Modellierung des Verhaltens von Blasen bei der Wasseraufbereitung mit Ultraschall

Mit einem neu entwickelten mathematischen Modell lässt sich das kollektive Verhalten von Kavitationsblasen in Flüssigkeiten unter Einwirkung starker akustischer Felder simulieren. Es könnte in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen, deren Spektrum von der Arzneimittelverabreichung mit Ultraschall bis zur Ultraschallchemie reicht. Besonders gut eignet es sich allerdings für die Wasseraufbereitung.

Viele der üblichen Verfahren zur Wasserreinigung, beispielsweise das Abstreifen in Kühltürmen oder die Anwendung von elektrischem Strom, können ausgesprochen energieintensiv sein. Andere herkömmliche Techniken, bei denen eine verstärkte Ausflockung der dispergierten Schadstoffe stattfindet, erfordern den Einsatz chemischer Additive und folglich eine Nachverarbeitung. Im Gegensatz zu diesen Techniken ist Ultraschall ein kostengünstigeres und saubereres Hilfsmittel zur Trinkwasserherstellung oder Abwasseraufbereitung, weshalb dieses Verfahren weite Verbreitung gefunden hat.

Die Erzeugung von akustischen Feldern hoher Intensität in Flüssigkeiten führt zu Kavitationseffekten. Darunter versteht man das Entstehen, Wachsen und Oszillieren von Blasen, von denen die Schadstoffe mitgenommen werden. Diese Art der Schadstoffentfernung kann durch mechanische Wirkungen wie z.B. das Aufbrechen der Zellwände von Bakterien erreicht werden, aber auch auf chemischem Wege wie etwa durch Erzeugung freier Radikale zur Aromatenoxidation. Bislang wurden die meisten Ultraschall-Reinigungsgeräte aufgrund von Erfahrungswerten dimensioniert, also ohne Berücksichtigung der Effekte wichtiger Parameter wie etwa der Verteilung und des dynamischen Verhaltens der Kavitationsblasen.

Mit Hilfe eines von der EU finanzierten Projekts konnten jetzt erstmals grundlegende Einblicke in das kollektive Verhalten solcher Kavitationsblasen gewonnen werden. Dabei wurden geeignete mathematische Modelle entwickelt, die die Musterbildung in großen Blasenclustern exakt beschreiben. Diese Modelle eignen sich auch zur Simulation, Steuerung und Optimierung von Blasenclustern, die sich in einer mit Schall beaufschlagten Flüssigkeit bilden.

Die neuartigen mathematischen Modelle und die schnellen numerischen Algorithmen basieren auf den Bewegungen einzelner Blasen unter großen Druckschwankungen und eignen sich ausgezeichnet zur Prädiktion des dynamischen Verhaltens ganzer Blasensysteme. Die neuen numerischen Codes liefern Berechnungen sowohl zu monodispersen als auch polydispersen Blasenclustern, bei denen es sich um Wolken handelt, in denen die Blasen identische bzw. unterschiedliche Anfangsradien aufweisen.

Im Zuge der weiteren Forschungsarbeit werden Aspekte im Hinblick auf nichtsphärische Blasenbewegungen und auf eine exakte Modellierung der Wechselwirkungen zwischen einigen Blasen in Bezug auf ihre Koaleszenz und ihren Zerfall untersucht.

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Prof. Iskander Akhatov
Institute of Mechanics
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