Koaleszenz von Seifenblasen und Gasblasen mit wässrigen und nicht-newtonschen Fluiden

Trotz der signifikanten Bedeutung der Koaleszenz von einzelnen Blasen für das Wachstum, die Struktur und die mikroskopischen Eigenschaften von Schäumen haben sich nur sehr wenige Studien mit der detaillierten Strömungsmechanik des Verschmelzens von Flüssigkeitsfilmen beschäftigt. Diese Untersuchungen sollen nun durchgeführt werden.
Bringt man zwei Seifenblasen zueinander, so verformen sich die Flüssigkeitsfilme der Blasen bei geringem Abstand voneinander: die Blasen bilden eine Eindellung (einen dimple) und schließen so eine dünne Luftschicht ein. Am Rand des dimples ist der Abstand zwischen den Blasen am geringsten, so dass sich dort die Flüssigkeitsbrücke bilden kann. Dort verschmelzen die zwei einzelnen Filme der Blasen zu einem. Der Rand des sich ausbreitenden Films wird für einen kurzen Moment beschleunigt. Während dieser Zeit setzt eine Rayleigh-Taylor Instabilität ein, die zu einer Instabilität des Randes des Flüssigkeitsfilms führt. Die Geschwindigkeit des Randes ist im Bereich des dimples höher, da die Krümmung in diesem Bereich größer ist. Nach erfolgter Koaleszenz verbleiben zwei Blasen, die sich einen gemeinsamen Film teilen.
Im vorliegenden Forschungsvorhaben soll die Strömungsmechanik während des Verschmelzens von zwei newtonschen und nicht-newtonschen Seifenblasen experimentell zu erfasst, beschrieben und mit numerischen Modellen verglichen werden. Die Rayleigh-Taylor Instabilität tritt innerhalb einer Mikrosekunde auf. Die mutmaßliche Wellenlänge der Instabilität ist nur wenige Mikrometer groß. Um also das o.g. Ziel zu erreichen muss die räumliche und zeitliche Auflösung wesentlich verbessert werden: u. a. mit einer quasi-zweidimensionalen Konfiguration des Experiments, um die Beobachtung der Instabilität aus der Seitenansicht (nicht wie bisher in der Durchsicht) zu ermöglichen sowie der Nutzung einer Ultra-Highspeed Kamera und eines Long-range Mikroskops. Zugleich sollen die Experimente mit externen numerischen Modellierungen verglichen werden.
Ein weiteres Ziel ist die Koaleszenz von Gasblasen in einer Seifenlösung zu untersuchen, da hier bisher nur Arbeiten in reinem Wasser oder salzigen Lösungen durchgeführt wurden. Das Vorhandensein von oberflächenaktiven Substanzen wird auch in diesem System einen signifikanten Einfluss auf die Physik der Koaleszenz haben. Hierbei sind wichtige Informationen, die aus den experimentellen Arbeiten gewonnen werden sollen die Koaleszenzzeit der Blasen in Abhängigkeit von deren Kollisionsgeschwindigkeit und der Weberzahl sowie die Abhängigkeit der Koaleszenzzeit vom Viskositätsverhältnis zwischen Blase und Seifenlösung (newtonschen und nicht-newtonschen Flüssigkeiten). Hierzu soll ein geeignetes Verfahren etabliert werden den Beginn der Interaktion der Blasen zu bestimmen. Außerdem muss die Annährungsgeschwindigkeit der Blasen genau bestimmt werden um einen quantitativen Vergleich mit den Simulationen zu ermöglichen.

Coalescence of soap bubbles and gas bubbles in liquids and non-Newtonian fluids

Despite the significant importance of the coalescence of individual bubbles for the growth, structure and microscopic properties of foams, very few studies have dealt with the detailed fluid mechanics of the fusion of liquid films. These investigations will now be carried out.
When two soap bubbles are brought together, the liquid films of the bubbles deform at a small distance from each other: the bubbles form a dimple and thus enclose a tiny volume of air. At the crests of the dimple the distance between the bubbles is smallest, such that the liquid bridge can form there. The two individual films of the bubbles merge into a single one. The rim of the spreading film is accelerated for a short moment. During this time a Rayleigh-Taylor instability sets in which leads to an instability of the rim of the liquid film. The velocity of the rim is higher in the dimple area because the curvature in this area is greater. After coalescence, two bubbles remain which share a common film.
In this research project the fluid mechanics during the fusion of two Newtonian and non-Newtonian soap bubbles shall be experimentally recorded, described and compared with numerical models. The Rayleigh-Taylor instability occurs within one microsecond. The assumed wavelength of the instability is only a few micrometers. In order to achieve the above-mentioned goal, the spatial and temporal resolution of the experiment must be significantly improved: Among other things with a quasi-two-dimensional configuration of the experiment to enable the observation of instability from the side view (not as previously in a top view) as well as the use of an ultra-high-speed camera and a long-range microscope. At the same time, the experiments will be compared with external numerical models.
A further goal is to investigate the coalescence of gas bubbles in a soap solution, since so far only work in pure water or salty solutions has been carried out. The presence of surface-active substances will have a significant influence on the physics of coalescence in this system. Important information which will be obtained from the experimental work is the coalescence time of the bubbles as a function of their collision velocity and the Weber number as well as the coalescence time as a function of the viscosity ratio between bubble and soap solution (with Newtonian and non-Newtonian liquids). For this purpose, a suitable method shall be established to determine the beginning of the interaction of the bubbles. In addition, the approach velocity of the bubbles must be accurately determined to allow a quantitative comparison with the simulations.