Kontakt

Dr.-Ing. Martin Bruschewski

Oskar-Kellner-Institut (OKI) / Raum 116
Justus-von-Liebig-Weg 2
18059 Rostock

MRI flow lab
Albert-Einstein-Straße 2
18059 Rostock

Fon +49 (0) 381 498 - 9319 (Raum 116)
Fon +49 (0) 381 498 - 9328 (MRI flow lab)
Fax  +49 (0) 381 498 - 9312
martin.bruschewskiuni-rostockde


Forschungsgebiet MRT Strömungsmesstechnik

am Lehrstuhl Strömungsmechanik

Die Magnetresonanztomographie ist ein aus der Medizin bekanntes, bildgebendes Diagnoseverfahren, welches unter anderem die zwei- oder dreidimensionale Erfassung von Geschwindigkeits- und Temperaturfeldern ermöglicht. Im Gegensatz zu den üblichen Messverfahren kommt diese Messtechnik ganz ohne optischen Zugang oder zusätzliche Partikel in der Strömung aus. Für die Forschung verfügt der Lehrstuhl Strömungsmechanik über ein eigenes MRT-Gerät in einem speziell für strömungsmechanische Untersuchungen entworfenen Forschungslabor.

Weiterführende Informationen:

Laufende Forschungsprojekte

7. Energieforschungsprogramm – Nukleare Sicherheitsforschung: MRV4NRS Magnetic Resonance Imaging for Nuclear Reactor Safety

Einsatz der Magnetic Resonance Velocimetry zur Unterstützung der Reaktorsicherheitsforschung und Validierung numerischer Strömungssimulationen

Blick in das MRT Labor während der Messung an einem 3 m langen Modell eines Brennstabbündels.
Blick in das MRT Labor

In diesem Vorhaben soll eine neue experimentelle Methode auf Grundlage der Magnetresonanz-Strömungsmesstechnik (Magnetic Resonance Velocimetry, MRV) zur Bestimmung sicherheitsrelevanter Strömungsgrößen in wassergekühlten Kernreaktoren entwickelt und validiert werden. Die MRV soll die Lücke zwischen den herkömmlichen experimentellen Verfahren (exakt, aber aufwendig und nur lokal) und CFD-Simulationen (hochauflösend, aber unsicher) schließen.

 Informationen

AG Turbo Verbundvorhaben 2019: Robuste Turbomaschinen für den flexiblen Einsatz (RoboFlex)

Visualisierung von Strömungen und Fluidtemperaturgradienten von Turbomaschinenkomponenten mittels Magnetresonanztomographie

Prinzip der Prozesskette
Prinzip der Prozesskette

In Zusammenarbeit mit dem Industriepartner MAN Energy Solutions SE zielt dieses Forschungsvorhaben auf die Auslegung der internen Strömungen von Turbomaschinenkomponenten mit Hilfe der Magnetresonanztomographie (MRT) ab. Das extrem schnelle Messverfahren produziert 3D Strömungsdatensätze mit Millionen von Datenpunkten in wenigen Stunden. Ziel ist es, diese Messdaten in die Auslegung der Komponenten mit einfließen zu lassen und mittelfristig maßgeblich zur Flexibilisierung des Einsatzes dieser Maschinen beitragen zu können.

 Informationen

BMWi LuFo V-3

Experimentelle Methode zur Untersuchung der dreidimensionalen Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder in Kühlsystemen basierend auf der Magnetresonanztomographie

Vorbereitung einer MRV-Messung
Vorbereitung einer MRV-Messung

In dem Forschungsprojekt wird untersucht, wie die Magnetresonanztomographie für die Auslegung von Kühlungen in Triebwerkssystemen eingesetzt werden kann. Das Messverfahren soll so weiterentwickelt werden, dass es bereits im frühen Entwicklungsprozess neuer Kühlsysteme genutzt werden kann, um die Vorhersagegenauigkeit der Entwürfe zu verbessern.

