Particle interactions and aggregation mechanisms in oscillatory fluid flow

Fabian Kleischmann

AutorIn

Fabian Kleischmann

Titel

Particle interactions and aggregation mechanisms in oscillatory fluid flow

Zitierfähige Url:

https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1045690

Übersetzter Titel (DE)

Partikelwechselwirkungen und Aggregationsmechanismen in oszillierenden Strömungen

Erstveröffentlichung

2026

Datum der Einreichung

08.10.2025

Datum der Verteidigung

23.01.2026

Abstract (DE)

Die vorliegende kumulative Dissertation untersucht den Einfluss von externen Oszillationen auf die Dynamik einzelner Partikel und auf die Wechselwirkungen mehrerer Partikel sowie deren Aggregationsverhalten in viskosen Fluiden. Die Betrachtungen reichen von der Grundlagenforschung bis hin zur potenziellen technologischen Anwendung. Die Untersuchungen kombinieren partikelaufgelöste Direkte Numerische Simulationen unter Verwendung der Immersed-Boundary-Methode mit Experimenten in der Schwerelosigkeit, die an Bord der Internationalen Raumstation durchgeführt wurden. Die untersuchten Systeme umfassen einfache Konfigurationen mit zwei Partikeln bis hin zu Suspensionen mit einer Vielzahl an Partikeln, wodurch eine umfassende und systematische Analyse sowohl isolierter als auch kollektiver Partikeldynamiken in Oszillationen ermöglicht wird. Die paarweise Wechselwirkung von Partikeln, die entlang der Oszillationsrichtung ausgerichtet sind und numerisch ohne den Einfluss der Schwerkraft untersucht wurde, zeigt unabhängig des Dichteverhälntisses und je nach Partikelabstand sowie der Oszillationsfrequenz entweder ein anziehendes oder abstoßendes Verhalten. Die Analyse des zeitlich gemittelten Strömungsfeldes ('steady streaming“) zeigt, dass die Wirbelstruktur der antisymmetrischen Komponente darüber entscheidet, ob die Partikel sich aufeinander zubewegen oder voneinander weg. Erweitert man die Untersuchungen auf Mehrpartikelsysteme, so zeigte die kontinuierliche Beobachtung von Langzeitexperimenten im Weltall mit kohäsiven Sedimenten in Salzwasser unter oszillatorischem Einfluss, dass die Wachstumsraten von Aggregaten jene übersteigen, die aufgrund von Brown’scher Molekularbewegung auf der Erde zu erwarten wären. Ergänzende Simulationen bestätigen diese Ergebnisse und zeigen darüber hinaus, dass die Wachstumsrate von der Oszillationsamplitude und dem Volumenanteil des Sediments abhängt. Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung lag auf den Auswirkungen horizontaler Oszillationen auf die Dynamik des Drafting–Kissing–Tumblings von zwei Partikeln, die sich aufgrund der Schwerkraft absetzen. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen zeigen, dass der Einfluss der Oszillationen signifikant wird, sobald die Trägheitskräfte der Oszillationen die viskosen Kräfte im Fluid übersteigen. In diesem Bereich bestimmt die Oszillationsamplitude die Dauer der Drafting- und Kissing-Phasen, wobei eine stärkere Anregung zusätzlich eine Ausrichtung der Partikel senkrecht zur Oszillationsrichtung bewirkt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde ein Patentantrag eingereicht, der den Einsatz kontrollierter Oszillationen zur Förderung der Aggregation von Sediment in Flüssigkeiten vorschlägt und damit eine neue Methode zur Verbesserung der Partikelentfernung in Umwelt- und Industrieprozessen bietet. Die in dieser Dissertation dargestellte Arbeit verbindet somit das fundamentale Verständnis der Partikeldynamik in Oszillationen mit einer anwendungsorientierten Strategie zur gezielten Steuerung von Aggregationsprozessen in Flüssigkeiten.

Abstract (EN)

The present cumulative dissertation investigates the influence of externally imposed oscillations on individual particle dynamics, multiple particle interactions, and aggregation mechanisms in viscous fluids, spanning fundamental research to potential technological applications. The investigations combine particle-resolved direct numerical simulations, employing the Immersed Boundary Method, with microgravity experiments conducted on board the International Space Station. The studied systems range from simple pairwise configurations to suspensions containing multiple interacting particles, allowing a comprehensive and systematic analysis of both isolated and collective particle dynamics under oscillatory forcing. The pairwise interaction of particles, perfectly aligned with the oscillation direction and numerically studied in the absence of gravity, exhibits attractive or repulsive behavior across different particle to fluid density ratios, depending on the interparticle distance and the oscillation frequency. Analysis of the time-averaged flow field (steady streaming) reveals that the vortical structure of the antisymmetric component determines whether the particles approach each other or move apart. Extending the investigation to multi-particle systems, continuous monitoring of long-term microgravity experiments with cohesive sediments in saline water under oscillatory forcing revealed aggregate growth rates exceeding those expected from Brownian motion on Earth. Complementary simulations confirm the experimental results and further demonstrate that the growth rate depends on the oscillation amplitude and the solid volume fraction. We further focused on the effects of horizontal oscillations on the Drafting–Kissing–Tumbling dynamics of two particles settling under gravity. The numerical simulations reveal that the impact of the oscillations becomes significant once the oscillation-induced inertial forces exceed the viscous forces in the fluid. In this regime, the oscillation amplitude governs the duration of the drafting and kissing phases, with stronger forcing also promoting particle alignment perpendicular to the oscillation direction. Building on these findings, we filed a patent application that proposes the application of controlled oscillations to enhance particle aggregation in fluids, offering a new method to improve the removal of particles in environmental and industrial processes. Thus, the work presented in this dissertation bridges the fundamental understanding of particle dynamics under oscillatory forcing with an application-oriented strategy for controlling aggregation processes in fluid systems.

Freie Schlagwörter (DE)

Partikelinteraktion, Aggregation, Oszillation, Schwerelosigkeit, Steady Streaming

Freie Schlagwörter (EN)

Particle interaction, Aggregation, Oscillation, Microgravity, Steady streaming

Klassifikation (DDC)

520

Klassifikation (RVK)

UR 1600

GutachterIn