Fluidtransport an Grenzflächen durch pneumatisch angesteuerte strukturierte Oberflächen mit zilienähnlichen Strukturen

• Fluid transport on interfaces by pneumatically actuated structured surfaces with cilia like structures

Rockenbach, Alexander Benjamin; Schnakenberg, Uwe (Thesis advisor); Brücker, Christoph (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Vorrichtung simuliert, entwickelt und charakterisiert, die den Transport von Flüssigkeiten an Grenzflächen ermöglicht. Der biomimetische Transportmechanismus wurde dem Schlag der Zilien von Rippenquallen (Ctenophoren) nachempfunden. Es wurde ein Herstellungsverfahren auf der Basis der Softlithographie entwickelt. Die Vorrichtung, die aus Poly(dimethylsiloxan) (PDMS) besteht, hat eine dreidimensionale Form, die durch ein neu entwickeltes Verfahren hergestellt wird, basierend auf der Abformung von zwei zueinander justierten Teilformen und einem neu entwickelten Silikon-Umformverfahren für PDMS. Die neuartige Vorrichtung besteht aus 20 langgestreckten Kanälen, die mit flexiblen Membranen gedeckelt sind. Auf den Membranen sind exzentrisch angeordnet Lamellen (im folgenden Flaps) positioniert. Die Membranen können unabhängig voneinander durch einen pneumatischen Antrieb asymmetrisch mit Über- oder Unterdruck ausgelenkt werden, wodurch eine korrespondierende Flapbewegung erzielt wird. Durch das Anlegen einer metachronalen Welle konnte ein gerichteter Flüssigkeitstransport in der Nähe der Grenzfläche erzeugt werden. Das Strömungsverhalten ähnelte dem eines Wandjets. In der Arbeit wurde gezeigt, dass der Transport hauptsächlich vom Anstellwinkel der Flaps in Ruheposition der Membran sowie der Schlagfrequenz abhängt. Bei Anstellwinkeln von 20° wurde kein Transport erzeugt, während bei kleineren Winkeln ein antiplektischer, oberhalb dagegen ein symplektischer Transport beobachtet wurde. Die Transportgeschwindigkeit hing linear von der Schlagfrequenz ab. Die maximal gemessene Geschwindigkeit wurde auf einer ungebogenen Struktur (0°) mit einem antiplektischen Wellentyp bei einer Schlagfrequenz von 10 Hz erreicht und betrug etwa 1500 μm/s. Für die Vermessung der Strömungsfelder wurde ein Kamerasystem aufgebaut, das die Strömungsgeschwindigkeiten mithilfe des particle image velocimetry (PIV) Verfahrens bestimmte. Durch eine selbst entwickelte Auswerteroutine konnten grenzflächennahe Strömungsfelder durch die Überlagerung von bis zu 500 Bildern dargestellt werden. Durch die Verschiebung der Kamera in Richtung der Flaplänge konnten erstmalig Strömungsbilder über das gesamte Flap-feld aufgenommen werden. Es wurden umfangreiche numerische Berechnungen auf der Basis von Finite Element- Simulationen durchgeführt. Durch eine mechanische Simulation wurde die optimale Anordnung der Flaps auf den Membranen als auch deren asymmetrisches Bewegungsmuster vorhergesagt. Weiterhin wurden erstmalig die Strömungsfelder durch eine gekoppelte Finite- Element - Finite-Volumen-Simulation mit den Programmen ANSYS und Fluent durchgeführt. Alle Berechnungen zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Die entwickelten Simulationsroutinen können sowohl für die zukünftige Optimierung Flap-basierter Vorrichtungsdesigns als auch für die Voraussage von wandnahen Strömungsprofilen verwendet werden.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik [611510]