 Informationen

Weitere Forschungskooperationen

Strömungen in patientenspezifischen Gefäßmodellen
MRV-Messung der Durchströmung eines patientenspezifischen Aneurysmas ohne und mit Implantat.
MRV-Messung der Durchströmung eines patientenspezifischen Aneurysmas ohne und mit Implantat.

Universitätsmedizin Rostock

Die Behandlung von zerebralen Aneurysmen kann mikrochirurgisch mittels Clipping oder endovaskulär mit sogenannten Coils oder Flowdivertern erfolgen. Um die Auswirkung der Implantation endovaskulärer Implantate auf die hämodynamischen Strömungscharakteristiken quantifizieren zu können, werden patientenspezifische Gefäßmodelle unter Einhaltung strömungsmechanischer Kennzahlen auf eine mit dem MRT messbare Größe skaliert und Modelle mittels moderner Rapid Prototyping Verfahren hergestellt. Angeschlossen an einen Strömungskreislauf kann so das Strömungsfeld innerhalb der Aneurysmen erfasst werden, um Aussagen über Veränderungen der betroffenen Gefäße treffen zu können. Im Fokus steht dabei auch die Entwicklung von Blutersatzfluiden, um in der experimentellen Untersuchung eine möglichst realitätsnahe Strömung abbilden zu können.

Optimierung der Datenauswertung

Lehrstuhl Mechatronik (Rostock)

In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Mechatronik der Universität Rostock werden verschiedene Optimierungsverfahren der Datenerfassung und Auswertung für den Einsatz in technischen MRV-Anwendungen untersucht. Mehrere Aspekte sind dabei von besonderem Interesse, Kernpunkt ist jedoch die Verkürzung der Messzeiten durch eine reduzierte Datenerfassung und die Nutzung iterativer Rekonstruktionsansätze (Compressed Sensing). (John et al. 2020; Rauh et al. 2021)

Veröffentlichungen

Validierung von CFD Simulationen

Framatome GmbH (Erlangen), Forschungszentrum Jülich, RWTH Aachen, Lehrstuhl Strömungsmaschinen (Rostock), Ontario Tech (Oshawa, Kanada), Los Alamos National Laboratories (Greenfield, USA)

Da die MRV in der Lage ist das 3D3C Geschwindigkeitsfeld zu erfassen, können diese Messdaten als ‚CFD grade data‘ bezeichnet werden und sind besonders für die Validierung von CFD-Codes geeignet. In einer Vielzahl von gemeinsamen Projekten ist dies deshalb Gegenstand der aktuellen Forschung, z.B. mit der Framatome GmbH (Bruschewski et al. 2021).

Darüber hinaus wurden in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich und dem RWTH Aachen Methoden zur Integration von MRV Messergebnissen in Lattice-Boltzmann-Simulationen entwickelt. Durch die Vereinigung experimenteller und numerischer Verfahren auf vollständig neuartige Weise können intrinsisch validierte und hochaufgelöste Strömungsdaten gewonnen werden (Morrison et al. 2020). Um diesen Ansatz weiter verfolgen zu können wird ein gemeinsames DFG-Projekt angestrebt.

Veröffentlichungen

Validierungsdaten für die Biomedizintechnik
Vergleich zweier verschiedener kardiovaskulärer Stentdesigns mithilfe einer MRV-Messung.
Vergleich zweier verschiedener kardiovaskulärer Stentdesigns mithilfe einer MRV-Messung.

