Advektions-, Aggregations- und Fragmentationsdynamiken Inertialpartikel in Strömungen

Wir analysieren die Bewegungs- und Wechselwirkungsdynamiken von suspendierten Partikeln in Fluidströmungen, wobei die Fluide Luft oder Wasser sein können. Insbesonders sind wir an Systemen interessiert, in denen die Partikel Eigenschaften besitzen, welche sich von denen des führenden Fluids unterscheiden. Ein Beispiel hierfür ist die Masse (Dichte). Die Dynamik dieser, in solch einem Fall auch als träge bezeichneten, Partikel ist in vielen Disziplinien, von den Umwelt- bis zu den Ingenieurswissenschaften, bedeutender Forschungsgegenstand. Beispieler solcher Inertialpartikel sind Regentropfen in Wolken und sedimentierende marine Aggregate im Ozean. Aufgrund des Wirkens hydrodynamischer Kräfte folgen die InertialPartikel nicht exakt dem Strömungsfeld und weisen eine inhomogene Verteilung auf; sie trennen sich also in spezifische Flussregionen auf, woraus ein dynamische Entstehung von Attraktoren resultiert. Die Form dieser Attraktoren ist dabei abhängig von der Art des Strömungsfeldes (turbulente Strömung, Abb.1) und der Eigenschaften der suspendierten Partikel selbst (Abb. 1). Durch ihre Trägheit treten signifikante Geschwindigkeitsunterschiede zwischen nah beieinander liegenden Partikeln auf, welche die Anzahl der Kollisionen unter ihnen noch erhöht. Wir beschäftigen uns damit, inwiefern jene Effekte Aggretations- und Fragmentationsprozesse in Strömungen beeinflussen. Zu diesem Zweck verfolgen wir jeden Partikel einzeln, um mögliche Kollisionen zu detektieren, welche zu Aggregationsereignissen führen. Fragmentation hingegen tritt durch von der Strömung auf Aggregate ausgeübte Kräfte (Scherkräfte) oder durch das Auseinanderbrechen von Aggregaten, die eine gewisse Größe überschritten haben, auf. Die Dynamiken entwickeln sich solange, bis sich ein Gleichgewicht zwischen Aggregation und Fragmentation eingestellt hat. In diesem Zustand liegt eine charakteristische stationäre (steady state) Verteilung der Größenverteilung der Aggregate vor, welche durch Eigenschaften der Strömung und der Fragmentierungsmechanismen bestimmt wird.