Partikelaufwirbelung in Umweltströmungen

Die Untersuchung der Partikelaufwirbelung in Umweltströmungen ist ein aktueller Schwerpunkt der Strömungsmechanik und erfordert modernste Visualisierungs- und Simulationstechniken. Flüsse allein tragen zu 10-20 % der jährlichen Freisetzung von Mikroplastik (MP) in den Ozeanen bei. Diese Freisetzung ist jedoch stark saisonabhängig, wobei die gemessenen Emissionen nach starken Regenfällen bis zu 100 Mal höher sind. Diese starken Emissionsspitzen werden auf die Resuspension von MP-Müll zurückgeführt, d. h. auf die Wiederaufnahme von MP-Müll, der sich zuvor in Sedimentbetten und Flussufern angesammelt hat. Die Resuspension von eingebettetem MP in turbulenten Strömungen, sei es in realen Flussläufen oder unter Laborbedingungen, ist noch nicht ausreichend untersucht worden. Die Gründe für die geringe Anzahl von Studien sind vielfältig. Erstens ist die Resuspension ein extrem schneller Prozess. Über 80 % des Geschiebes wird normalerweise innerhalb von Sekunden resuspendiert. Dies wiederum erschwert den Einsatz von Versuchstechniken, die schnell genug sind, um die sich ablösende Masse räumlich und zeitlich angemessen zu überwachen. Zweitens erlaubt die Undurchsichtigkeit des Sedimentbettes, in dem die Parasitenpartikel gefangen sind, keinen optischen Zugang.
Die wissenschaftlichen Ziele sind daher die Untersuchung der kurz- und langfristigen Resuspension von MP, eingebettet in ein Bett aus Referenzpartikeln. Das Projekt vereint 1) eine weltweit einzigartige Mehrphasenströmungsmesstechnik, die nur am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf zur Verfügung steht, und 2) hochauflösende Simulationswerkzeuge sowie ein einzigartiges Forschungslabor für die Untersuchung von Sediment- und Mikroplastiktransport an der TU Dresden. Unser Ziel ist es auch, ein einheitliches Modell zu entwickeln, das für praktische Anwendungen genutzt werden kann, z. B. für die Vorhersage der Ausbreitung von Verunreinigungen in städtischen und natürlichen Gewässersystemen im Vorfeld von Starkregenereignissen auf der Grundlage von Wettervorhersagen.

Projekt:

PRONTO: Particle resuspension in environmental flows, 2025-2027, Dresden Concept Research Group

Mitwirkende Wissenschaftler:

Gregory Lecrivain
Ronaldo Luís Höhn

Resuspension of parasite B-particles (microplastics) entrapped in a bed of reference A-particles (sediments) by shear turbulent flow.

Publikationen:

[1] Banari A., Graebe K., Rudolph M., Mohseni E., Lorenz P., Zimmer K., Hubner R., Henry C., Bossy M., Hampel U. and Lecrivain G. (2023), Influence of engineered roughness microstructures on adhesion and turbulent resuspension of microparticles, Journal of Aerosol Science 174, 106258, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2023.106258
[2] Banari A., Hertel D., Schlink U., Hampel U. and Lecrivain G. (2023), Simulation of particle resuspension by wind in an urban system. Environmental Fluid Mechanics 23, 41–63, DOI: https://doi.org/10.1007/s10652-022-09905-x
[3] Banari A., Henry C., Eidt R.H.F., Lorenz P., Zimmer K., Hampel U. and Lecrivain G. (2021), Evidence of collision-induced resuspension of microscopic particles from a monolayer deposit, Physical Review Fluids 6, L082301, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.6.L082301