Forschungsgebiete

Im Profilthema Thermo-Fluids and Interfacial Phenomena (TFI) arbeiten Wissenschaftler*innen aus den Disziplinen der Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie der Mathematik intensiv zusammen, um Strömungsphänomene grundlegend zu verstehen, zu charakterisieren, prädiktiv und quantitativ zu beschreiben sowie auf dieser Grundlage die Entwicklung neuartiger Anwendungen voranzutreiben. Dazu werden in TFI komplementäre Methoden aus Experiment, Theorie, Modellbildung und numerischer Simulation in interdisziplinären Kooperationen kombiniert, weiterentwickelt und deren Nutzen an Leitbeispielen demonstriert. Dabei liegen die Forschungsschwerpunkte auf den nachfolgend beschriebenen Forschungsgebieten.

Statische und dynamische Benetzbarkeit

Die Benetzung von festen Oberflächen durch Flüssigkeiten spielt in der Natur und bei vielen technischen Anwendungen eine entscheidende Rolle. Beispiele sind die Beschichtung von Metallen, das Bedrucken von Oberflächen oder die Benetzung warmer Oberflächen durch Kühlmittel.

Effiziente und zuverlässige Verfahren zur Charakterisierung von Benetzungsphänomenen sowie ein gutes Verständnis der zugrundeliegenden Ursachen und Mechanismen sind unerlässlich. Ein spezieller Schwerpunkt liegt auf dynamischen Benetzungsvorgängen im Wechselspiel mit Transportvorgängen.

Von großer Bedeutung ist weiterhin die Untersuchung der Benetzungsdynamik komplexer Flüssigkeiten. Unter komplexen Flüssigkeiten verstehen wir z.B. Flüssigkeiten, die durch ein nicht-newtonisches Fließverhalten charakterisiert sind. Beispiele sind Polymerlösungen, Polymerschmelzen, Dispersionen oder Emulsionen.

Unser gemeinsames Ziel im Profilthema TFI ist es, durch geeignete Experimente das Benetzungsverhalten besser zu verstehen, die Grundlage für eine theoretische und prädiktive numerische Beschreibung zu liefern, um damit Oberflächen gezielt im Hinblick auf gewünschte Benetzungseigenschaften optimieren zu können.

Wir entwickeln Verfahren zur Charakterisierung und detaillierten Beschreibung von Benetzungsvorgängen und erforschen die zugrundeliegenden Ursachen. Ein spezieller Schwerpunkt liegt auf dynamischen Benetzungsvorgängen mit komplexen Fluiden und Oberflächen sowie auf der Wechselwirkung mit Transportprozessen.

Wärme- und Stofftransport

Der Verbesserung des Wärmetransports und des Wärmeübergangs kommt bei der Entwicklung zahlreicher Produkte und Prozesse eine Schlüsselrolle zu, beispielsweise in den Bereichen Materialbearbeitung, Mikroreaktionstechnik, Kühlung von Hochleistungselektronik usw. Die Entwicklungen werden getrieben von anhaltenden Trends zur Miniaturisierung, zur Steigerung der Leistungsdichte und von der Erweiterung zu extremeren Betriebsumgebungen.

Um den steigenden Anforderungen gerecht zu werden, gehen die Forschungsansätze im Profilthema TFI über konventionelle Methoden und Technologien zur Verbesserung des Wärmetransports hinaus. Gemeinsames Ziel ist es, durch geschickte und zielgerichtete Kombinationen von Oberflächenstrukturen und Benetzungseigenschaften signifikante Verbesserungen zu erreichen.

Die Wissenschaftler*innen des Profilthemas TFI arbeiten zum Beispiel gemeinsam an der molekulardynamischen Modellierung von Transportprozessen an Grenzflächen, an mathematischen und numerischen Methoden für den mehrphasigen Wärmetransport, an innovativen Ansätzen zur Temperaturmessung an Grenzflächen sowie zur Vorhersage und Erhöhung der kritischen Wärmestromdichte.

Wir erforschen die Wärmeübertragungseigenschaften von Oberflächen experimentell sowie theoretisch und numerisch, mit dem Ziel, durch eine geschickte Kombination von Oberflächenstrukturen und Benetzungseigenschaften den Wärme- und Stofftransport signifikant zu erhöhen.

Mehrphasenströmungen

Dieses Forschungsgebiet konzentriert sich auf die grundlegende Untersuchung von Mehrphasenströmungen. Im Fokus stehen dabei grenzflächenspannungsgetriebene Strömungen, partikelbeladene Strömungen, Strömungen mit Phasenwechsel (Erstarrung, Kondensation, Verdampfung), Strömungen mit rheologisch komplexen Fluiden und Prozesse, in denen Flüssigkeiten zerstäubt werden.

Neben dem Ziel, neue Methoden zur experimentellen Charakterisierung, Beschreibung und Simulation solcher Strömungen zu entwickeln und zu erforschen, besteht ein Ziel auch darin, aus den Erkenntnissen Strategien zur gezielten Strömungsbeeinflussung abzuleiten. Diese Untersuchungen und Erkenntnisse sind neben dem großen Erkenntnisgewinn über die in Mehrphasenströmungen lokal ablaufenden Elementarprozesse von hoher Relevanz etwa beim Verständnis der Vereisung von Flugzeugtragflächen, bei der Verbesserung der Sprühkühlung von Schmiedegesenken oder zur effizienteren Segregation in verfahrenstechnischen Prozessen.

Wir entwickeln Methoden zur detaillierten Beschreibung und Charakterisierung von Mehrphasenströmungen mit experimentellen, theoretischen und numerischen Methoden, um verfahrenstechnisch relevante Prozesse grundlegend zu analysieren und zu optimieren.

Reaktive Strömungen

Unter reaktiven Strömungen versteht man solche, in denen gleichzeitig chemische Reaktion erfolgen. Im Profilthema TFI werden insbesondere reaktive Strömungen in Wandnähe untersucht. Diese sind für eine Vielzahl von Prozessen in Umwelt und Technik von fundamentaler Bedeutung. In energietechnischen Anwendungen führt die Anwesenheit von Wänden z.B. zu ungewollten Wandwärmeverlusten, unvollständigen Oxidationsreaktionen sowie zur Bildung von Luftschadstoffen. Diese Strömungen sind unvollständig verstanden und können mit verfügbaren mathematischen Modellen noch nicht vollständig vorhergesagt werden.

Um komplexe reaktive Strömungen in Wandnähe besser zu verstehen, werden im Profilthema TFI effiziente mathematische Modelle und numerische Methoden zur möglichst akkuraten Berechnung erstellt und validierte Werkzeuge zur numerischen Simulation für eine Prozessvorhersage entwickelt.

Mit den Erkenntnissen aus diesen Arbeiten können Prozesse und Anwendungen aus der Energie- und Verfahrenstechnik mit hoher technischer und ökologischer Relevanz systematisch verbessert werden.

Wir erforschen die Zusammenhänge reaktiver Strömungen in einem gemeinsamen Ansatz aus experimentellen, theoretischen und numerischen Methoden. Auf dieser Basis wollen wir Anwendungen aus der Energie- und Verfahrenstechnik systematisch verbessern.