Wenn Flüssigkeiten einen Kanal mit welligen Seitenwänden durchströmen, entstehen mit steigender Geschwindigkeit zunächst zwei- dann dreidimensionale, zum Teil pulsierende Wirbelmuster, bevor die Strömung in eine völlig chaotische, turbulente Bewegung übergeht. StrömungsmechanikerInnen der Technischen Universität (TU) Wien untersuchen die komplexen Strömungsphänomene mit Hilfe von Computersimulationen. Die Ergebnisse dieser Grundlagenforschung dienen unter anderem der Weiterentwicklung der Membranlunge, einem Gerät, das Blut außerhalb des Körpers mit Sauerstoff versetzt.

Komplexe Strömungsmuster kann man zu Hause in der Küche beobachten. Erhitzt man Öl in einer Pfanne und gibt eine Handvoll Aluminiumpulver dazu, können Strömungen in der transparenten Flüssigkeit sichtbar gemacht werden. Mit etwas Glück entsteht ein regelmäßiges Muster aus lauter Sechsecken. Jedes Sechseck ist eine Zelle, in der die Flüssigkeit, wie bei einem Springbrunnen in der Mitte emporsteigt und sich am Rand senkrecht nach unten bewegt. So entsteht in jeder dieser Zellen ein kleiner Kreislauf, der wiederum zur Selbstorganisation der Flüssigkeit insgesamt beiträgt. Projektassistent und Famelab-Sieger 2008 Bernhard Weingartner vom Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung der TU Wien erklärt: “Im Rahmen eines FWF-Projektes untersuchen wir unter der Leitung von Prof. Kuhlmann, wie in scheinbar regellosen Strömungen plötzlich Strukturen entstehen. In Computersimulationen lassen wir auf die Strömung in einem welligen Kanal kleine zufällige Störungen wirken, wie sie in realen Experimenten unvermeidbar auftreten. Bei kleinen Durchflussgeschwindigkeiten haben diese Störungen keinen Einfluss. Ab einer kritischen Geschwindigkeit erzeugen sie aber eine ganze Reihe von Wirbelmustern. Diese können eine komplexe räumliche Struktur aufweisen und zusätzlich mit einer bestimmten Frequenz pulsieren, sind aber dennoch genau vorhersagbar. Erst bei noch grösseren Geschwindigkeiten erfolgt der Übergang zu einer völlig chaotischen, turbulenten Bewegung. Für bestimmte Anwendungen, wie die künstliche Membranlunge, sind diese Simulationen von entscheidender Bedeutung”, sagt Weingartner.

Bei einer Membranlunge wird das Blut außerhalb des Körpers in einem welligen Kanal mit Sauerstoff versetzt. Weingartner: “Das Blut soll möglichst gut durchmischt werden. Dafür kann man die dreidimensionalen pulsierenden Wirbelmuster gezielt einsetzen. Gleichzeitig sollen aber die einzelnen biologischen Zellen im Blut nicht durch die auftretenden Kräfte zerstört werden. Man muss also über die Strömung in diesem Kanal sehr genau Bescheid wissen, um die optimalen Betriebsbedingungen zu finden.” Dieselben Mechanismen der Musterbildung treten in vielen Phänomenen auf, von der Wolkenbildung in der Natur bis zu technischen Anwendungen.

Eine wichtige Rolle spielen die komplexen Bewegungen von Flüssigkeiten etwa bei der Herstellung von Siliziumeinkristallen, dem Ausgangsmaterial für die Chipherstellung. Effekte, bei denen es zu bestimmten Konzentrationen in der Kristallschmelze kommt und damit zur Beeinträchtigung der Qualität der Endprodukte, sollen vermieden werden. “Man möchte genau vorhersagen, welche Strömungsmuster unter welchen Bedingungen auftreten. Diese können dann benutzt werden, um die Schmelze homogen zu durchmischen. Viele Parameter, unter anderem die Temperatur, die Materialzusammensetzung sowie Schwankungen in der Oberflächenspannung, spielen hier zusammen”, resümiert Bernhard Weingartner. Die Untersuchungen der Strömungsphänomene erfolgen in Zusammenarbeit mit der Universität Udine.