Strömungscharakteristika von hochverdünnten kationischen Tensidlösungen in Strömungsgeometrien mit gekrümmten Stromlinien

Abstract

Die Entwicklung der in hochverdünnten kationischen Tensidlösungen zu findenden Scherinduzierten Struktur und ihr Einfluss auf unterschiedliche Strömungsformen werden für die beiden Tenside TTASal (Tetradecyltrimethylammoniumsalicylat) und HTASal (Hexadecyltrimethylammoniumsalicylat) bei Konzentrationen von 1,8 mM bzw. 0,8 mM untersucht und die Ergebnisse denen einer reinen Wasserströmung gegenübergestellt. Als Geometrien werden zwei Anordnungen mit gekrümmten Stromlinien, ein Searle-System und ein gekrümmter Kanal mit großem Höhe zu Breite Verhältnis, betrachtet. Bei der Untersuchung werden die jeweiligen Strömungsmuster durch eine Umgebungslichtvisualisierung ermittelt und die die Strömungsformen charakterisierenden Geschwindigkeitsfelder mit Particle Image Velocimetry (PIV) vermessen. Ferner wird die Gestalt und Entwicklung der Scherinduzierten Struktur mit einer Lichtschnittvisualisierung untersucht. Bei der Gegenüberstellung der Ergebnisse zeigen sich bereits in der Umgebungslichtvisualisierung deutliche Unterschiede, die mittels PIV quantifiziert werden können. So ergeben sich für die TTASal- Lösung, neben einem bei geringen Geschwindigkeiten zu findenden newtonschen Bereich, auch bei einer darauf zu beobachtenden Scherinduzierten Strömungsform im Vergleich zu Wasser noch entfernt ähnliche Geschwindigkeitsprofile, die jedoch zeitabhängig sind und verringerte Bewegungen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung aufweisen. Für das HTASal ist diese Tendenz weiter verstärkt, doch auch das Geschwindigkeitsprofil in Hauptströmungsrichtung ist hier verändert. Im Searle-System werden Geschwindigkeitsbänder, d.h. zusammenhängende Regionen mit jeweils konstanter Geschwindigkeit, gemessen, die sich im Spalt vergleichsweise unabhängig voneinander bewegen. Im gekrümmten Kanal ähnelt das Profil dem einer Kolbenströmung. Ähnliche Unterschiede zeigen sich auch bei der Lichtschnittvisualisierung. Im Searle-System werden für das TTASal fadenartige Strukturen beobachtet. Beim HTASal tritt zunächst eine kammartige Strukturierung auf, die über blasenartige Formen mit der Zeit einer optischen Vergleichmäßigung weicht. Im Kanal sind die mit dieser Methode zu beobachtenden Unterschiede zwischen den Lösungen nicht so groß, allerdings wird für das HTASal eine etwas stärker ausgeprägte Struktur gefunden. Diese Ähnlichkeit ist hier hauptsächlich darin begründet, dass der Kanal ein offenes Strömungssystem ist, während die Couette-Anordnung ein geschlossenes darstellt.