Institut für ImplantatTechnologie und Biomaterialien e.V. (Rostock)

Für die Entwicklung neuer Implantate sind experimentelle Daten zur Untersuchung und Validierung der optimierten Entwürfe unerlässlich. In einer ersten Studie wurden verschiedene kardiovaskuläre Stent-Designs bei stationärer Strömung untersucht und die Ergebnisse mit numerischen Simulationen (CFD) verglichen (Oldenburg et al. 2019). Weitere Bestrebungen zielen darauf ab die Komplexität der Experimente zu erhöhen. Gemeinsam wurde ein portabler Strömungskreislauf zur Erzeugung pulsatiler Strömungen konzeptioniert und validiert, um zukünftig auch komplexere Implantate wie Herzklappen untersuchen zu können. Diese Kooperation hat in den letzten Jahren großen Anklang insbesondere für studentische Arbeiten sowohl in der Strömungsmechanik als auch in der Biomedizintechnik gefunden.

Veröffentlichungen

Sicherheitsexperiemente nach ASTM Standard

Institut für allgemeine Elektrotechnik (Rostock)

Das Institut für allgemeine Elektrotechnik arbeitet seit vielen Jahren an der Entwicklung medizinischer Sensorik, so auch an einem MRT-sicheren Sensor zur Erfassung der Vitalfunktionen während des Messbetriebes. Für die Marktzulassung sind dabei Sicherheitsexperimente nach ASTM-Standard notwendig. Bisher wurden deshalb immer wieder aktuelle Prototypen im MRT auf ihre Eignung untersucht und die Prüfverfahren weiter ausgebaut. Mittelfristig besteht das Ziel, die Experimente auf den ASTM-Standard zu bringen und es wird eine Zertifizierung als Prüflabor angestrebt.

Mehrphasen- und Partikelströmungen
Strömungsmessungen bis zur Kavitation mittels SPI MRV und compressed sensing.
Strömungsmessungen bis zur Kavitation mittels SPI MRV und compressed sensing.

TU Delft (Niederlande)

Zusammen mit Strömungsmechanikern der TU Delft wird an MRV-Messmethoden für kavitierende und partikelbeladene Strömungen gearbeitet. In einer ersten Studie wurde untersucht, inwieweit sich eine eigens entwickelte, hochgenaue Messsequenz (SYNC SPI, Bruschewski 2019) eignet, um Strömungen bis 15 m/s zu erfassen und den Dampfgehalt einer kavitierenden Strömung zu ermitteln (John et al. 2020). Es konnte eine signifikante Verringerung der systematischen Fehler gegenüber herkömmlichen MRV-Methoden gezeigt werden, wodurch eine Erfassung verwertbarer Daten bei so hohen Geschwindigkeiten überhaupt erst möglich wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren zeichnet sich diese Methode jedoch durch wesentlich längere Messzeiten aus. Anhand der Daten wurde deshalb eine erste eigene Studie zum Einsatz moderner Abtast- und Rekonstruktionsverfahren (Compressed Sensing) durchgeführt, mit der gezeigt werden konnte, dass bis zu 70% der Messzeit eingespart werden können (John et al., 2020).

In einer weiteren, gemeinsamen Studie wird nun das Strömungsfeld in einer mit bis zu 50% beladenen Partikelströmung untersucht.

Veröffentlichungen

Optimierung von MRV-Methoden
Reynoldsspannungssmessungen am Periodic Hill Kanal.
Reynoldsspannungssmessungen am Periodic Hill Kanal.

PTB Berlin, DKFZ Heidelberg

Mit Hilfe spezialisierter MRV-Methoden ist es möglich, zusätzlich zum Geschwindigkeitsfeld weitere Parameter wie zum Beispiel das Temperaturfeld, die Beschleunigung und die stochastischen Schwankungsgrößen der Geschwindigkeit zu erfassen. In Zusammenarbeit mit den Partnern werden optimierte MRV-Methoden entwickelt und anhand experimenteller Daten aus konventionellen Methoden, zum Beispiel Laser-Doppler-Anemometrie (LDA), validiert (Bruschewski et al. 2021, Schmidt et al. 2021). Diese Messdaten sind äußerst hilfreich, um Fragen des Strömungswiderstandes, des Wärmetransports und der Mischung verschiedener Stoffe in strömungsmechanischen Maschinenkomponenten oder einer biologisch-medizinischen Strömung zu beantworten.

