Complete rotation rates of curved microplastic fibers in wall turbulence

Abstract

Die Minderung der Umweltverschmutzung durch Mikroplastik erfordert die Vorhersage des Transports von Mikroplastikfasern durch Umweltströmungen. Ihre Bewegung, Sedimentation und Dispersion sind mit ihrer Orientierung und Rotationsrate verknüpft, deren Vorhersage jedoch nach wie vor eine offene Fragestellung darstellt. Um diese Lücke zu schließen, werden in dieser Arbeit die Rotationsraten gekrümmter Mikroplastikfasern in wandnahen Turbulenz experimentell untersucht. Der TU Wien Turbulent Water Channel, ein 10 m langer geschlossener Umlaufkanal, wird als geeignete Versuchseinrichtung identifiziert, da er optische Zugänglichkeit und kontrollierte Strömungsbedingungen bietet, die mit numerischen Simulationen vergleichbar sind. Eine Methodik zur Messung der Faserrotationsraten in planaren und volumetrischen Experimenten wird vorgestellt. In letzteren wird die gekrümmte Form der Fasern genutzt, um ihre Orientierung eindeutig zu bestimmen und alle Komponenten der Rotationsrate zu erfassen. Die der Methode inhärenten Fehler werden identifiziert und quantifiziert. Ein planarer Versuch wird durchgeführt, bei dem sowohl die Faserdynamik als auch das Strömungsfeld gleichzeitig gemessen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rotationsrate der Fasern positiv mit dem Vorhandensein lokaler Wirbelstrukturen korreliert. Volumetrische Experimente ermöglichen erstmals die Messung der Spinrate, also der Rotationrate um die Längsachse der Faser, die mit abnehmendem Abstand zur Wand zunimmt. Laufende Untersuchungen zeigen, dass die Spin- und Taumelraten — letztere bezeichnen die Rotationraten um die transversalen Faserachsen — gekrümmter Fasern mit Modellen für längliche Ellipsoide in linearer Scherströmung abgeschätzt werden können, und es wird eine Korrelation zwischen diesen Rotationsraten und der lokalen Dissipationsrate der Strömung festgestellt. Diese Ergebnisse erweitern das bisherige Wissen über die Rotation von Fasern durch neue Erkenntnisse zu ihrem Verhalten in Wandnähe, was zur Verbesserung bestehender Modelle zur Vorhersage der Dispersion von Mikroplastikfasern in der Umwelt beitragen kann. Zudem wird die Möglichkeit aufgezeigt, gekrümmte Fasern als Lagrangesche Sonden zur Abschätzung der Dissipation in wandbegrenzter Turbulenz einzusetzen.

Environmental microplastic pollution mitigation requires predicting the transport of microplastic fibers by environmental flows. Their motion, settling, and dispersion are linked to their orientation and rotation rate, predicting them remains an open issue. To address this gap, the rotation rates of curved microplastic fibers in wall-bounded turbulence are investigated experimentally in this thesis. The TU Wien Turbulent Water Channel, a 10 m long closed flow loop, is identified as a suitable facility for these measurements, offering optical accessibility and controlled flow conditions, comparable with numerical simulations. A methodology to measure fiber rotation rates in both planar and volumetric experiments is presented. In the latter, their curved shape is exploited to uniquely identify their orientation and measure all components of rotation rate. The errors implicit to the method are identified and quantified. A planar experiment is performed where both fiber motion and flow field are simultaneously measured and the results show that fiber rotation rate correlates positively with the presence of local vortical structures. Volumetric experiments provide, for the first time, the measurement of the spinning rate, i.e. rotation rate around the longitudinal fiber axis, which is found to increase approaching the channel wall. Ongoing investigations show that spinning and tumbling rates of curved fibers, i.e. rotation around the transversal fiber axes, can be estimated using models developed for prolate ellipsoids in linear shear flow, and a correlation is found between these rotation rates and local flow dissipation rate. These results extend previous knowledge about fiber rotation with evidence and insight about their dynamics when approaching a solid boundary, which may be used to extend and improve present models for predicting environmental microplastic fiber dispersion. Moreover, these results suggest the possibility of using curved fibers as Lagrangian probes for estimating turbulent dissipation in wall-bounded flows.