Kursbeschreibung:

Die Studierenden sollen einen Einblick in komplexe Strömungsvorgänge in Natur und Technik auf kleinen Skalen bekommen, die im Rahmen der Strömungsmechanik und Aerodynamikvorlesungen nicht abgebildet werden können.

Dazu gehören die Auslegung und Anwendung mikrofluidischer Systeme in der Verfahrenstechnik, Biologie und Medizin, Mehrphasenströmungen und Strömungen mit Wärme- und Stofftransport in der Verfahrenstechnik. Vorlesungsziel ist den Studierenden das Verständnis der Unterschiede zwischen mikroskopischer und makroskopischer Fluiddynamik zu vermitteln. Sie sollen die zugrunde liegenden Phänomene kennen lernen und deren gezielte Nutzung für verschiedene Anwendungen ableiten können. Zudem sollen laseroptische Messtechniken zur Strömungscharakterisierung vorgestellt werden und deren Besonderheiten diskutiert werden.

Im Rahmen der Übung werden einfache Berechnungen durchgeführt. Zwei Praktika oder als Alternative die Präsentation eines wissenschaftlichen Artikels vor der Gruppe sind ebenfalls Bestandteil der Veranstaltung.

Der Einschreibeschlüssen wird in der ersten Vorlesung bekanntgegeben oder kann per email erfragt werden.

Inhalte:

Folgende Inhalte sollen den Studierenden in der Lehrveranstaltung näher gebracht werden:

  • Einführung in die Mikrofluidik (Anwendungen, Märkte, Beispiele), Fluideigenschaften
  • Unterschiede zwischen mikroskopischer/makroskopischer Stoff- und Impulsaustausch anhand von Skalikerungsanalysen und Ähnlichkeitskennzahlen wie bspw. Reynoldszahl, Pecletzahl, Kapilarzahl, Knudsonzahl, etc.
  • Gradienten in kleinen Volumina (Elektrokinetische Strömungen, Konzentrations- und Temperaturfelder)
  • Auslegung und Herstellung von Mikrokanälen, Pumpen, Ventile, aktive und passive Mischer
  • Mehrphasenströmungen (Gas-Fluid) mit und ohne Wärme- und Stofftransport
  • Phänomene der Oberflächenspannung
  • Optische Messmethoden für die Mikrofluidik (Mikroskopie, Abbildung von Teilchen, Particle Image Velocimetry, Particle Tracking Velocimetry)

Literatur:

  • Introduction to Microfluidics, Patrick Tabeling, Oxford University Press, 2011
  • Theoretical Microfluidics, Henrik Bruus, Oxford University Press, 2007
  • Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics, Brian Kirby, Cambridge University Press, 2013
  • Fundamentals and Applications of Microfluidics, Nam-Trung Nguyen, Steven T. Wereley, Artech House, 2006
  • Particle Image Velocimetry A Practical Guide, Raffel et. al, Springer Verlag, 2018