Die Ph?nomene verdünnter Gasstr?mungen in makroskopischen und mikroskopischen Kan?len – Modelentwicklung und experimentelle Validierung (DFG Projekt)

Für viele technische Anwendungen ist es wünschenswert das genaue Verhalten von Gasen zu beschreiben. Doch gibt es Situationen, in denen Gase nicht 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育 als Kontinuum betrachtet werden k?nnen und eine andere Betrachtungsweise herangezogen werden muss.

Die Kontinuumstheorie versagt für die mathematische Beschreibung von verdünnten Gasstr?mungen, da statistisch weniger Gasmoleküle untereinander kollidieren als mit der Wand. Der gemessene Massenfluss verdünnter Gase ist deutlich gr??er als durch die klassische Poiseuille-Gleichung vorhergesagt wird – ein Effekt, der als slip-Str?mung bezeichnet wird. In zahlreichen Ans?tzen und ph?nomenologischen Erkl?rung wird dieser Effekt lediglich auf Basis des Impulsverlusts diskutiert (Randbedingungen zu Modellen aus der Kinetischen Theorie). Dieser Ansatz greift jedoch zu kurz, da die vielf?ltigen physiko-chemischen Wechselwirkungen zwischen Gasmolekülen und der Festk?rperoberfl?che unberücksichtigt bleiben. Die grunds?tzliche Frage, was slip eigentlich ist und wie der Einfluss des Verdünnungsgrads des Gases und der charakteristischen Festk?rperl?nge ist, bleibt bislang ungekl?rt. Sicher ist, dass mit abnehmendem Abstand der Kanalw?nde die Gas-Wand-Wechselwirkungen die Str?mungscharakteristik dominieren.

Verwunderlich hingegen ist, dass bei gleich hohen Knudsenzahlen verschiedene wissenschaftliche Communities v?llig andere Ans?tze verfolgen, um integrale Gr??en zu beschreiben: Die "Rarefied Gas Community" (Vakuumtechnik) verwendet die Kinetische Theorie und die "Porous Media Community" (heterogene Katalyse, Membranverfahren) beschreibt Gasstr?mungen als ?berlagerung verschiedener Stofftransportmechanismen (Konvektion, Diffusion). Ph?nomene verdünnter Gasstr?mungen in makroskopischen Systemen (z.B. Vakuumsystem) lassen sich nicht beliebig auf die Nanoebene (z.B. Porenmembran) übertragen. Daher stehen verl?ssliche Vorhersagen über die Str?mung im ganzen Bereich der Verdünnung in den mittleren Gr??enskalen (Mikroebene) bislang jenseits des Stands der Technik.

In diesem Projekt sollen Ph?nomene skalenübergreifend experimentell nachgewiesen und theoretisch beschrieben werden, die in Situationen auftreten, wo sich beide Verdünnungsparameter, der inverse Druck und die inverse charakteristische L?nge, in moderaten Gr??enordnungen bewegen. Verdünnungseffekte in diesem Bereich k?nnen von keinem der beiden erw?hnten Ans?tze verl?sslich beschrieben werden. Das theoretische Vorhaben umfasst die Weiterentwicklung des bereits entwickelten und in diesem Antrag vorgestellten Oberfl?chendiffusionansatzes mit dem Ziel, ein vorhersagendes Model zur Beschreibung verdünnter Gasstr?mungen über s?mtliche Gr??enskalen zu erhalten. Die zweite S?ule des Projekts besteht in den entsprechenden experimentellen Aktivit?ten zur Modelvalidierung. Es sollen Mikro- und Makro-Kan?le verwendet werden, die geometrisch vergleichbar sind. Die dimensionslose Massenflussrate wird gemessen und als Funktion der Knudsenzahl für Messreihen verschiedener Temperaturen und unterschiedlicher Oberfl?chenfunktionalisierungen verglichen. Diese umfassende Parameterstudie w?re neu in der Fachliteratur und eine wertvolle Datenbank für die zukünftige Forschung im Bereich der verdünnten Gase.

Weitere Infos

DFG Projekt in Kooperation mit Christian Day (ITeP, KIT)