Flüssigkeitsspalt

Flüssigkeitsspalt bezeichnet einen schmalen Spalt, in dem eine Flüssigkeit zwischen zwei festen Oberflächen eingeschlossen ist. Typische Geometrien sind ein Spalt zwischen zwei parallelen Platten (als Hele-Shaw-Feld bekannt) oder ein runder Spalt zwischen einer Rotationsfläche und einer festen Oberfläche. Der Abstand der Oberflächen ist klein gegenüber den Abmessungen des Systems, wodurch der Flüssigkeitsfilm quasi zweidimensional wirkt.

Physikalische Eigenschaften spielen eine zentrale Rolle. Kapillarkräfte und Oberflächenenspannung bestimmen das Gleichgewicht der Grenzflächenformen, abhängig vom Kontaktwinkel und der Benetzung der Oberflächen. Der Druck im Spalt wird durch die Oberflächenspannung über die Laplace-Gesetze bestimmt. In sehr dünnen Filmen wirken zusätzlich Disjoining- bzw. Zerscheidungsdrücke, die Filmstabilität oder -instabilität beeinflussen. In Mikrosystemtechnik und lubrication theory dominiert oft Extros des Spalts die Strömung, sodass viskose Kräfte und Oberflächenkräfte eng verzahnt sind.

Dynamik und Modellierung. In engen Spalten gilt häufig die Lubrication-Theorie; in vielen Fällen kann die Strömung durch eine eindimensionale, druckgetriebene Bewegung beschrieben werden. Speziell im Hele-Shaw-Setup führt die tiefenabhängige Querbläschung zu einer eindimensionalen Gleichung, die die Strömung als 2D-Problem behandelt. Zwischen zwei inkompatiblen Fluids kann es zu Fingering-Phänomenen wie dem Saffman-Taylor-Fingering kommen, abhängig von Viskosität, Oberflächenspannung und Eintrittsgeschwindigkeit.

Anwendungen. Flüssigkeitsslätze finden sich in der Mikrofluidik (Lab-on-a-Chip), Dünnfilmcoating, Schmierungstechnik, Tropfen- und Blindfluss-Experimenten sowie in der Oberflächen- und Interferenzforschung. Messungen nutzen oft Interferenzmuster oder Kapillarprincips, um Filmdicken zu bestimmen.

Siehe auch. Hele-Shaw-Zelle, Oberflächenspannung, Kapillareffekte.