X-ray Partikel Tracking

Röntgen-basierte bildgebende Messungen von Schaumströmungen

Ansprechpartner:                    Dr.-Ing. Tobias Lappan

Projektleiter:                            Dr.-Ing. Sascha Heitkam

Laufzeit:                                     05/2020 – 04/2026

Förderung:                                DFG / Emmy-Noether

Projektbeschreibung

Schaumströmungen werden üblicherweise optisch gemessen. Weil Schäume – insbesondere nasse Schäume mit relativ hohem Wasseranteil – undurchsichtig für sichtbares Licht sind, beschränken sich optische Messtechniken auf die freie Oberfläche des Schaums oder die Schaumblasen nahe einer transparenten Wand. Durch die Verwendung von Röntgenlicht anstelle von sichtbarem Licht gelingt es, einen Einblick in Strömungsphänomene des Schaums zu gewinnen, die normalerweise unter den oberflächennahen Schaumblasen verborgen sind.

Zu diesem Zweck verwendeten wir maßgeschneiderte, mittels 3D-Druck hergestellte Partikel als Tracer in der Schaumströmung (Abb. 1). Diese Tracer-Partikel zeichneten sich durch eine dreidimensionale Form und ein geringes Eigengewicht aus, sodass sie von der Schaumströmung sehr zuverlässig mitgetragen wurden. In zeitaufgelösten Röntgenbildsequenzen waren die Tracer detailliert erkennbar und hoben sich mit hohem Kontrast vom umgebenden Schaum ab. Die translatorischen und rotatorischen Bewegungen der Tracer wurden ausgewertet, um das Geschwindigkeitsfeld der Schaumströmung zu messen sowie lokale Änderungen innerhalb der Schaumstruktur zu detektieren.

Im Gegensatz zu quasi-zweidimensionalen optischen Messungen ist dieser Ansatz, genannt X-ray particle tracking velocimtry (X-PTV), für Schaumströmungen in dreidimensionalen Strömungskonfigurationen anwendbar. Um die Anwendbarkeit zu demonstrieren und verschieden Arten von Tracer-Partikeln zu testen, untersuchten wir Schaumströmungen mit unterschiedlichen Blasengrößen und Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb eines gekrümmten Strömungskanals, die das erwartete starrkörperähnliche Strömungsmuster in dieser Konfiguration zeigten.

Abb. 1: Metallische Tracer-Partikel dienen als Werkzeug für bildgebende Messungen von Schaumströmungen. Während der Schaum transparent für Röntgenstrahlen ist, werden die Partikel detailgenau in den Röntgenaufnahmen abgebildet. Mittels Verfolgung einzelner Partikel werden deren Bewegungen gemessen, um so auf die Strömungslinien der Schaumströmung rückzuschließen.

Um Messunsicherheiten bei X-PTV-Messungen in Schaumströmungen weiter zu verringern, entwickelten wir Tracer-Partikel mit standardisierter Form, Größe und Masse (Abb. 2). Diese Partikel wurden in einem Labor-Experiment, das einer Schaumflotationszelle nachempfunden war, dem überfließenden Schaum zugesetzt. Im Bereich des Wehrs, das hier den einseitigen horizontalen Überlauf beschreibt, maßen wir das Geschwindigkeitsprofil in vertikaler Richtung über der Wehrkrone und stellten fest, dass die maximale Geschwindigkeit unterhalb der freien Oberfläche des überströmenden Schaums erreicht wird.

Abb. 2: Tracer-Partikel, die aus kleinen 3D-gedruckten Polymertetraedern mit winzigen Metallkügelchen an den Tetraeder-Spitzen bestehen, wurden für die X-PTV-Messungen in einem flotationsähnlichen Experiment im Labormaßstab verwendet.

Publikationen

• T. Lappan, D. Herting, M. Ziauddin, J. Stenzel, N. Shevchenko, S. Eckert, K. Eckert, and S. Heitkam: X-ray Particle Tracking Velocimetry in an Overflowing Foam. Applied Sciences, 13(3), 1765, DOI: https://doi.org/10.3390/app13031765.

• T. Lappan, A. Franz, H. Schwab, U. Kühn, S. Eckert, K. Eckert, and S. Heitkam: X-ray particle tracking velocimetry in liquid foam flow. Soft Matter, 16(8):2093-2103, 2020, DOI: 10.1039/C9SM02140J.

• T. Lappan, D. Herting, E. Zamaraeva, J. Stenzel, M. Ziauddin, A. Skrypnik, N. Shevchenko, S. Eckert, K. Eckert, and S. Heitkam: Kombinierte optische und Röntgen-Messungen einer überlaufenden Schaumströmung. Proceedings of the 29. Fachtagung "Experimentelle Strömungsmechanik”, Ilmenau, Germany, September 2022.

• T. Lappan: X-ray and neutron radiography of optically opaque fluid flows: experiments with particle-laden liquid metals and liquid foams. Dissertation, Technische Universität Dresden, 2021.