Studentische Arbeiten

Die Dialyse von Blut ist ein lebensrettender Vorgang für viele chronisch kranke Patienten. Bei diesem Vorgang erfolgt ein Austausch von unerwünschten Blutbestandteilen über eine Membran. In der Medizintechnik werden Dialysatoren als vom Blut des Patienten durchströmte Kapillarbündel konstruiert, welche im Gegenstrom axial vom Dialysefluid umströmt werden. Der Stoffaustausch erfolgt durch die semipermeable Wand der Kapillaren.

Eine Variante dieser Dialysatoren wird nun auch für die Blutanalyse erforscht, bei der eine Miniaturisierung des Dialysatoraufbaus durchgeführt wurde. In diesem Mikro-Dialysator strömt anstelle von Blut Blutplasma und anstelle der Dialyseflüssigkeit ein Testfluid. Die angestrebte Geometrie besteht in Anlehnung an einen humanmedizinischen Dialysator aus einem Zylinder mit 4 mm Durchmesser, der im mittleren Teil mit axial ausgerichteten Hohlfasern als Kapillaren gefüllt ist. Versorgungsanschlüsse und Dichtmasse sorgen für eine Trennung der Blutplasmaströmung durch die Hohlfasern von der Umspülung mit Testfluid.

In der hier geplanten Arbeit soll eine numerische Strömungssimulation für beide Strömungsbereiche eines vorgegebenen Mikro-Dialysators durchgeführt werden. Das Ziel ist es, die Strömungsgeschwindigkeitsfelder im Blutplasmastrom und im Testfluid zu ermitteln. Dabei werde die Membraneigenschaften der Hohlfasern und die ggf. noch vorhandenen nichtnewtonschen Eigenschaften des Blutes im Blutplasma vernachlässigt.

Teilaufgaben:

• Literaturrecherche zur Geometrie vom humanmedizinischen und Mikro-Dialysatoren
• Übernahme der existierenden Fraunhofer-IZI Geometrie für den Mikro-Dialysator, Erstellung der numerischen Gitter für die Konvergenzstudie und die finale Rechnung
• numerische Simulation der stationären  Geschwindigkeitsfelder im Mikro-Dialysator bei verschiedenen Randbedingungen
• Vergleich der Ergebnisse mit den experimentellen Daten und Ergebnissen aus bisherigen Dialysatoruntersuchungen.
• Auswertung und Darstellung der Messdaten

Literatur:

1. M. Dabaghi, N. Rochow, N. Saraei et al., Miniaturization of Artificial Lungs toward Portability, Adv. Mater. Technol., 2020
2. S. Geberth, R. Nowack, Praxis der Dialyse, 2011
3. H. Krüsemann 1, P. Töllner, E. Westphal, J. Hofrichter and H. Seitz, Design and 3D printing of miniaturized dialyzers for laboratory use, Additive Manufacturing Meets Medicine 2021 DOI: 10.18416/AMMM.2021.2109xxx

Submariner Grundwasseraustritt (SGD – Submarine Groundwater Discharge) ist eine elementare Komponente des hydrologischen Kreislaufs und stellt eine terrestrisch-marine Schnittstelle für wechselseitige Stoffflüsse dar. Laut Umweltbundesamt können die vom Grundwasser mitgeführten Stoffe nachhaltig das marine Ökosystem in Küstenregionen beeinflussen. Um Vermischungsvorgänge von im Grundwasser mitgeführten Substanzen mit Meerwasser besser verstehen und modellieren zu können, werden diese am Lehrstuhl Strömungsmechanik experimentell untersucht. Dazu wird der küstennahe submarine Grundwasseraustritt in einem Wellenkanal nachgebildet. Durch ein permeables Meeresbodenmodell wird ein fluoreszierendes Tracermedium in den Kanal eingebracht, welches sich unter Welleneinfluss mit der darüberliegenden Wassersäule vermischt. Mithilfe gekoppelter PIV-LIF-Messungen (PIV – Particle Image Velocimetry, LIF – Laser Induced Fluorescence) werden Konzentrations- und Geschwindigkeitsfelder mit hoher Bild- und Zeitauflösung erfasst und analysiert. Während in der Vergangenheit das Vermischungsverhalten über einem stark idealisiertem Bodenmodell untersucht wurde, sollen nun realistischere Sandrippelprofile im Fokus der Untersuchungen stehen.

