Hvorfor bobler i viskoelastiske væsker bevæger sig hurtigere

Hvorfor stiger store gasbobler i viskoelastiske væsker (såsom polymer- og proteinopløsninger) så meget hurtigere end forventet? Et åbent spørgsmål med stor relevans for industrielle produktionsprocesser. Forskere ved TU Graz og TU Darmstadt har nu fundet en forklaring.

Det er et puslespil, der længe har været kendt blandt eksperter og meget relevant i mange industrielle produktionsprocesser:en springdiskontinuitet i gasboblernes stigningshastighed i såkaldte viskoelastiske væsker. Viskoelastiske væsker er stoffer, der kombinerer egenskaber af flydende og elastiske stoffer. Mange hårshampooer er et eksempel på dette. Hvis du vender en gennemsigtig, næsten helt fyldt flaske shampoo på hovedet, vil du se den indelukkede luft stige op som en boble i en usædvanlig form. I mange industrielle processer forekommer sådanne væsker som opløsninger af polymerer og skal ofte beriges med oxygen ved gasning. "Vi har i omkring 60 år vidst, at gasboblernes stigningshastighed i viskoelastiske væsker undergår et spring ved en kritisk boblediameter. Boblernes hastighed kan så pludselig blive op til ti gange hurtigere. Dette spiller en grundlæggende rolle i den kontrollerede gasning af disse væsker. Samtidig var det uklart, hvad der forårsagede denne pludselige stigning i hastigheden," forklarer Günter Brenn fra Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer ved TU Graz.

Med en kombination af simulering, eksperiment og teoretisk analyse har teamene af Günter Brenn ved TU Graz og Dieter Bothe på TU Darmstadt nu løst puslespillet sammen. De har fundet ud af, at samspillet mellem polymermolekylerne og strømmen omkring gasboblerne fører til boblernes mærkelige hastighedsadfærd. Med denne viden kan ilttilførslen til disse løsninger nu forudsiges mere præcist, hvilket betyder, at udstyr inden for eksempelvis bioteknologi, procesteknik og medicinalindustrien kan designes bedre. Forskerne forklarer i øjeblikket deres resultater i Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics.

'Afslappet' tilstand foretrækkes

Polymerer består ofte af enorme molekyler, der interagerer på komplekse måder med væsken, hvori de er opløst. Denne interaktion gør en flydende viskoelastisk. Hvad forårsager det spring i hastighed, som gasbobler viser i disse væsker fra den kritiske diameter og fremefter? Günter Brenn forklarer de seneste fund:"Flommen omkring boblen får de opløste polymermolekyler til at strække sig. Molekylerne kan ikke lide denne tilstand. De ønsker at vende tilbage til den afslappede, ustrakte tilstand så hurtigt som muligt." Hvis denne tilbagevenden til den afslappede tilstand er hurtigere end transporten af ​​molekylerne til boblens ækvator, så forbliver boblen langsom. Hvis tilbagevenden til den afslappede tilstand derimod tager længere tid end rejsen til boblernes ækvator, så udløses der en spænding i væsken, der "skubber" boblen. Dette fører til en selvforstærkning, da efterfølgende polymermolekyler placerer sig under ækvator og slapper af, aflaster deres elastiske energi og frigiver en "fremdrivende kraft."

Ud over den høje praktiske relevans af dette fund, især for de ovennævnte anvendelsesområder, er der også konsekvenser i grundforskningen. "Det viste sig, at en anden overraskende egenskab ved strømningsfeltet for disse opløsninger kan tilskrives denne molekylære mekanisme, vi viste:nemlig det såkaldte 'negative kølvand' af gasboblen," siger Dieter Bothe fra Analyse-arbejdsgruppen for Matematisk Institut ved TU Darmstadt. Dette er et område i strømningsfeltet under boblen, hvor væsken normalt "følger" med boblen med lav hastighed. Med polymere væsker er det imidlertid omvendt:der er væskens bevægelse orienteret i den modsatte retning af boblens bevægelse. Denne væskebevægelse er forårsaget af den samme spænding, som "skubber" boblen. Denne forståelse kan føre til muligheder for at styre flowprocesser.