Studentische Arbeiten

Im Rahmen des Verbundprojektes Schiffbauliche Anwendungen von Methoden zur Strömungskontrolle (SAMSON) werden verschiedene strömungsmechanische Fragestellungen untersucht. Eine Teilaufgabe ist hierbei die Optimierung der Anströmung der Schiffschraube eines Japan-Bulk-Carriers. Hierzu soll mittels aktiver Strömungskontrolle durch fluidische Oszillatoren das Ablöseverhalten der Strömung am Hinterschiff beeinflusst werden. Um dieses Prinzip optimal durchführen zu können, sind die Strömungseigenschaften der Nachlaufströmung am Schiffsmodell wie Ablöselinie, charakteristische Frequenzen und die Strömungseigenschaften der Grenzschicht von großem Interesse. Zur Ermittlung dieser Strömungseigenschaften soll ein Versuchsaufbau konzipiert und aufgebaut werden, welcher mittels eines Unterwasser-PIV-Systems die benötigten Größen mit guter Auflösung ermitteln kann.

Im Rahmen des Verbundprojektes Schiffbauliche Anwendungen von Methoden zur Strömungskontrolle (SAMSON) werden verschiedene strömungsmechanische Fragestellungen untersucht. Eine Teilaufgabe ist hierbei die Optimierung der Manövrierbarkeit eines Feuerlöschbootes. Hierzu soll mittels aktiver Strömungskontrolle durch fluidische Oszillatoren das Ablöseverhalten der Strömung am Hinterschiff beeinflusst werden. Um dieses Prinzip optimal durchführen zu können, sind die Strömungseigenschaften der Nachlaufströmung am Schiffsmodell wie Ablöselinie, charakteristische Frequenzen und die Strömungseigenschaften der Grenzschicht von großem Interesse. Zur Ermittlung dieser Strömungseigenschaften soll ein Versuchsaufbau konzipiert und aufgebaut werden, welcher mittels eines Unterwasser PIV-Systems die benötigten Größen mit guter Auflösung ermitteln kann.

Im Rahmen des Verbundprojektes Schiffbauliche Anwendungen von Methoden zur Strömungskontrolle (SAMSON) werden verschiedene strömungsmechanische Fragestellungen untersucht. Eine Teilaufgabe ist hierbei die Optimierung der Manövrierbarkeit eines Feuerlöschbootes. Hierzu soll mittels aktiver Strömungskontrolle durch fluidische Oszillatoren das Ablöseverhalten der Strömung am Hinterschiff beeinflusst werden. Um dieses Prinzip optimal durchführen zu können, sind die Strömungseigenschaften der Nachlaufströmung am Schiffsmodell wie Ablöselinie, charakteristische Frequenzen und die Strömungseigenschaften der Grenzschicht von großem Interesse. Zur Ermittlung dieser Strömungseigenschaften soll ein Versuchsaufbau konzipiert und aufgebaut werden, welcher mittels eines Unterwasser Mini-CTA-Systems die benötigten Größen mit guter zeitlicher Auflösung ermitteln kann. Weiterhin soll das offene Gerinne des LSM verwendet werden. Um genaue Messungen zu ermöglichen, muss das Messystem im Vorfeld möglichst exakt kalibriert werden. Zusätzlich sind die strömungsmechanischen Eigenschaften des Kanales sowie des Aufbaus selbst zu beachten und gegebenenfalls zu optimieren. Als Grundlage zur Optimierung der fluidischen Oszillatoren sollen charakteristische Frequenzen im Ablösegebiet und in der Anströmung der Schiffsschraube ermittelt werden und mit der Theorie verglichen werden. Im Rahmen der Möglichkeiten des Messsystems sollen weiterhin Messungen dicht an der Oberfläche des Modelles durchgeführt werden.

Im Rahmen des Verbundprojektes Schiffbauliche Anwendungen von Methoden zur Strömungskontrolle (SAMSON) werden verschiedene strömungsmechanische Fragestellungen untersucht. Ein Kerngebiet ist hierbei die aktive Strömungskontrolle am Schiffsrumpf, wobei mittels aktiver Strömungskontrolle die Schiffsgrenzschicht beeinflusst wird. Hierzu wird ein fluidischer Oszillator verwendet. Durch die Kombination aus Konstant-Temperatur-Anemometrie (CTA) mit Particle Image Velocimetry (PIV) soll dieses System untersucht werden. Das CTA-System soll dabei als Trigger-Geber für das PIV-System fungieren und so eine phasenaufgelöste Untersuchung der periodischen Strömung ermöglichen. Die Versuche werden im Schleppkanal des LSM an verschiedenen Schiffsmodellen durchgeführt.

Am Lehrstuhl Strömungsmechanik wird die Verteilung von Grundwasseraustritt in Meeresströmungen experimentell untersucht. Dabei werden die optischen Messmethoden der Particle Image Velocimetry und Laser Induced Fluorescence verwendet, um die Prozesse in der Wassersäule zu bestimmen (s. Abb. Rohmessdaten). Die Strömung im Boden ist dabei optisch nicht zugänglich und kann nicht direkt gemessen werden. Stattdessen soll diese aus den Messdaten mittels einer Modellierung des Darcy-Gesetzes bzw. Brinkman-Gesetzes (s. Abb. Darcy flow) extrapoliert werden.

