Das BFM-Labor bietet Zugriff auf einen eigenen Gerätepool, Softwaretools sowie geschultes Analyse- und Bedienpersonal.
Bei der Laser-Doppler-Anemometry (LDA) handelt es sich um ein optisches, nicht-invasives Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides in einem Punkt. Das System nutzt dabei einen Laserstrahl, der durch einen Strahlteiler in zwei Strahlen aufgeteilt wird. Diese Strahlen treffen sich im Messpunkt, wodurch ein Interferenszstreifenmuster im Kreuzungspunkt entsteht. Partikel, die sich mit dem Fluid durch das Streifenmsuter bewegen generieren dabei ein Streulichtsignal, dessen Frequenz proportional zur Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu den Interferenzstreifen ist. Dieses Streulichtsignal ist eine Schwebung zwischen dem unterschiedlich dopplerverschobenen Streulicht beider Laserstrahlen und kann mit Photodetektoren gemessen werden.
Das Labor verwendet aktuell das System Dantec Flow Explorer. Diese nutzt zwei unterschiedliche Wellenlängen zur Bestimmung von zwei Komponenten der Strömung, horizontal und vertikal zur Detektorausrichtung.
Kurzbeschreibung
Für die berührungslose, optische Messung von Strömungsfeldern in transparenten Geometrien oder der Umströmung in transparenten Medien verwendet das Lehr- und Forschungsgebiet Biofluidmechanik das Messverfahren der Particle Image Velocimetry. Das Ausrüstungssetup umfasst hierbei einen Satz von drei Kameras, wodurch es möglich ist nicht nur planare Strömungsfelder zu messen, sondern auch die sogenannte Tomographic Particle Image Velocimetry (Tomo-PIV) anzuwenden. Hierbei werden die Kameras im Raum so angeordnet, dass ein Messvolumen aufgenommen werden kann. Durch das Einbringen von Partikeln ist es im Anschluss daran möglich die Strömung im Messvolumen sichtbar zu machen. Für die entsprechend notwendige energiereiche Beleuchtung wird ein Lasersystem verwendet, das in der Lage ist, sowohl Lichtschnitte aufzuspannen als auch ganze Volumina zu beleuchten.
Um die Strömung in und um Geometrien adäquat und ohne verfälschende Messsonden messen zu können wird im Lehr- und Forschungsgebiet Biofluidmechanik verstärkt auf optische Messtechnik zurückgegriffen, vornehmlich hierbei auf die Particle Image Velocimetry. Diese bietet neben dem Vorteil, die zu messende Strömung in geringem Maße zu verfälschen auch die Möglichkeit mit begrenzten Mitteln ganze Strömungsfelder bestimmen zu können. Hierzu wird die Strömung zu zwei definierten Zeitpunkten in einer Aufnahme detektiert. Anschließend werden die in der Strömung sichtbaren Partikelagglomerationen auf den Partikeln miteinander verglichen und deren Versatz ermittelt. Da der zeitliche Versatz der beiden Bilder bekannt ist lässt sich somit auch eine Aussage über die im Messfeld vorhanden Geschwindigkeit treffen.
Bei der Tomographic Particle Image Velocimetry (Tomo-PIV) werden die erzeugten Bilder des Messbereichs zu einem Volumen tomographisch rekonstruiert. Der anschließende räumliche Vergleich der beiden Volumina läuft ähnlich wie bei der regulären PIV ab, jedoch in diesem Falle in allen Raumrichtungen. Somit können 3-dimensionale Vektorfelder erzeugt werden.
Da besonders bei großen Messvolumina eine starke Lichtquelle zur Beleuchtung der einzelnen Partikel notwendig ist wird im Lehr- und Forschungsgebiet Biofluidmechanik auf Lasertechnik zurückgegriffen. Die Nutzung dieser Monochromatischen Lichtquelle begünstigt auch die Nutzung von fluoreszierenden Partikeln, da mit entsprechender Filtertechnik die Beleuchtungslichtfrequenz des Lasers blockiert und die Emissionslichtfrequenz der Partikel durchgelassen wird. Dadurch wird verhindert, dass über Reflexionen an Kanten, Blasen, etc. energiereiche Strahlung auf den Kamerachip trifft und diesen somit zerstören kann. Fluoreszenzpartikel emittieren in der Regel keine energiereiche Strahlung, die den Kamerachip beschädigen oder zerstören kann.
Für die Messungen im Lehr- und Forschungsgebiet Biofluidmechanik werden die Kameras Imager X2 pro von LaVision verwendet. Als Beleuchtungssystem wird von Quantel ein Doppelpulslaser vom Typ Evergreen 200 verwendet. Als Software für Aufnahme und Auswertung wird DaVis von LaVison eingesetzt.
Kurzbeschreibung
Für die Geschwindigkeitsmessung in kleinen, optisch zugänglichen Messkörpern steht im Lehr- und Forschungsgebiet Biofluidmechanik ein Mikroskopsystem zur Verfügung, das in der Lage ist stereoskopische Particle Image Velocimetry ( Stereo- PIV) Messungen. Aufgrund der sehr kleinen Abmessungen der Probengeometrie und Partikel wird das Verfahren als Mikro-PIV bezeichnet.