Veröffentlichungen

Internationale MRV Challenge
Stationäre Durchströmung eines U-förmigen Kanals für die erste MRV-Challenge.
Stationäre Durchströmung eines U-förmigen Kanals für die erste MRV-Challenge.

Stanford University (USA), U.S. Military Academy (USA), Mayo Clinic (USA), Hanyang University (Südkorea)

Das MRI Flow Lab ist seit 2019 Mitinitiator eines Wettbewerbs zur Evaluierung der MRV Messtechnik mit dem Ziel gemeinsame Standards zu schaffen. Dabei wird ein Messaufbau von Partner zu Partner geschickt und mit den jeweiligen Methoden und Geräten vor Ort unter den gleichen Randbedingungen vermessen. In der ersten Runde wurde zunächst eine stationäre Strömung in einem U-förmigen Kanal untersucht (Benson et al. 2020). Zurzeit läuft der zweite Durchgang an einem neuen Modell, bei dem die Komplexität der Messung durch eine periodische Einströmung in die Hauptströmung gesteigert wurden.

Veröffentlichungen

Strömung in porösen Medien
MRV Messungen einer Strömung durch ein poröses Medium.
MRV Messungen einer Strömung durch ein poröses Medium.

TU Wuppertal (Deutschland), University of Canterbury (Neuseeland), Framatome GmbH (Erlangen)

Da die MRV eine nicht-invasive Messtechnik ist, die außerdem keinen optischen Zugang zum Strömungsfeld benötigt, ist eine naheliegende Anwendung die Erfassung des Strömungsfeldes in porösen Medien, die mit konventionellen Messverfahren kaum realisierbar ist. Aufgrund der besonderen Eigenschaften der MRV ist es dabei nicht nötig, dass jede Pore räumlich aufgelöst wird, sondern es kann das räumlich gemittelte Geschwindigkeitsfeld innerhalb des Mediums erfasst werden. Zusammen mit den Partnern werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten und die Grenzen des Verfahrens untersucht, insbesondere im Bereich der Filtertechnik. In einem kürzlich eingereichten Projektentwurf gemeinsam mit der Framatome GmbH sollen insbesondere Methoden zur Untersuchung des Zusetzens der Filter in einem Brennelementfuß entwickelt werden.

Strömungskontrolle und Strömungskontrollaktuatoren

Tel Aviv University (Israel)

Strömungsablösungen tragen erheblich zum Fahr- und Flugverhalten von Fahrzeugen aller Art bei. Aktuell gibt es deshalb eine Vielzahl von Forschungsprojekten weltweit, die darauf fokussiert sind diese Ablösungen kontrollieren zu können. Eine Möglichkeit, die dabei intensiv untersucht wird, ist der Einsatz sogenannter Strömungsaktuatoren. Durch kleine Kanäle wird eine fluktuierende Strömung erzeugt und in die Hauptströmung gelenkt, wodurch das Ablöseverhalten verändert werden kann.

Ein Einsatz dieser Technik ist unter anderem zur Steuerung des Ablöseverhaltens an Tragflächen und Rudern von Luft- und Wasserfahrzeugen denkbar. Der Vorteil der MRV gegenüber laseroptischen Verfahren bei der Untersuchung der dadurch erzeugten Strömungsfelder besteht darin, dass in Verknüpfung mit Rapid-Prototyping-Verfahren eine Vielzahl an Konfigurationen der Strömungskontrolle innerhalb kürzester Zeit vermessen werden können. Um diesen Ansatz intensiver zu untersuchen wurde im August ein ERC-Advanced-Grant Antrag mit erheblicher Beteiligung des MRI Flow Lab eingereicht, dem eine zweijährigen gemeinsamen Betreuung eines Doktoranden am LSM voran gegangen ist.