Im Rahmen der studentischen Arbeit soll der turbulente Transport über verschiedenen strukturierten Meeresbodenmodellen vergleichend untersucht werden. Die Erstellung der Bodenmodelle erfolgt mit Hilfe einer vorhandenen parametrierten CAD-Modellierung in PTC Creo basiered auf Mikrotopografiemessdaten. Die so generierten Modelle werden aus einem permeablen Material gefertigt und mittels PIV-LIF im bestehenden Messaufbau bei verschiedenen Wellenszenarien untersucht. Die aus dem Geschwindigkeits- und Konzentrationsfeld abgeleiteten Größen des Reynoldsflusses und der Turbulenten Kinetischen Energie erlauben einen quantitativen Vergleich der Transporteigenschaften der verschiedenen Bodengrenzschichten.

Mithilfe der medizinischen Bildgebung können berührungslos Geometriedaten von Blutgefäßen unterschiedlicher pathologischer Anomalien gewonnen werden. Zur Identifikation der optimalen Behandlungsmethode oder der Auswahl des optimalen Implantats können im Voraus numerische Simulationen oder experimentelle Versuche an diesen Geometrien durchgeführt werden. Mithilfe der Analyse der ermittelten Strömungsvorgänge innerhalb der Gefäße können biomedizinische Vorgänge analysiert und vorhergesagt werden.
Konkret soll ein bereits bestehendes Modell eines Aneurysmas durchströmt und mittels der MRT-Technik strömungsmechanisch untersucht werden (MRV – magnetic resonance velocimetry). Außerdem sollen verschiedene generische Implantate konstruiert und deren Einfluss auf die Strömungsvorgänge innerhalb des Aneurysmas analysiert werden.
Studentische Arbeiten zu diesem Thema befassen sich mit der Recherche zu den Zusammenhängen von Strömungseffekten und den biomedizinischen Vorgängen in vaskulären Gefäßstrukturen, der Konstruktion generischer Implantate und der Durchführung und Analyse von MRV Messungen sowie dem Vergleich der Auswirkungen der verschiedenen Implantate.

In Kooperation mit dem Gasturbinenhersteller MAN soll untersucht werden, wie die MRT-Messtechnik in den Auslegungszyklus einer Gasturbine integriert werden kann. Üblicherweise werden die Strömungssysteme in der Gasturbine oder im Triebwerk ausschließlich über numerische Strömungssimulationen (CFD) ausgelegt. Da keine CFD-Methode fehlerfrei ist, müssen die Ergebnisse abschließend validiert werden. In der Regel geschieht dies über einen sehr zeitaufwendigen Systemtest am Ende der Auslegung. Im Vergleich zu den üblichen Messverfahren ist die MRT weitaus schneller und oft auch kostengünstiger. Die Idee des Projekts ist nun, dass MRT-Untersuchungen schon während der numerischen Auslegung durchgeführt werden um Zwischenergebnisse zu validieren. Als Anwendungsbeispiel dient das Kühlsystem der Turbinenschaufel. Ein beispielhafter Zyklus ist im Bild dargestellt.
Die studentischen Arbeiten zu diesem Thema konzentrieren sich auf die Konstruktion und Anfertigung eines modularen Prüfstandes für Turbinenschaufelkühlsysteme um effiziente MRT-Messungen zu ermöglichen.

In Kooperation mit dem Gasturbinenhersteller MAN soll untersucht werden, wie die MRT-Messtechnik in den Auslegungszyklus einer Gasturbine integriert werden kann. Üblicherweise werden die Strömungssysteme in der Gasturbine oder im Triebwerk ausschließlich über numerische Strömungssimulationen (CFD) ausgelegt. Da keine CFD-Methode fehlerfrei ist, müssen die Ergebnisse abschließend validiert werden. In der Regel geschieht dies über einen sehr zeitaufwendigen Systemtest am Ende der Auslegung. Im Vergleich zu den üblichen Messverfahren ist die MRT weitaus schneller und oft auch kostengünstiger. Die Idee des Projekts ist nun, dass MRT-Untersuchungen schon während der numerischen Auslegung durchgeführt werden um Zwischenergebnisse zu validieren. Als Anwendungsbeispiel dient das Kühlsystem der Turbinenschaufel. Ein beispielhafter Zyklus ist im Bild dargestellt.
Die studentischen Arbeiten zu diesem Thema konzentrieren sich auf den qualitativen und quantitativen Vergleich zwischen MRT und CFD Datensätzen. Hierzu soll eine Auswerteroutine für den visuellen und mathematischen Vergleich von CFD und MRT Daten entwickelt werden.

