Fluid-Struktur-Interaktion in pulsierenden Strömungen nicht-Newton'scher Flüssigkeiten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Holzner, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Hämatologie, Onkologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349558021

Die Wechselwirkung zwischen dem Blutfluss und den elastischen Wänden spielt eine wichtige Rolle in der kardiovaskulären Zirkulation, da sie die Pulswellenausbreitung in den Arterien beeinflusst und die Aufrechterhaltung der Organperfusion während der Diastole unterstützt. In der Aorta beeinflussen die elastischen Wände stark die Strömungsgeschwindigkeit, Druck- und Wandschubspannungsverteilungen und können das Auftreten von Turbulenzen beeinflussen, was für die Entwicklung pathophysiologischer Zustände relevant ist. Allerdings ist selbst bei einfachen Geometrien wie flexiblen Rohren noch nicht vollständig verstanden, unter welchen Bedingungen die Kopplung von Strömung und Wandbewegung am relevantesten ist und wann sie eine Dämpfung oder Verstärkung von Strömungsstörungen und Turbulenzen bewirkt. Das Ziel dieses Projekts ist es, die Wechselwirkung zwischen Strömung und Struktur und den Übergang zu Turbulenz in pulsierender Strömung durch nachgiebige Rohre und Aortenreplikas aufzuklären. In der ersten Projektphase haben wir neuartige Methoden entwickelt, um das Verständnis von Fluss-Struktur-Wechselwirkungen in flexiblen Rohren und Aortennachbildungen zu verbessern, und wir haben einen neuen Prüfstand eingerichtet, der 3D-gedruckte Rohr- und Aortengeometrien aufnehmen kann. Die Strömung wird durch eine Kolbenpumpe mittels Präzisions-Elektrozylinder angetrieben, der einen stetigen oder pulsierenden Antrieb mit willkürlichen Wellenformen über einen weiten Bereich von Womersley- und Reynolds-Zahlen ermöglicht. Echtes Blut ist keine Newtonsche Flüssigkeit, und in Phase II schließen wir jetzt die Flüssigkeitsrheologie mit ein und wollen den Einfluss flexibler Wände auf den Übergang zur Turbulenz in nicht-Newtonschen Flüssigkeiten aufklären. Dies wird erreicht, indem die Stabilität des pulsierenden Flusses in elastischen Rohren und flexiblen Aorten untersucht wird, und wir werden nun scherverdünnende Flüssigkeiten und viskoelastische Polymerlösungen betrachten. In einem ersten Schritt werden wir den Einfluss flexibler Wände auf die Stabilität des pulsatilen Flusses von Polymerlösungen untersuchen. Dies wird Einblicke in die Synkronisationszeitskalen zwischen Strömung und Wandbewegung in einem System geben, in dem elastische Energie 'extern' (Wände) und 'intern' (Polymere) gespeichert werden kann. In einem zweiten Schritt werden wir den Übergang zur Turbulenz in flexiblen Aorten untersuchen, wobei wir auf Wandelastizität und Rheologie fokussieren, und wir werden uns auf die absteigende Aorta konzentrieren, wo der Einfluss der Einströmbedingungen nachlässt, aber andere Faktoren (flexible Wände, Pulsatilität, Rheologie) bestehen bleiben. Diese Ergebnisse werden einen umfassenden Einblick in den Ursprung von Durchblutungsstörungen in realistischen kardiovaskulären Geometrien liefern.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2688: Instabilitäten, Bifurkationen und Migration in pulsierender Strömung
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Großgeräte: High speed camera
• Gerätegruppe: 5430 Hochgeschwindigkeits-Kameras (ab 100 Bilder/Sek)
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)