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Projekt
Dynamik und Instabilitäten pulsierender Suspensions-Strömungen in komplexen Rohrgeometrien
Antragstellerin
Professorin Dr. Kerstin Avila
Fachliche Zuordnung
Strömungsmechanik
Förderung
Förderung seit 2019
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349558021
In einer stationären laminaren Strömung durch ein gerades Rohr bewegen sich Partikel in radialer Richtung zu Gleichgewichtspositionen in Form eines Rings. Dieser Effekt ist als Fokussierung bekannt und wird in mikrofluidischen Systemen zur Partikelsortierung eingesetzt. In einer turbulenten Strömung hingegen werden die Partikel chaotisch vermischt und ihre Bewegung kann nicht vorhergesagt werden. Laminare Strömungen mit einem zeitabhängigen Massenfluss wie harmonisch angetriebene pulsierende Strömungen befinden sich in etwa dazwischen, und trotz ihrer Bedeutung für das Ingenieurwesen und das Herz-Kreislauf-System ist wenig darüber bekannt, wie sich Partikel in solchen Strömungen bewegen. In diesem Projekt verfolgen wir dichteangepasste Partikel in pulsierenden Strömungen durch gerade Rohre und eine T-Verzweigung und messen das Geschwindigkeitsfeld der Flüssigkeit in einem Volumen. Die Videoaufnahmen von vier Kameras werden mit dem Shake-The-Box-Algorithmus analysiert und erzeugen so 4D-Daten der partikelbeladenen Strömung. Bei der Verwendung von transparenten Hydrogelpartikeln kann zusätzlich die momentane Rotationsgeschwindigkeit und -achse der Partikel ermittelt werden. Neben der Partikelbewegung während einer Pulsation wird auch die über mehrere Perioden gemittelte radiale Partikelbewegung analysiert und mit derjenigen bei einer stationären Strömung verglichen. So lässt sich feststellen, ob die Pulsation die Partikelfokussierung verstärkt oder verzögert. Unsere vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass die Partikel-Fluid-Interaktionen in der Pulsationsphase mit niedriger Geschwindigkeit am aktivsten sind. In dieser Phase rotieren die Partikel noch stark und bewegen sich dadurch sehr schnell in radialer Richtung. Gleichzeitig entstehen Wirbel in der Nähe und mehrere Rohrdurchmesser entfernt und triggern hydrodynamische Instabilitäten. Besondere Aufmerksamkeit wird der Untersuchung der Partikel-Fluid-Interaktionen gewidmet, wenn in der Nähe der Rohrwand Rückströmungen auftreten. Es wird vermutet, dass solche Strömungsumkehrungen zu Krankheiten wie einer Verdickung der Intima und der Bildung von Plaques an den Gefäßwänden beitragen. Die Untersuchung der Partikelsegregation in einer T-Verzweigung unter Pulsation dient als vereinfachtes Modellsystem, um den Weg von Blutgerinnseln in der Carotid-Verzweigung besser vorhersagen zu können.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
