In Rohrleitungen transportierte, scherverdickende Flüssigkeiten, wie Maizena in Wasser oder bestimmte Betone, sollten sich unter starkem Druck eigentlich verfestigen. Doch das wird in der Praxis nicht beobachtet.
Forscher des Instituts für industrielle Thermische Systeme und von Chryso France haben herausgefunden, dass sich die Spannung auf ein kurzes Rohrstück konzentriert, wodurch die restlichen Teile der Strömung flüssig bleiben. Diese Arbeiten, die in der Zeitschrift
PNAS veröffentlicht wurden, interessieren die zahlreichen industriellen Anwendungen von scherverdickenden Flüssigkeiten.
Scherverdickende Flüssigkeiten, die aus Partikeln von etwa zehn Mikrometern in Suspension bestehen, fließen unter schwachen Belastungen wie herkömmliche viskose Flüssigkeiten, verfestigen sich jedoch, sobald sie stark geschert werden. Dieses Verhalten beruht auf der Abstoßung zwischen den Partikeln, die unter niedriger Spannung gleiten und unter hoher Spannung reiben. Deshalb sinkt man in ein mit Maizena gemischtes Wasserbecken ein, wenn man langsam eintritt, aber nicht, wenn man schnell genug läuft.
Diese Materialien, wie hochleistungsfähiger Beton vor dem Aushärten, Schokoladenmasse oder bestimmte Magmen, können jedoch trotz des Drucks, der sie verfestigen sollte, durch Rohre fließen. Zwar hört die Durchflussmenge auf, proportional zur Spannung zu steigen, wenn diese das Niveau überschreitet, das die gesamte Masse verfestigen sollte, aber die Strömung bleibt erhalten, und das ohne Durchflussschwankungen.
Forscher des Instituts für industrielle Thermische Systeme (
IUSTI, CNRS/Aix-Marseille Universität) und des Unternehmens
Chryso France haben den Mechanismus dieser besonderen Strömung aufgedeckt und erklärt: Die Spannungen konzentrieren sich tatsächlich auf ein kurzes Rohrstück, wodurch der Rest der Strömung flüssig bleibt. Diese Verengungszone, die so kurz wie der Rohrdurchmesser ist, lässt die Strömung passieren und bewegt sich gegen den Strom.
Da scherverdickende Flüssigkeiten dichtere Suspensionen sind, sind sie nicht transparent. Die Forscher konnten die Strömung nur im Bereich von etwa hundert Mikrometern nahe der Rohrwand beobachten. Sie fügten fluoreszierende Tracer hinzu, die ihnen die Geschwindigkeitsgradienten der Strömung entlang der Wand und in Richtung der Rohrmitte anzeigten.
Sie identifizierten die Verengungszone, die als Reibungssoliton bezeichnet wird, weil die Körner dort reiben und sich wie eine isolierte Welle gegen die Strömung bewegen. Das Soliton erstreckt sich kontinuierlich stromaufwärts und zerfällt stromabwärts. Es gibt immer nur ein Soliton im Rohr, und es erscheint nur, wenn der Druck die Spannungen über den Verfestigungsschwellenwert hinaus erhöht. Sobald das Soliton das obere Ende des Rohrs erreicht, verschwindet es, um sich sofort am unteren Ende neu zu bilden und seine Aufwärtsbewegung fortzusetzen.
Das Soliton bildet sich am Ende des Rohrs, sobald das Ventil geöffnet wird. Es bewegt sich stromaufwärts, dehnt sich so schnell aus, wie es stromabwärts zerfällt, ohne die Strömung zu blockieren.
© A. Bougouin Druckmessungen entlang des Rohrs bestätigen, dass der Druckverlust im Bereich des Solitons konzentriert ist, sodass die anderen Bereiche flüssig bleiben. Dieses Verhalten wurde für mehrere Suspensionen untersucht, die aus Körnern unterschiedlicher Zusammensetzung, Form und Größe bestehen.
Diese Arbeiten könnten helfen, Durchflussgesetze für zahlreiche industrielle Anwendungen, wie im Bauwesen oder in der Lebensmittelindustrie, zu etablieren. Dazu muss noch verstanden werden, was passiert, wenn die Strömung auch durch Bögen und Reservoirs geht.
Referenzen:
A frictional soliton controls the resistance law of shear-thickening suspensions in pipes.
Alexis Bougouin, Bloen Metzger, Yoël Forterre, Pascal Boustingorry & Henri Lhuissier.
PNAS, 2024.
https://doi.org/10.1073/pnas.2321581121
Quelle: CNRS INSIS