Feldmann, Daniel: Eine numerische Studie zur turbulenten Bewegungsform in der oszillierenden Rohrströmung

Abstract in German:

In der vorliegenden Arbeit habe ich die turbulente Bewegungsform in der oszillierenden Rohrströmung (OR) mittels direkter numerischer Simulation(DNS) untersucht. Neben der allgemeinen wissenschaftlichen Relevanz der Thematik liegt dieser Studie vorrangig der Modellcharakter der OR für die Untersuchung der Atemgasströmung im menschlichen Bronchialbaum als Motivation zu Grunde. Dabei steht die mechanische Beatmung mittels Hochfrequenzoszillationsventilation (HFOV) im Fokus. Die Modellierung dieser Strömung unter Verwendung klinischer Daten aus der Literatur hat ergeben, dass die für die HFOV tatsächlich relevanten Reynolds-Zahlen Werte von bis zu Re = 37000 annehmen. Die HFOV ist demnach durch bis zu 26 mal größere Re charakterisiert, als sie für die ruhige Spontanatmung typisch sind. Für die praktisch relevanten Womersley-Zahlen liefert das aufgestellte Modell Werte im Bereich 0.06 < Wo < 20. In dem soidentifizierten Kennzahlbereich habe ich 21 DNS der OR durchgeführt, die Folgendes gezeigt haben: In Abhängigkeit von Re und Wo stellt sich entweder eine laminare oder eine bedingt turbulente Bewegungsform ein. In einem speziellen Fall resultiert aufgrund einer Hysterese eine asymmetrische Mischform aus beiden Strömungen, welche sich durch eine Variation der verwendeten Randbedingung unterdrücken lässt. Die turbulente Bewegungsform ist in der OR im Allgemeinen durch eine wiederholte Dämpfung, Anfachung und Umverteilung von lokalen Fluktuationen in der Strömung gekennzeichnet. Zu welcher Phase und an welchem Ort diese Vorgänge stattfinden, hängt ebenfalls von der Wahl der charakteristischen Kennzahlen und teilweise von deren Quotienten ab. Die Analyse der phasengemittelten Strömungsfelder hat gezeigt, dass die turbulente Bewegung in der OR sowohl Ähnlichkeiten als auch deutliche Unterschiede zur voll entwickelten turbulenten Strömung aufweist. Der Vergleich der DNS-Daten mit theoretischen Vorhersagen für die laminare OR hat ergeben, dass die einsetzende Turbulenz deutliche Einflüsse auf die oszillierende Strömung ausübt. Typische Effekte der laminaren OR treten in den phasengemittelten Größen aufgrund der turbulenten Durchmischung nur in abgeschwächter Form auf. Die Auswertung integraler Größen hat gezeigt, dass die einsetzende Turbulenz in einigen Fällen eine Erhöhung des Durchflusses um bis zu 5% bei gleichzeitig bis zu 14% geringeren Schubspannungen bewirkt.