Untersuchung der Strömung in der aufsteigenden Aorta mit Dissektion

Dissektion der Aorta ascendance erweist sich seit vielen Jahren als Gegenstand der klinischen Forschung. Da die Thoraxchirurgie große Fortschritte macht, und neue Behandlungsmethoden prüft, müssen auch die Strömungsverhältnisse in der Aorta untersucht werden. Diese Studie hat die Simulation und Visualisierung der Strömungsverhältnisse zum Ziel, wobei experimentelle und numerische Verfahren verwendet werden …mehr

Modeling and numerical simulation multiphase flow induced by aortic cannulas

There is still a lack of quantitative information concerning optimal blood flow in the aorta and in the carotid arteries during extracorporeal circulation (ECC). Problems are not only based on the location of the aortic cannula, they are furthermore associated with the cannula design itself and the effects on blood cells and aortic wall shear stresses. We simulated a two-phase fluid flow induced by different cannulas in the ascending aorta during ECC. Three commercially available cannulas (s. picture) have been examined according to their influence on red blood cells (RBC). Additionally, mass flow in the carotid vessels and wall shear stresses acting on the aortic wall were evaluated. A constant volume flow of blood (3.4 L/min) was applied. Numerical results demonstrate a strong relation of mass flow rate in the carotid vessels depending on the geometry of the aortic outflow cannula. RBC distributions both in the aorta and the carotid vessels changed depending on the cannula geometry. Maximum blood velocities, shear stresses on the aortic wall, and the fluid mechanical load acting on RBCs varied depending on each cannula design. This numerical approach demonstrates the significant influence of the cannula design on the distribution of RBC in the carotid vessels during ECC. In cooperation with: Department of Thoracic and Cardiovascular Surgery West-German Heart Center Essen, University Hospital Essen.

In order to optimize blood flow in an aorta, improve the blood distribution in the carotid vessels and minimize fluid dynamic loads acting on RBCs a novel aortic cannula was developed. According to this innovation a patent application has been submitted.

Modeling and numerical simulation of bileaflet mechanical heart valve prosthesis

In this project, the blood flow fields induced by different bileaflet mechanical heart valve prostheses are studied. The aorta models considered in this work include four different bileaflet mechanical heart valves with three different types of leaflets, i.e. straight leaflet, upwards curved leaflet and centering curved leaflets; two of the valves have the centering curved leaflet with different levels of bending. The blood is defined as a multiphase non-Newtonian fluid that consists of plasma and red blood cells. The simulation is carried out using a quasi-dynamic procedure. Seven different opening angles are applied for one complete systole and diastole cycle. The numerical results reveal a significant influence of the heart valve geometry on hemodynamics, wall shear stresses and fluid mechanical loads acting on red blood cells.
In cooperation with: Department of Thoracic and Cardiovascular Surgery West-German Heart Center Essen, University Hospital Essen.

In vitro investigation of blood flow in an artificial aortic arch

Using Particle Image Velocimetry (PIV) in vitro, investigations of blood flow in an artificial aortic arch are carried out. The measurements are performed for different flexible models of aorta. The aim of this study is to analyse the velocity distribution of blood induced by aortic dissections and heart valve prostheses. The applied measuring system consists of a complete 3D PIV device based on a double pulsed Nd:YAG Laser, CCD camera Flow Master 3 and light sheet optics with focus length f = -10 mm. The data capture and the evaluation of images are realized with a special software package DaVis 7.1. Glass hollow spheres with density of 1.1 g/cm3 and diameter of 4 – 21 µm are used as tracer particles. In cooperation with: Department of Thoracic and Cardiovascular Surgery West-German Heart Center Essen, University Hospital Essen.

Fluid-dynamical and physico-chemical aspects of capillary membrane backwashing (BaCaMe)

The application of membrane filtration with Inside-Out Dead-End driven UF-/ MF- capillary membranes increases in water treatment exponentially. Thereby the required backwash process, which still is a widely unexplored field, has a high potential to enhance the efficiency of the filtration process. In order to optimize the backwash process, which should also minimize irreversible membrane fouling, an improved fundamental comprehension of the mechanisms, which are relevant for the detachment and transport-out of particles and fouling layers from Inside-Out Dead-End driven capillary membranes, is necessary. For a systematic elucidation of these mechanisms as well filtration (target-oriented build-up of fouling layers) and backwash experiments will be performed under defined operation conditions with especially designed laboratory plants. The obtained results (which parts from the fouling layer will detach under what conditions and from which zone of the capillary membrane) will be used as process parameters for a CFD supported numerical simulation of multiphase flow in capillary membranes. The multiphase flow modelling bases on the Euler-Euler method considering the most important forces acting on non-Brownian particles. Additionally, hydrodynamic wall effects, particle interactions (collisions and agglomeration) as well was porosity of particle collectives will be regarded. The attained knowledge of backwash mechanisms will be applied to develop optimized backwash conditions with regard to different geometries of the capillary. The optimized backwash modes will be verified using an automated commercial membrane system for long-term experiments.