Mittels MRV können innerhalb weniger Stunden umfassende zwei- und dreidimensionale Datensätze gewonnen werden, die verarbeitet und visuell aufbereitet werden müssen. Für verschiedene Anwendungsfälle von der Medizin bis zur Reaktorsicherheit stehen Messdaten zur Verfügung die im Rahmen einer Bachelorarbeit wissenschaftlich aufbereitet werden sollen.

Das ausgeschriebene Thema umfasst unter anderem:

• Literaturrecherche zu numerischen und experimentellen Vergleichsdaten des jeweiligen Anwendungsfalles
• Einarbeitung in die Datenauswertung und –verarbeitung mittels Matlab, Paraview und Bildbearbeitungssoftware zur Erstellung von aussagekräftigen Grafiken
• Auswertung und Interpretation der Ergebnisse und ggf. Vergleich mit numerischen oder experimentellen Referenzdaten

In einer Kooperation mit der Michigan State University soll der Einsatz von MRV zur indirekten Erfassung von aerodynamischen Kräften getestet werden. Hierfür soll ein vergleich mit einer 3-Komponenten-Kraftwage dienen. Das NACA Profil wird in beiden Messkonfigurationen in ein Strömungskanal eingehängt und unter identischen Strömungsbedingungen gemessen.

Das ausgeschriebene Thema umfasst unter anderem:

• eine umfangreiche Literaturrecherche zur Aerodynamik eines Tragflügels

• Einarbeitung in die Technik: MRV sowie Piezo-Kraftwagen

• Planung der beiden Messkampagnen

• Durchführung der Messkampagnen

• Auswertung

In Zusammenarbeit mit Forschern der University of Minnesota werden wir neue Konzepte für prall- und filmgekühlte Bauteile entwerfen und mit verschiedenen experimentellen und numerischen Methoden untersuchen. Die Hauptuntersuchungsmethode in Rostock ist die Magnetresonanz-tomographie. Als studentische Hilfskraft oder im Rahmen einer Abschlussarbeit könnt ihr an folgenden Themen mitarbeiten:

• Konzeption & Konstruktion
• Modellbau mit Selektiven Lasersintern und anderen Techniken
• Assistenz bei den Messungen am MRT-Scanner
• Zusammenarbeit mit Studierenden der University of Minnesota

In Zusammenarbeit mit Forschern der University of Canterbury forschen wir an den strömungsphysikalischen Eigenschaften von porösen Medien, wie beispielsweise Schwämmen, Filtern und Katalysatoren. Ähnliche Strukturen treten auch in Natur und Medizin auf. Während unsere Partner in Neuseeland die Strömung simulieren, arbeiten wir in Rostock mit der Magnetresonanztomographie. Wir bieten euch folgende Tätigkeitsfelder:

• Konzeption & Konstruktion
• Modellbau mit Selektiven Lasersintern und anderen Techniken
• Assistenz bei den Messungen am MRT-Scanner
• Zusammenarbeit mit Studierenden der University of Canterbury

Nukleare Reaktoren werden weltweit zur Sicherung der Energieversorgung eingesetzt. Trotz des deutschen Atomausstiegs, besteht weiterhin ein großes Interesse am Kompetenzerhalt auf diesem Gebiet und der weiteren Erforschung und Gewährleistung der Reaktorsicherheit. Am Lehrstuhl Strömungsmechanik wird in enger Zusammenarbeit mit einem Industriepartner der Einsatz der MRV Messtechnik zur Bereitstellung von experimentellen Validierungsdaten untersucht.

Das ausgeschriebene Thema umfasst unter anderem:

• Eine umfangreiche Literaturrecherche zu den numerischen und experimentellen Verfahren im Bereich Reaktorsicherheit
• Begleitung von Messungen und/oder numerischen Simulationen
• Auswertung der experimentellen Daten und Vergleich mit numerischen Ergebnissen unter Anwendung automatisierter „data matching“-Prozesse.

Die CFD-Validierung einer Zweiphasenströmung benötigt detaillierte Messdaten über die Geschwindigkeit und Turbulenz der kontinuierlichen Phase, sowie die Verteilung der dispersen Phase. Mittels MRV können alle Messgrößen erfasst werden ohne dabei die Strömung zu beeinflussen (nicht intrusiv).

Das ausgeschriebene Thema umfasst unter anderem:

• Eine umfangreiche Literaturrecherche zu Zweiphasenströmungen und zugehörige CFD-Benchmarks
• Konzeption und Konstruktion des Prüfstands
• Ggfls. Aufbau, Inbetriebnahme und MRV Messung

Um eine Aussage zu machen zur Qualität der MRV daten soll ein direkter Vergleich mit LDA-daten, die als Ground Truth benutzt werden, gemacht werden. Dabei soll das mittlere Geschwindigkeitsfeld sowie die Reynold'schen Spannungen ermittelt werden.

Das ausgeschriebene Thema umfasst unter anderem:

• Eine umfangreiche Literaturrecherche zu LDA und Turbulenzmessungen
• Konzeption und Planung der Messkampagne
• Durchführung der Messkampagne
• Auswertung

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

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