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Fluidrheologie als Teilgebiet der Strömungsmechanik

Die Rheologie ist ein Teilgebiet der Strömungsmechanik, welches sich mit dem stoffdatenabhängigen Fließverhalten von unterschiedlichen Medien in unterschiedlichsten Situationen beschäftigt. Der Begriff stammt aus dem Griechischen (rheos: der Fluss) und wurde von Eugene Bingham ca. 1920 im Zusammenhang mit dem merkwürdigen Verhalten von Polymerprodukten eingeführt. Im Mittelpunkt dieses Gebietes stehen so genannte nicht-newtonsche Fluide, welche sich dadurch auszeichnen, dass ihre Viskosität sich mit der Scherrate in der Strömung ändert. Ist die Viskosität unabhängig von der Scherrate, so spricht man von newtonischen Fluiden, zu denen übrigens auch alle Gase zählen. Newtonsche Fluide - bekannte Vertreter sind Wasser oder Luft - sind nicht Gegenstand der Rheologie. Beispiele rheologischer Flüssigkeiten sind Polymerschmelzen und –lösungen, Farben, Suspensionen, Kleber, Blut, flüssige Lebensmittel usw.

Das Verhalten nicht-newtonscher Flüssigkeiten kann ungewöhnliche Effekte zeigen. Am bekanntesten ist wohl der Weissenberg-Effekt, wonach eine makromolekulare Flüssigkeit mit freier Oberfläche unter gewissen Voraussetzungen an einem eingetauchten, rotierenden Stab emporsteigt, wie die Abbildung zeigt. Im newtonschen Fall wird sich ein parabelförmiges Oberflächenprofil bei Rotation der Flüssigkeit einstellen.

Presst man eine viskoelastische Flüssigkeit durch eine Düse, so kommt es hinter der Mündung zu einer Strangaufweitung, siehe Abbildung. Der aus dem vertikalen Rohr nach unten austretende Freistrahl verbereitert sich zunächst deutlich, bevor er sich unter Wirkung der Schwerkraft wieder zusammenschnürt. Die Position der Strangaufweitung („Zwiebel“) ist abhängig vom Volumenstrom durch die Düse.

Besonders bei Verwendung nicht-newtonscher Flüssigkeiten in Prozessen der Verfahrenstechnik ist den besonderen Effekten bei der Strömung derartiger Fluide Rechnung zu tragen. Fehleinschätzungen des realen Strömungsverhaltens, -und somit auch die Einflüsse auf den Stoff- und Wärmeübergang-, führen erfahrungsgemäß zu erheblichen Problemen beim industriellen Betrieb. Besonders achtsam sollte man hier zudem sein, wenn ähnlichkeitstheoretische Betrachtungen einem Scale-up oder Scale-down zugrunde liegen!

Unser Expertenteam berät Sie selbstverständlich bereits im Vorfeld zu einer Entwicklung oder Optimierung über die Besonderheiten beim Einsatz nicht-newtonscher Flüssigkeiten.