Instabilitäten in pulsierenden Strömungen komplexer Fluide

Die Strömungsgeschwindigkeiten in grossen Blutgefässen (Reynoldszahl~4000) liegen in Bereichen in denen in typischen Scherströmungen Instabilitäten und Turbulenzen einsetzen. Neben der Reynoldschen Zahl hängt die Stabilität dieser Strömungen allerdings von einer Reihe anderer Parameter ab, wie z.B. der Pulsationsfrequenz, der Amplitude, den komplexen Fluideigenschaften, derFluid-Struktur-Kopplung und geometrischen Faktoren(z.B. Krümmungen, Querschnittsänderungen oder Verzweigungen). Ziel dieses Projektes ist es die Ursachen von Turbulenzen auch in solch komplizierten Situationen besser verstehen zu können. Beginnend mit dem einfacheren Fall der pulsierenden geraden Rohrströmung werden wir die Komplexität des Problems schrittweise erhöhen und somit den Einfluss der unterschiedlichen Parameter auf die Stabilität der Strömung untersuchen. Das Hauptaugenmerk liegt hier auf Frequenz und Amplitudenbereichen die in grossen Blutgefässen auftreten. Insbesondere werden wir hier die Auswirkung von geometrischen Störungen wie Krümmungen und Rohrverengungen (Stenosis) auf den Turbulenzeinsatz untersuchen. Die Strömungsstrukturen werden hier mit detailierten Messungen der Geschwindigkeitsfleder bestimmt um Einsichten in die Art der Instabilität(en) zu gewinnen. Anfangs werden diese Untersuchungen für den Fall der harmonischen Pulsation in einer Newtonschen Flüssigkeit durchgeführt. Im nächsten Schritt werden wir die Rolle von einer abrupteren Beschleunigung und Abbremsung auf die Stabilität untersuchen um dann zu einer für Strömungen in grossen Blutgefässen repräsentativen Wellenform überzugehen. bschliessend wird der Einfluss der nicht-Newtonschen Fluideigenschaften auf den Turbulenzübergang getestet. Hier kommen zuerst wässrige Polymerlösungen zum Einsatz, in denen optische Messverfahren eingesetzt werden können und später werden Vegleichsmessungen mit Tierblut durchgeführt.

Viele Strömungen in Natur und Technik haben eine periodisch pulsierende Flussrate, wie etwa das Herzkreislaufsystem oder die Atmung. Weitere Beispiele im technischen Bereich sind etwa Treibstoffeinspritzung oder peristaltische Pumpen. Für die Effizienz solcher Strömungen ist vor allem der Strömungszustand von zentraler Bedeutung, also die Frage, ob sich die Flüssigkeit geradlinig und laminar oder verwirbelt und turbulent fortbewegt. So sind Druckabfall und Pumpkosten für turbulente Strömungen um ein vielfaches höher als im laminaren Fall gleicher Flussrate. Im Herzkreislaufsystem stellen die erhöhten Fluktuationen und die stärkere Wandreibung (Wandschubspannungen) eine Ursache von Gefässerkrankungen dar. Somit sind turbulenzen beim Flüssigkeitstransport eigentlich unerwünscht, häufig aber unvermeidbar. Wann nun genau Trubulenzen auftreten und wodurch sie verursacht werden ist für periodische Strömungen weniger gut verstanden als für gleichmässig angetrieben Strömungen. Unsere Studie beschäftigt sich deshalb mit der grundlegenden Fragestellung wie die Stabilität einer Strömung durch deren Pulsation beeinflusst wird. Insbesondere konnten wir in unserer Forschungsarbeit eine bislang unbekannte Instabilität nachweisen, die schon bei unerwartet niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten zu Verwirbelungen führt. Bedingungen bei denen man bisher eigentlich von einer geradlinigen laminaren Strömung ausging. Diese Instabilität tritt an leichten Krümmungen oder Verengungen (Stenose) des Rohres auf und besteht aus einer regelmässigen, spiralförmigen Wirbelanordnung, die während der Abbremsphase anwächst und schliesslich in Turbulenz umschlägt. Während der Beschleunigungsphase relaminarisiert die Strömung allerdings wieder und somit tritt diese Art der Turbulenz periodisch. Der herkömmliche Weg in die Turbulenz, also derjenige der in Strömungen konstanter Flussrate vorherrscht, wird hingegen durch die Pulsation verzögert, wie wir für die Strömung durch ein geradliniges Rohr nachweisen konnten. Überraschenderweise stellte sich hierbei heraus, dass eine periodische Antriebsform, die derjenigen in der menschlichen Aorta nachempfunden ist, herkömmliche Turbulenzen deutlich stärker abschwächte als andere Wellenformen. Insbesondere konnten wir mit dieser Antriebsform erstmalig im Experiment nachweisen, dass ein pulsierender Antrieb energetisch effiziienter sein kann und wir somit höhere Flussraten mit weniger Energieaufwand erreichen konnten, als ein stetiger Antrieb. Neben Strömungsinstabilitäten, die im Zusammenhang mit Pulsation stehen, untersuchten wir als Teil dieses Projektes auch solche, die durch komplexe Flüssigkeitseigenschaften hervorgerufen werden. Viele alltägliche Flüssigkeiten, wie z.B. Shampoo, Blut oder solche, die langkettige Polymere enthalten haben Eigenschaften die siche deutlich von Luft oder Wasser unterscheiden. Insbesondere interesierten uns hier die elastischen (genauer viskoleastischen) Eigenschaften solcher komplexer Fluide. Diese können Instabilitäten und eine grundlegend andere Art von Turbulenz verursachen. Wie unsere Arbeit zeigte tritt in diesem Fall Turbulenz bei unerwartet niedrigen Geschwindigkeiten bzw. bei hoher Viskosität auf, also in Bereichen in denen in herkömmlichen Fluiden Störungen unmittelbar gedämpft und die Strömung somit wirbelfrei und laminar von statten geht. Erstmalig gelang es uns nun die räumliche Struktur dieser Instabilität im Experiment nachzuweisen und sie eindeutig einem kürzlich theoretisch vorhergesagten Wellentypus zuzuordnen.