Im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms hat die Bundesregierung beschlossen, Forschungsvorhaben mit Bezug zur nuklearen Sicherheit zu fördern. Der Betrieb eines wassergekühlten Kernreaktors erfordert einen ausreichenden Sicherheitsabstand zum critical heat flux (CHF). Aufgrund der unvollständigen Kenntnis der thermohydraulischen Mechanismen sind experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung des CHFs für jede spezifische Reaktorgeometrie und Randbedingung zwingend erforderlich. Zunehmend kommen auch CFD-Simulationen zum Einsatz, die jedoch eine Validierung der eingesetzten empirischen Modelle erfordern. Der hohe technische und finanzielle Aufwand solcher Untersuchung limitiert den Einsatz experimenteller Methoden häufig auf stark vereinfachte Modellsysteme. Hier bietet die MRV die die Möglichkeit solche Experimente mit einem vertretbaren Aufwand durchzuführen.
Zur Erfassung der Strömungsphänomene in Kernreaktormodellen müssen MRV Methoden ausgewählt werden, die speziell für hohe Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenzgrade optimiert sind. Die zu messenden Größen sind das zeitlich gemittelte Strömungsfeld, statistische Turbulenzgrößen (Reynolds’scher Spannungstensor) und verschiedene Methoden zur Erfassung von Mischungsvorgängen, z.B. über Konzentrationsmessungen und Temperaturfeldmessungen.
Die studentischen Arbeiten zu diesem Thema konzentrieren sich auf die Auswahl, Implementierung und Anwendung geeigneter MRV Methoden.

Im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms hat die Bundesregierung beschlossen, Forschungsvorhaben mit Bezug zur nuklearen Sicherheit zu fördern. Der Betrieb eines wassergekühlten Kernreaktors erfordert einen ausreichenden Sicherheitsabstand zum critical heat flux (CHF). Aufgrund der unvollständigen Kenntnis der thermohydraulischen Mechanismen sind experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung des CHFs für jede spezifische Reaktorgeometrie und Randbedingung zwingend erforderlich. Zunehmend kommen auch CFD-Simulationen zum Einsatz, die jedoch eine Validierung der eingesetzten empirischen Modelle erfordern. Der hohe technische und finanzielle Aufwand solcher Untersuchung limitiert den Einsatz experimenteller Methoden häufig auf stark vereinfachte Modellsysteme. Hier bietet die MRV die die Möglichkeit solche Experimente mit einem vertretbaren Aufwand durchzuführen.
Zur Erfassung der Strömungsphänomene in Kernreaktormodellen müssen MRV Methoden ausgewählt werden, die speziell für hohe Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenzgrade optimiert sind. Die zu messenden Größen sind das zeitlich gemittelte Strömungsfeld, statistische Turbulenzgrößen (Reynolds’scher Spannungstensor) und verschiedene Methoden zur Erfassung von Mischungsvorgängen, z.B. über Konzentrationsmessungen und Temperaturfeldmessungen.
Die studentischen Arbeiten zu diesem Thema konzentrieren sich auf die modulare Erweiterung eines bestehenden Prüfstandes zur Erzeugung kernreaktorähnlicher Strömungen.

Im Rahmen der Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo) sollen MRT-Methoden für die Untersuchung von Kühlströmungen entwickelt werden. Eine potentielle Anwendung ist die Untersuchung von Turbinenschaufelkühlsystemen. Der Entwurfsprozess solcher Kühlsysteme beruht maßgeblich auf numerischen und empirischen Methoden. Experimentelle Verfahren zur Bestimmung des konvektiven Wärmetransportes werden nach heutigem Stand erst im späten Entwurfsprozess eingesetzt, da die üblichen Methoden mit einem hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand verbunden sind. Im Vergleich können MRT-Messungen schnell und kostengünstig durchgeführt werden.
Das Ziel dieses Projekts ist es das Temperaturfeld und das Strömungsfeld in Kühlströmungen simultan zu messen. Geeignete MRT-Methoden wurden bereits für die medizinische Bildgebung entwickelt, jedoch müssen diese Methoden zunächst auf ihre Messgenauigkeit untersucht werden bevor sie für die Untersuchung von technischen Systemen angewendet werden können. Zur Validation der Methoden werden Testaufbauten benötigt, die sowohl eine Strömung als auch ein Temperaturgefälle bereitstellen.
Die studentischen Arbeiten zu diesem Thema konzentrieren sich auf die Recherche zu geeigneten MRT-Methoden, die Assistenz bei den MRT-Messungen und die Auswertung der Daten.

