💧 Die ersten Mikrosekunden der Koaleszenz eines Tropfens auf der Oberfläche einer Flüssigkeit

Dank eines neuen numerischen Simulationsmodells, das durch innovative experimentelle Techniken validiert wurde, konnte ein Wissenschaftlerteam die Anfangsphase der Koaleszenz, also der Verschmelzung, eines Tropfens auf der Oberfläche einer Flüssigkeit mit einer beispiellosen räumlichen und zeitlichen Auflösung untersuchen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Physics of Fluids veröffentlicht.

Die Koaleszenz von Flüssigkeitstropfen spielt eine Schlüsselrolle in vielen industriellen Prozessen und Anwendungen, bei denen Emulsionen oder Schäume, chemische Reaktionen zwischen zwei Flüssigkeiten oder der Aufprall von Tropfen auf die Oberfläche eines Reservoirs eine Rolle spielen. Die experimentelle Untersuchung ist jedoch aufgrund der sehr kurzen Zeit- und Raumskalen des Phänomens in seiner Anfangsphase schwierig. Die numerische Simulation hingegen ermöglicht es, Informationen zu gewinnen, die mit experimentellen Techniken nicht zugänglich sind.


Ein Team des Laboratoire réactions et génie des procédés (LRGP, CNRS/Université de Lorraine) hat ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das durch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen validiert wurde und die Phänomene, die auftreten, wenn ein Tropfen mit der Oberfläche eines Reservoirs derselben Flüssigkeit in Kontakt kommt, mit beispielloser Präzision beschreibt.

Die Studie wurde mit einem newtonschen Fluid (konstante Viskosität) – destilliertem Wasser – und zwei viskoelastischen Flüssigkeiten (variable Viskosität) – Polymerlösungen in Wasser – durchgeführt. Die Simulationen der Koaleszenz eines Tropfens auf der Flüssigkeitsoberfläche wurden durch Kopplung eines statistischen Physikmodells (Gitter-Boltzmann-Methode) mit einem rheologischen Modell für viskoelastische Fluide (Oldroyd-B-Modell) durchgeführt.

Um die Koaleszenz experimentell zu untersuchen und das Simulationsmodell zu validieren, wurden drei Techniken eingesetzt. Eine im Labor entwickelte elektrische Leitfähigkeitsmessung liefert die Entwicklung der Koaleszenzzone zwischen Tropfen und Oberfläche ab den ersten Mikrosekunden. Eine Hochgeschwindigkeitskamera (100.000 Bilder/s) ermöglicht die Visualisierung des Phänomens. Schließlich wurden mit einer im Labor entwickelten Mikro-Partikelbildvelocimetrie-Technik (μ-PIV), gekoppelt mit der Hochgeschwindigkeitskamera, die Geschwindigkeitsfelder der Fluide während der Koaleszenz analysiert.

Die Ergebnisse der Simulationen und der experimentellen Messungen, die mit einer räumlichen Auflösung von 5,2 μm und einer zeitlichen Auflösung von 0,8 μs erhalten wurden, stimmen gut überein. Sowohl für das newtonsche Fluid als auch für die viskoelastischen Fluide zeigte die Studie, dass die Koaleszenzbreite in den ersten Mikrosekunden des Phänomens linear mit der Zeit t variiert und dann einem Gesetz proportional zu t^1/2 folgt.

Diese Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt auf fundamentaler Ebene dar. Langfristig sollten sie auch die Verbesserung industrieller Prozesse ermöglichen, sei es durch Erhöhung der Stabilität einer Emulsion durch Vermeidung der Koaleszenz, beispielsweise in der Kosmetikindustrie, oder durch Intensivierung der Öl-Wasser-Trennung durch Förderung der Koaleszenz in der Erdölindustrie. Zwei Bereiche, in denen das LRGP bereits Forschungskooperationen unterhält. Eine neue Studie ist im Gange, um die Koaleszenz zu untersuchen, die diesmal eine ölige Flüssigphase betrifft.

Der Artikel ist in der Open-Access-Archivdatenbank HAL verfügbar.