Modeling and numerical simulation of multiphase flow in shear flow bioreactor

To investigate biofluid mechanical phenomena and aggregation processes in bioreactors and optimize the performance and of wastewater treatment plants, modeling and numerical simulations of physical processes are carried out. Several aspects govern this evolving technology and have not been completely resolved so far. The fluid mechanical investigations of multiphase flow provide an insight in the granulation process and the hydrodynamic forces acting on the particles in these reactors. The current project is concerned with studying the factors influencing granule formulation and destruction with respect to different methods of mechanical load generation, i.e. rotating inner cylinder (see Fig.). The numerical simulations are performed with the open source code OpenFOAM 1.6. …more (Video)

Multiphase flow and collision of droplets

The interactions between different phases of multiphase fluids play a crucial role in many technical and biological processes. To contribute to a better understanding of such processes, several modeling and numerical simulations of multiphase flow are carried out. In this project, the Eulerian-Eulerian approach is applied to investigate a two phase flow in a channel. Hereby, a collision of two droplets immersed in an incompressible fluid is simulated. The behavior of the droplets is analyzed according to different boundary conditions and material properties of the droplets, e.g. viscosity and surface tension. …more (Video)

REINER: Steigerung der Energieeffizienz in Wassernetzen durch neue Beurteilungstools und optimierte Reinigung

Trinkwasser muss hohen Anforderungen genügen und darf keine gesundheitlichen Beeinträchtigungen beim Verbraucher verursachen. Deshalb stand bei der Reinigung von Rohrleitungen bisher fast ausschließlich der hygienische Aspekt im Vordergrund. Alterungsbedingte Ablagerungen beeinflussen allerdings auch massiv die hydraulischen Verhältnisse der Wasserverteilung, da durch die Querschnittsverjüngung der Rohre der Druckverlust und somit die erforderliche Pumpenleistung deutlich ansteigt.

Deshalb rückt das Projekt REINER in Zusammenarbeit mit der Hammann GmbH und der  Rheinisch-Westfälische Wasserwerksgesellschaft mbH die Steigerung der Energieeffizienz durch entsprechende Reinigungsmaßnahmen in den Fokus. Durch neuartige Berechnungsansätze sollen Aussagen zum hydraulischen Zustand der Rohrleitung vor und nach dem Impuls-Spülverfahren COMPREX® getroffen werden. So lassen sich die Reinigungsleistung und die daraus resultierende Energieeinsparung quantifizieren. Zudem soll die Steuerung des Verfahrens mit Hilfe von praktischen Experimenten und numerischen Simulationen optimiert und dadurch die Reinigungsleistung signifikant erhöht werden. Der Einsatz numerischer Simulationssoftware ermöglicht dabei eine hochauflösende Darstellung der mehrphasigen Reinigungsprozesse innerhalb der Rohrleitung. Das bietet gerade im Hinblick auf die hochdynamischen Reinigungsvorgänge den Vorteil, relevante Kenngrößen der Strömung orts- und zeitunabhängig analysieren zu können. Darüber hinaus lassen sich, ergänzend zu den Experimenten an der Versuchsanlage, weitreichende Parameterstudien hinsichtlich der Reinigungseffizienz, auch in Anbetracht der im Rohrleitungsabschnitt verbauten Regelarmaturen durchführen.

Fachartikel energie / wasser-praxis 11-2016

Fachartikel energie / wasser-praxis 12-2018

Hinweis: Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme „KMU-innovativ: Ressourcen- und Energieeffizienz“ im Technologie- und Anwendungsbereich „Nachhaltiges Wassermanagement (NaWaM)“

Veränderungen von Druckfarben in Offsetdruckereien

Die Bindemittel von Druckfarben sind im Regelfall modifizierte Naturstoffe bzw. Baumharze. Es ist zu erwarten, dass sich bei hohen Scherkräften die Bindemittel in den Druckfarben verändern. Diese Veränderungen sind in der Vergangenheit mit hoher Wahrscheinlichkeit bereits bei der Produktion von Druckfarben mit Dreiwalzenstühlen erfolgt. Die aktuell verwendete Produktionstechnologie, die auf den Dreiwalzenstuhl verzichtet, bietet deutliche Vorteile beim Energieeinsatz und in der Produktivität. Hohe Scherkräfte wirken deshalb jetzt erst in der Druckmaschine bzw. in den Pumpensystemen in der Druckerei auf die Bindemittel einer Druckfarbe ein. Das sind Scherbelastungen durch changierende und mit Schlupf arbeitende Walzen, Druckbelastungen über die Pressung der verschiedenen Walzen und Zylinder sowie Krafteinträge durch Abreißen der Druckfarbe und die Farbspaltung während des Druckens. Damit kann sich jetzt die Druckfarbe innerhalb der Druckereien verändern. Aktuelle Forschungsergebnisse eines neuen Fachgebiets der Polymerforschung (Mechanopolymerchemie) deuten darauf hin, dass Polymere unter Scherbelastungen zu einer Kettenlängenverkürzung neigen. Ziel des Projekts ist es, den Grad der Farbveränderungen in den Druckmaschinen mittels CFD und Analytische Methoden zu untersuchen und die Auswirkungen dieser Veränderungen auf drucktechnische Toleranzen zu bewerten.​

