Waarom stijgen grote gasbellen in visco-elastische vloeistoffen (zoals polymeer- en eiwitoplossingen) zoveel sneller dan verwacht? Een open vraag met grote relevantie voor industriële productieprocessen. Onderzoekers van TU Graz en TU Darmstadt hebben nu een verklaring gevonden.

Het is een puzzel die al lang bekend is onder experts en zeer relevant is in veel industriële productieprocessen:een sprongdiscontinuïteit in de stijgsnelheid van gasbellen in zogenaamde visco-elastische vloeistoffen. Visco-elastische vloeistoffen zijn stoffen die eigenschappen van vloeibare en elastische stoffen combineren. Veel haarshampoos zijn hier een voorbeeld van. Als je een doorzichtige, bijna volledig gevulde fles shampoo omdraait, zie je de ingesloten lucht als een bel in een ongewone vorm opstijgen. In veel industriële processen komen dergelijke vloeistoffen voor als oplossingen van polymeren en moeten ze vaak door vergassing met zuurstof worden verrijkt. "We weten al zo'n 60 jaar dat de stijgsnelheid van gasbellen in visco-elastische vloeistoffen een sprong ondergaat bij een kritische bellendiameter. De snelheid van de bellen kan dan ineens tot tien keer sneller worden. Dit speelt een fundamentele rol bij het gecontroleerd vergassing van deze vloeistoffen. Tegelijkertijd was het onduidelijk wat de oorzaak was van deze plotselinge toename van de snelheid", legt Günter Brenn van het Instituut voor Vloeistofmechanica en Warmteoverdracht aan de TU Graz uit.

Met een combinatie van simulatie, experiment en theoretische analyse hebben de teams van Günter Brenn van de TU Graz en Dieter Bothe van de TU Darmstadt de puzzel nu samen opgelost. Ze hebben ontdekt dat de interactie van de polymeermoleculen met de stroming rond de gasbellen leidt tot het vreemde snelheidsgedrag van de bellen. Met deze kennis kan de zuurstoftoevoer in deze oplossingen nu nauwkeuriger worden voorspeld, waardoor apparatuur in bijvoorbeeld de biotechnologie, procestechniek en de farmaceutische industrie beter kan worden ontworpen. De onderzoekers lichten hun bevindingen momenteel toe in de Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics.

Voorkeur voor 'Ontspannen'

Polymeren bestaan ​​vaak uit enorme moleculen die op complexe manieren een interactie aangaan met de vloeistof waarin ze zijn opgelost. Deze interactie maakt een vloeistof visco-elastisch. Wat veroorzaakt de snelheidssprong die gasbellen in deze vloeistoffen vertonen vanaf de kritische diameter? Günter Brenn legt de laatste bevindingen uit:"De stroming rond de bel zorgt ervoor dat de opgeloste polymeermoleculen uitrekken. De moleculen houden niet zo van deze toestand. Ze willen zo snel mogelijk terugkeren naar de ontspannen, niet-uitgerekte toestand." Als deze terugkeer naar de ontspannen toestand sneller is dan het transport van de moleculen naar de evenaar van de bel, dan blijft de bel traag. Als daarentegen de terugkeer naar de ontspannen toestand langer duurt dan de reis naar de evenaar van de bellen, dan komt er een spanning vrij in de vloeistof die de bel "duwt". Dit leidt tot zelfversterking, aangezien opeenvolgende polymeermoleculen zich onder de evenaar positioneren en ontspannen, hun elastische energie ontladen en een "voortstuwende kracht" vrijgeven.

Naast de hoge praktische relevantie van deze bevinding, met name voor de bovengenoemde toepassingsgebieden, zijn er ook consequenties in fundamenteel onderzoek. "Het bleek dat een andere verrassende eigenschap van het stromingsveld van deze oplossingen kan worden toegeschreven aan dit moleculaire mechanisme dat we hebben laten zien:namelijk het zogenaamde 'negatieve zog' van de gasbel", zegt Dieter Bothe van de werkgroep Analyse van de afdeling Wiskunde aan de TU Darmstadt. Dit is een gebied in het stromingsveld onder de bel waar de vloeistof de bel normaal gesproken met een lage snelheid "volgt". Bij polymere vloeistoffen is het echter andersom:daar is de beweging van de vloeistof tegengesteld aan de beweging van de bel. Deze vloeiende beweging wordt veroorzaakt door dezelfde spanning die de bel "duwt". Dit inzicht kan leiden tot mogelijkheden voor het beheersen van stroomprocessen.