Im Rahmen der Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo) sollen MRT-Methoden für die Untersuchung von Kühlströmungen entwickelt werden. Eine potentielle Anwendung ist die Untersuchung von Turbinenschaufelkühlsystemen. Der Entwurfsprozess solcher Kühlsysteme beruht maßgeblich auf numerischen und empirischen Methoden. Experimentelle Verfahren zur Bestimmung des konvektiven Wärmetransportes werden nach heutigem Stand erst im späten Entwurfsprozess eingesetzt, da die üblichen Methoden mit einem hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand verbunden sind. Im Vergleich können MRT-Messungen schnell und kostengünstig durchgeführt werden.
Das Ziel dieses Projekts ist es das Temperaturfeld und das Strömungsfeld in Kühlströmungen simultan zu messen. Geeignete MRT-Methoden wurden bereits für die medizinische Bildgebung entwickelt, jedoch müssen diese Methoden zunächst auf ihre Messgenauigkeit untersucht werden bevor sie für die Untersuchung von technischen Systemen angewendet werden können. Zur Validation der Methoden werden Testaufbauten benötigt, die sowohl eine Strömung als auch ein Temperaturgefälle bereitstellen.
Die studentischen Arbeiten zu diesem Thema konzentrieren sich auf die Konstruktion und Inbetriebnahme dieser Modelle.

Die studentische Arbeit befasst sich mit der Gewinnung der Geometriedaten aus Patientendaten, der Weiterverarbeitung der Daten in einem CAD Programm. Anschließend kann per Rapid Prototyping ein reales vergrößertes Modell hergestellt werden, welches mit im MRI Flow Lab gemessen und analysiert wird. Alternativ kann statt der Experimente eine strömungsmechanische Simulation in der erhaltenen Geometrie mit anschließender Analyse durchgeführt werden.

Aufgabenbereiche:

• Konvertierung medizinischer Bilddaten in CAD Daten mithilfe einer Open-Source Software
• Bearbeitung des CAD Modelles zur Vorbereitung von Computersimulationen
• Bearbeitung des CAD Modelles zur Herstellung eines vergrößerten Modells
• Simulationen oder MRT Messungen, je nach Wunsch

Hochpräzise Kraftmessungen durchführen zu können, gehört zu den Kernkompetenzen eines Wasserschleppkanals. Moderne Fragestellungen und präzisere Entwicklungsverfahren in der Aerodynamik und Hydrodynamik erfordern zusätzlich die Möglichkeit, instationäre Strömungseffekte untersuchen zu können. Dazu müssen u.a. zeitabhängige Kräfte gemessen werden können.

Eine Zusammenstellung geeigneter Hardware, sowie ein speziell angefertigtes Unterwassergehäuse liegen zum Beginn der Arbeit bereits vor. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Zusammenführung von Hard- und Software der Kamerakomponenten zusammen mit den restlichen Komponenten eines PIV Systems. Es wird ein funktionstüchtiges PIV System mit Kamera, Laser und Lichtschnittoptik in der Schlepprinne des Lehrstuhls Strömungsmechanik aufgebaut und in Betrieb genommen. In Testmessungen soll das neu zusammengestellte Messsystem auf seine Leistungsfähigkeit und Anwendbarkeit für die Messaufgaben des Lehrstuhles hin untersucht werden.

• Konstruktion des Versuchsaufbaus
• Selbstständige Durchführung von Versuchen mit einzelnen fluidischen Oszillatoren und dem fertigen Ruder
• Messung mit piezoelektrischen Kraftsensoren und Drucksensoren
• Programmierung der Versuchsauswertung

• Aufbau und Inbetriebnahme der Messtrecke
• Aufnahme der Pumpenkennlinien für Wasser und Glyzerin
• Auswertung von MRV-Geschwindigkeitsdaten aus der leeren Messstrecke
• Auswertung von MRV-Geschwindigkeitsdaten aus einem skalierten Stentmodell
• Vergleich mit vorhandenen numerischen und experimentellen Daten