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Countdown 19: Strömungsmechanik stellt sich vor

Die Arbeitsgruppe Strömungsmechanik stellt sich vor

Kalenderblatt19_03

Freie Konvektion

Die freie Konvektion ist ein Strömungsvorgang, der etwa über einer Flamme oder bei Rauchgas auftritt: Das heiße Gas dehnt sich aus und steigt aufgrund seiner geringen Dichte auf. Offensichtlich wird dies an der flimmernden Luft über einer Kerzenflamme oder am austretenden Rauch am Schornstein. Für Ingenieure ist das deshalb interessant, weil ohne zusätzliches Gebläse eine Luftströmung erzeugt wird, die auch die Wärme und den Rauch nach oben abtransportiert – quasi kostenfrei. Es ist also technisch durchaus attraktiv, den Transport von Wärme und Stoffen durch die freie Konvektion in offenen oder geschlossenen Kreisläufen zu bewerkstelligen.

Hierfür gibt es zahlreiche Beispiele. So wird bei Solaranlagen zur Wassererwärmung in südlichen Ländern ein Rohrkreislauf verwendet. Unten sitzt der Kollektor, der die Solarwärme einbringt, und darüber der Vorratstank für das Wasser. Auch in Flüssigkeiten führt eine Erwärmung zu einer kleineren Dichte. Scheint die Sonne und befindet sich im Vorratstank recht kaltes Wasser, ergibt sich eine große Temperaturdifferenz im Kreislauf, sodass das heiße, leichtere Wasser aufsteigt und das kalte, schwerere absinkt. Das Wasser im Kreislauf setzt sich also in Bewegung und transportiert die Wärme vom Kollektor in den Vorratstank. Bei kleiner Temperaturdifferenz hingegen strömt das Wasser im Kreislauf kaum. Der Wärmetransport wird also durch die freie Konvektion ganz ohne Pumpe erreicht und zudem kann auf eine Regelung verzichtet werden – eine kostengünstige und energiesparende Lösung. Solche Kreisläufe finden sich auch bei der Notkühlung nuklearer Reaktoren wieder, weil sie ohne elektrische Energie funktionsfähig bleiben.

Freie Konvektion erleben wir in großem Maßstab auch täglich in der Natur. Das komplette Wettergeschehen in der Troposphäre, der unteren Luftschicht bis etwa zehn km Höhe, wird neben den großräumigen Luftbewegungen auch durch die aufsteigende warme und die abfallende kalte Luft mitbestimmt. Jegliche Quell- oder Gewitterwolken etwa sind Anzeichen für aufsteigende warme Luftmassen, in denen die Feuchtigkeit durch die Abkühlung auskondensiert.

Selbst im Erdinnern spielt die freie Konvektion eine zentrale Rolle: Die Erde besitzt einen festen Kern von ca. 1200 km Durchmesser und außen eine Kruste von bis zu 50 km Dicke. Dazwischen befindet sich mehr oder weniger flüssiges Material, das am Kern heiß und an den Krusten kälter ist. Aus diesem Grund kommt es zu periodischen Auf- und Abwärtsströmungen, sogenannten Konvektionszellen, die auch tangential zur Kruste verlaufen und deshalb die Krusten verschieben können. Dies ist letztlich die Ursache für die Bewegung der Kontinente. Die Abbildung zeigt schematisch einen Schnitt durch die Erde am Äquator und die dort postulierten Konvektionszellen. Deutlich wird auch die Verknüpfung der Konvektionszellen mit den geologisch aktiven Zonen unserer Erde.

Aufsteigende Blasen

IKalenderblatt19_01n Flüssigkeiten aufsteigende Blasen hat jeder im täglichen Leben schon einmal beobachtet. Beispiele sind Getränke wie Mineralwasser, Bier oder Sekt, in denen sich nach dem Öffnen CO2-Blasen bilden und nach oben wandern. Hierbei wird das Kohlendioxid (CO2) durch die alkoholische Gärung oder durch Zugabe des Gemisches in den Getränken unter Druck gelöst und durch den sinkenden Druck beim Öffnen der Flasche freigesetzt. Auch in Aquarien werden häufig aufsteigende Luftblasen durch poröse Körper eingebracht, um das Wasser mit Sauerstoff anzureichern. Wie die beiden mehrfach belichteten Bilder zeigen, bleiben kleine Blasen nahezu kugelförmig und steigen fast geradlinig nach oben. Große Blasen hingegen verformen sich stark und schwanken - und das ganz ohne Alkohol.

Nun sind Ingenieure nur bedingt dazu da, sich an schönen Bildern aufsteigender Blasen zu erfreuen. Vielmehr ist es gerade im Bio- und Chemieingenieurwesen die Aufgabe, bestimmte Prozessschritte möglichst effizient in Industrie-Anlagen umzusetzen. Hierbei spielen auch Blasen eine wichtige Rolle: Will man etwa wie beim Aquarium Sauerstoff in Wasser einbringen, so bietet sich ein zweiphasiges System aus Luft- oder Sauerstoffblasen und Wasser an. Der Sauerstoff befindet sich zunächst nur in der Blase und geht dann über deren Oberfläche in das Wasser über. Die Blase stellt also ein Reservoir für den Sauerstoff und eine Übertragungsfläche bereit.Kalenderblatt19_02

In der Tat gibt es sogenannte Blasensäulen, in denen solche Prozesse technisch umgesetzt werden. In einen flüssigkeitsgefüllten zylindrischen Behälter werden von unten Blasen zugeführt. Damit kann man sowohl Stoffe aus den Gasblasen in die Flüssigkeit als auch Stoffe aus der Flüssigkeit in die Gasblasen extrahieren. Zudem „rühren“ die aufsteigenden Gasblasen die Flüssigkeit im Behälter durch. Sie sorgen also für gute Durchmischung. Schließlich kann man die Blasensäule auch als Reaktor einsetzen, wenn etwa ein gasförmiger und ein flüssiger Ausgangsstoff miteinander reagieren sollen. In einem solchen Blasensäulenreaktor findet die Reaktion also nahe der Oberfläche der Blasen statt. Das Reaktionsprodukt verbleibt meist in der Flüssigkeit.

Die Forschung zu aufsteigenden Blasen und zum Transport von Wärme und Stoffen ist ein wesentlicher Schwerpunkt in der AG Strömungsmechanik. Selbst das ungestörte Aufsteigen einzelner Blasen ist bis heute noch nicht vollständig erforscht. Und wenn in Blasenschwärmen, also bei vielen Blasen, noch eine Reihe von Wechselwirkungen hinzukommen, kann die Strömung beider Fluide kaum noch beschrieben werden und eine modellhafte Näherung wird notwendig. Solche komplexen Probleme sind Gegenstand aktueller Forschung in vielen Arbeitsgruppen weltweit.

 

Prof. Dr-Ing. habil. Peter Ehrhard ist Leiter der Arbeitsgruppe Strömungsmechanik. Er studierte Maschinenbau an der Universität Karlsruhe, promovierte und habilitierte dort auf dem Gebiet der Strömungsmechanik. Über viele Jahre war er am Forschungszentrum Karlsruhe in verschiedenen Positionen tätig und beschäftigte sich beispielsweise mit der nuklearen Sicherheit, den mehrphasigen und den Mikroströmungen. Nach seinem Wechsel an die TU Dortmund gilt sein Interesse weiterhin den letzten beiden Themen, allerdings verstärkt unter Berücksichtigung des Wärme- und Stofftransports und chemischer bzw. biologischer Prozesse.