partikelentrainment

Partikelentrainment bezeichnet den Prozess, bei dem Partikel aus einem Festbett durch einen strömenden Fluid entrissen oder mitgerissen werden und in das Strömungsfeld gelangen. Er spielt eine zentrale Rolle in der Sedimenttransportkunde, der Fluss- und Küstengeologie sowie in vielen technischen Anwendungen wie Schlammtransport, Filtrationsprozessen oder Staubbeladungen in der Luft.

Der Entrainment-Prozess resultiert aus dem Zusammenspiel von hydrodynamischen Kräften, Auftrieb und turbulenten Fluktuationen. Der Schub stress des Fluids an der Bettoberfläche trägt dazu bei, Partikel zu lösen oder zu rollen; Auftriebskräfte unterstützen das Abheben einzelner Partikel. Turbulente Eddy-Strukturen können Partikel in die Strömung transportieren, auch wenn der mittlere Schub nicht ausreicht. Kohäsive Böden zeigen zusätzliche Widerstände durch Bindungskräfte; hier sind höhere Strömungskräfte nötig, um Entnahme zu überwinden.

Es gibt verschiedene Transportformen nach dem Entrainment-Verlauf: Bodentransport (Rollen, Gleiten, Saltation) bei direktem Bodenkkontakt und suspendierter Transport, bei dem Partikel über längere Strecken in der Strömung getragen werden. Der Start der Entnahme wird oft durch den kritischen Bodenscherspannungswert beschrieben, der sich am sogenannten Shields-Wert orientiert. Dieser ist abhängig von Partikelgröße, Dichteunterschied, Bödenfeuchte, Porendruck und anderen Bodenparametern. Typische Werte variieren stark je nach Material und Bedingungen.

Wichtige Einflussfaktoren sind Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenzintensität, Materialeigenschaften der Partikel (Größe, Dichte), Bodenkohäsion, Feuchte, Vegetation sowie Poren- und Druckverhältnisse. Methoden zur Bestimmung umfassen Flusen- oder Laborflutversuche, Feldmessungen mit ADCP oder Laser-Doppler-Verfahren sowie Bildanalyse; Modelle verwenden empirische oder physikalische Beziehungen wie die Shields-Kriterien, kombiniert mit Transportgleichungen.

Partikelentrainment ist entscheidend für die Quantifizierung von Erosion, Sedimenttransport und damit verbundenen Umwelt- und Ingenieurfragen.