phänomen bei Partikel-Fluss

23. März 2014, 18:00
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Simulation beschreibt Verhalten von Teilchen an Gabelungen - Fokus auf gezielte Steuerung der Feinteilchen

Graz - Forscher aus Graz, Princeton und Zürich sind einem Phänomen im Strömungsverhalten von Partikeln auf die Spur gekommen. Die Teilchen bleiben an Gabelungen (T-förmigen Abzweigungen) hängen und verstopfen sie mit der Zeit. Warum und wo genau der Effekt auftritt, das können sie mittels 3D-Simulation voraussagen, wie sie in der jüngsten Ausgabe des Fachjournals "PNAS" berichten.

Wie kann man den Partikeltransport und Mischvorgänge etwa in physiologischen Systemen oder auch bei industriellen Prozessen möglichst genau beschreiben und simulieren? Diese Frage interessiert Stefan Radl am Institut für Prozess- und Partikeltechnik der TU Graz mit Blick auf biologische Vorgänge wie etwa der Blutzirkulation ebenso wie bei der Berechnung von Produktionsprozessen in der Papier- und Zellstoffindustrie.

Während seines Aufenthaltes an der Princeton University hat er mit Kollegen beobachtet, dass sich Partikel unter bestimmten Voraussetzungen nämlich an jenen Stellen ansammeln, wo sich Kanäle aufgabeln und dort quasi gefangen sind. Warum und wo genau solide aber auch fluide Partikel an den T-förmigen Abzweigern akkumulieren, hat der Grazer Forscher gemeinsam mit Howard Stone von der University of Princeton und Daniele Vigolo von der ETH Zürich in experimentellen Versuchen und Simulationen untersucht und dargestellt.

Drei Faktoren führen zur Verstopfung der Kreuzung

Es stellte sich heraus, dass drei Faktoren eine zentrale Rolle spielen: Die Strömungsgeschwindigkeit, die Partikeldichte und die Partikelgröße. "Für alle drei Parameter konnten wir Grenzwerte theoretisch ableiten und mit experimentellen Daten hinterlegen. So können wir berechnen, wohin die Partikel gehen und wo sie starten müssen, um durchgeschleust zu werden bzw. hängen zu bleiben", so Radl.

Beides hat Vorteile: Für die Medizin wäre es u.a. interessant, mit der Steuerung der drei beschriebenen Parameter die Partikelansammlungen an den T-Abzweigern gezielt zu vermeiden. Wenn Taucher beispielsweise zu schnell an die Wasseroberfläche kommen, können sich Gasbläschen an den Abzweigungen im Blutgefäß ansammeln, es verstopfen und so durch Gasembolie zum Tod führen. "Auch Gasbläschen sind Partikel, und mit unseren Beobachtungen lässt sich die Entstehung des Gasembolismus und die Vermeidung desselben nun besser erklären", schilderte Radl.

Andererseits kann es durchaus vorteilhaft sein, wenn sich Partikel an bestimmten Punkten im Strömungssystem akkumulieren, weil sie dann gut aus einer Flüssigkeit heraustrennt werden können: "Etwa in der Papierindustrie, wo es u.a. darum geht, den sogenannten Feinstoff abzutrennen, schilderte Radl. In einem aktuellen FFG-Projekt (FLIPPR) untersucht er gemeinsam mit Forschern vom Institut für Papier-, Zellstoff- und Fasertechnik der TU Graz sowie mit Kollegen der Uni Graz und der BOKU u.a. die Möglichkeiten der gezielten Partikelseparierung. (APA/red, derStandard.at, 23.03.2014)

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