Untersuchung des Flusses von Flüssigkeiten mit nicht-monotoner, „S-förmiger“ Rheologie

Wasser und Öl sowie einige andere einfache Flüssigkeiten reagieren auf alle Ebenen der Scherbeanspruchung gleich. Diese werden Newtonsche Flüssigkeiten genannt und ihre Viskosität ist bei allen Belastungen konstant, obwohl sie mit der Temperatur schwankt. Unter unterschiedlichen Belastungen und Druckgradienten zeigen andere nicht-Newtonsche Flüssigkeiten wesentlich komplexere Verhaltensmuster.

Die Forscher Laurent Talon und Dominique Salin von der Université Paris-Sacly, Paris, Frankreich, haben nun gezeigt, dass Maisstärkesuspensionen unter bestimmten Umständen ein Streifenmuster mit abwechselnden Bereichen hoher und niedriger Viskosität aufweisen können. Diese Arbeit war veröffentlicht In Das European Physical Journal E.

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten können eine Scherverdünnung aufweisen, bei der die Viskosität mit der Belastung abnimmt. Zu den häufigsten Beispielen gehören Ketchups und Soßen, die im Ruhezustand fast fest aussehen können. Das Gegenteil ist die Scherverdickung, bei der die Viskosität mit der Belastung zunimmt. Einige Suspensionen weisen eine Eigenschaft auf, die als diskontinuierliche Scherverdickung (DST) bezeichnet wird.

„Bei geringer Scherbeanspruchung [these fluids] verhalten sich wie Newtonsche Flüssigkeiten, allerdings steigt die Viskosität ab einem bestimmten Spannungswert sehr steil an“, erklärt Talon.

Im Jahr 2014 schlugen Matthew Wyart von der New York University, NY, USA, und Michael Cates von der University of Edinburgh, Schottland, ein ähnliches, aber noch kontraintuitiveres und interessanteres Modell vor: eine sogenannte „S-förmige“ Rheologie, bei der die Die Viskosität einer Flüssigkeit steigt mit zunehmender Belastung zunächst an und nimmt dann ab.

Talon und Salin wollten die Plausibilität dieser simulierten Rheologie anhand einer Maisstärkesuspension in einem geraden, zylindrischen Kapillarröhrchen untersuchen. Sie beobachteten den erwarteten nicht-monotonen Zusammenhang zwischen Druck und Durchflussrate, jedoch nicht genau wie vorhergesagt: Die Durchflussrate stieg zunächst mit dem Druck an, nahm dann aber plötzlich ab.

„Unter der Annahme, dass das Wyart-Cates-Modell im Wesentlichen korrekt ist, könnte eine Lösung, die mit dem übereinstimmt, was wir beobachtet haben, eine ‚rheologische Segregation‘ oder ‚stromweise Streifenbildung‘ im Rohr sein, bei der einige Bereiche eine hohe und andere eine niedrigere Viskosität aufweisen. “ erklärt Talon. „Wir untersuchen weiterhin die Gültigkeit dieses Vorschlags, sowohl experimentell als auch mithilfe numerischer Simulationen.“