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Hydrodynamische Steuerung wechselwirkender Foulingmechanismen bei der Wasseraufbereitung mittels Umkehrosmose

ouling wird allgemein als die Hauptursache für den dauerhaften Leistungsverlust bei der Membranfiltration mittels Umkehrosmose (UO) angesehen. Das Ausmaß und die Auswirkungen von Fouling sind jedoch nicht für alle Filtrationssituationen identisch stark ausgeprägt, sondern sind von einer Vielzahl unterschiedlicher Einflüsse abhängig, welche die spezifischen physiko-chemischen Eigenschaften der Foulingschichten bestimmen. Dadurch werden die jeweils wirkenden Foulingmechanismen, welche ursächlich für den Leistungsverlust eines Filtrationssystems verantwortlich sind, beeinflusst. Die Verschiedenartigkeit der beobachteten Foulingtypen und der entsprechend unterschiedlich wirksamen Foulingmechanismen erschwert die Entwicklung allgemein gültiger Anti-Fouling-Strategien. Um diesbezüglich Fortschritte wird ermittelt, welche Foulingmechanismen bei gegebener Feedwasserqualität die potentiell größte Bedeutung für den Filtrationsprozess besitzen und wie diese speziell durch hydrodynamische Einflüsse zu kontrollieren sind und die Filtrationsleistung damit auch langfristig optimiert werden kann. Ziel der in Aussicht genommenen systematischen Untersuchungen ist es daher, mit einer Kombination aus CFD-gestützter Modelltheorie und definierten Laborexperimenten aufzuklären, unter welchen UO-Filtrationsbedingungen sich welche Typen von Membranfouling entwickeln, welche Auswirkungen diese auf den Filtrationsprozess haben und in welcher Weise sich die entsprechend zu Grunde liegenden Foulingmechanismen durch gezielte Änderung der hydrodynamischen Filtrationsbedingungen minimieren oder eventuell ganz vermeiden lassen.

Molecular dynamics simulations of two-phase systems

Fluid flow phenomena, which occur in very small scales, cannot be described by the laws of continuum mechanics (Kn > 0.1). In such cases, the behavior of the fluid during the flow around an obstacle or during the mixing of two phases can be simulated using molecular dynamics (MD). In this study, the molecular dynamics simulator LAMMPS was applied to calculate some 2D and 3D two-phase flows and mixing phenomena. Particle ensembles consisting of 0.2−0.6×10⁶ particles were simulated. Both substances are superimposed Lennard-Jones particle systems that mixed under artificial gravity environment. The mixing of both substances has been investigated considering different density ratio, particle diameter and temperature.

MoNNitor: Entwicklung eines Reinigungsverfahrens basierend auf nichtnewtonschen Fluiden und robustem Monitoring

Bei der mechanischen Reinigung von Rohrleitungen und industriellen Anlagen im Rahmen der patentierten COMPREX® Technologie liegen mehrphasige Stoffsysteme mit stark turbulenten Strömungen vor. Hierfür existieren keine geeigneten Messverfahren zur Erfassung der Stoffeigenschaften. Eine Quantifizierung der für den Reinigungserfolg relevanten Messgrößen, beispielsweise der Trübung, ist derzeit nicht möglich. Deshalb ist es Ziel des Projektes MoNNitor zusammen mit der Hammann GmbH ein Trübungsmessgerät zu entwickeln, was neben den stofflichen, auch die Herausforderungen des täglichen Praxiseinsatzes meistern kann. Eine Kombination von optischen und schwingungsbasierten Messverfahren ist hier ein vielversprechender Ansatz.

In Wärmeübertragern und Apparaten liegen häufig komplexe Geometrien und Strömungsverhältnisse vor, weshalb das auf dem Luft-Wasser-System basierte Reinigungsverfahren erweitert werden soll. Eine Lösung könnten „intelligente“ Reinigungsfluide mit steuerbaren Stoffeigenschaften darstellen. Diese nichtnewtonschen Fluide weisen ein nichtlineares Verhalten ihrer Stoffeigenschaften auf und können so die Reinigungsleistung an schwer zugänglichen Stellen erhöhen. Deshalb sollen im Laufe des Projektes verschiedene nichtnewtonsche Fluide analysiert werden, um ein optimales Verhältnis aus Fließfähigkeit und Reinigungswirkung zu finden. Um die Tauglichkeit der Fluide zu prüfen, werden in enger Absprache mit dem Projektpartner hochauflösende numerische Simulationen sowie Experimente mit Hilfe eines Modellkreislaufes durchgeführt.

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Quelle: Hammann GmbH