Das im Lehr- und Forschungsgebiet Biofluidmechanik vorhandene Stereomikroskop ist mit einem zusätzlichen optischen Zugang je Strahlengang ausgestattet, die das Einkoppeln von Kameras erlaubt. Zusätzlich verfügt das Mikroskop über eine seitliche Lasereinkopplung mit Revolvermagazin. Das Revolvermagazin beinhaltet die Filterblöcke, deren Aufgaben die Strahlteilung des eingekoppelten Laserstrahls, die Umlenkung der Teilstrahlen in Probenrichtung auf den Arbeitstisch und die Filterung der von der Probe reflektierten Strahlung in Okkularrichtung ist. Die Filterung Okkularrichtung ist aufgrund der energetisch hohen Strahlung zum Schutz der Augen notwendig.
Im Einzelnen kommen im Lehr- und Forschungsgebiet Biofluidmechanik folgende Komponenten zum Einsatz. Als Stereomikroskop wird das SteREO Discovery.V20 von Zeiss verwendet. Die Laserbeleuchtung wird durch ein EverGreen 200 von Quantel bereitgestellt. Zur Aufnahme der Bilder werden zwei Kameras vom Typ Imager Pro X2 von LaVision genutzt. Die für Aufnahme und Auswertung genutzte Software DaVis 10 wird ebenfalls von LaVision geliefert.
Neben der experimentellen Untersuchung strömungsmechanischer Phänomene werden im Lehr- und Forschungsgebiet auch Fragestellungen numerisch untersucht. Hierzu wird gängige kommerzielle Software, wie etwa ANSYS Fluent verwendet, als auch Forschungscodes von Kooperationspartnern und Open Source Codes.
Bei Fluent handelt es sich um eine Strömungssimulationssoftware von Ansys Inc. Dies stellt aktuell das strömungsmechanische Arbeitspferd des Labores dar. Die Software erlaubt die Berechnung von stationären und instationären Strömungen mit einer breiten Auswahl an RANS-Solvern, sowie Large-Eddy-Simulation-Solver.
Matlab ist eine Programmierplattform von Mathworks, welche speziell auf die Bedürnisse von Ingenieuren und Wissenschaftlern zugeschnitten ist und als Analyse und Entwicklungsplattform dient. Der Kern von Matlab ist die Matrizen-basierte Sprache.
Bei Python handelt es sich um eine Mehrzweck-Programmiersprache. Im Labor Biofluidmechanik wird die Software für die Datenanalyse als Ergänzung zu Matlab eingesetzt.
THETA ist ein Forschungscode des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Dieser Code stellt eine Erweiterung des TAU-Codes dar, welcher ebenfalls vom DLR entwickelt wurde. Es handelt sich bei THETA um einen Solver, mit dem inkompressible, nichtstrukturierte Berechnungen durchgeführt werden können.
Bei der Software Centaur von Centaursoft handelt es sich um ein Programm zur Vernetzung von Geometrien. Centaur bietet die Möglichkeit pseudostrukturierte Netze zu generieren. Diese verbinden die Vorteile von strukturierten und unstrukturierten Netzen.
Zusätzlich zu den obenstehenden Programmen wird eine vielzahl von weiteren Programmen verwendet, wie z.B. lung4cer, SimVascular, uvm. verwendet
Um optisch dichte Proben vermessen zu können verfügt das Labor Biofluidmechanik über den Zugriff auf einen Micro-Computertomographen vom Typ GE V|TOME|X S 240. Bei diesem bildgebenden Verfahren wird eine Probe mit einer punktförmigen Röntgenquelle bestrahlt. Die Intensität der Strahlung nimmt dabei abhängig von Materialstärke und -typ ab. An der sich nach dem Probenkörper befindenden Detektor kann dann die verbleibende, transmittierte Strahlung gemessen werden. Durch schrittweises Drehen der Probe zwischen den einzelnen Beleuchtungsschritten kann die Probe aus beliebig vielen Lagen vermessen werden. Aus den erzeugten einzelnen Bildern lässt sich durch tomographische Rekonstruktion die gesamte Probe rekonstruieren und somit dreidimensional Untersuchen.
Die Ostbayerische Technische Hochschule besitzt ein Micro-Computertomographiesystem V|TOME|X S 240 von GE. In diesem Gerät sind zwei Röntgenröhren als Strahlungsquellen verbaut. Mit der Direktstrahlröntgenröhre können Spannungen von 240kV genutzt werden, die erreichbare Detailerkennbarkeit liegt je nach Geometrie bei weniger als 1µm. Mit der ebenfalls verbauten Transmissionsröntgenröhre können Spannungen von 180kV genutzt werden. Hier liegt die geometrieabhängige Detailerkennbarkeit bei ca. 0,4 µm. Zusätzlich lässt sich erreicht das Micro-CT eine 2-fache geometrische Vergrößerung, sowie eine 20-fache totale Vergrößerung.
Kurzbeschreibung
Das Lehr- und Forschungsgebiet Biofluidmechanik verfügt über ein spezielles Pumpensystem zur Simulation von Atemzyklen und Herzschlag. Dieses System besteht aus einer Speicherprogrammierbaren Steuerung, welche Steuerungsbefehle an Linearmotoren weitergibt. Diese Linearmotoren sind an Druckluftzylinder gekoppelt, welche dann als Quelle für verschiedenste Volumenstromkurven dient.
Detailbeschreibung
Um verschiedenste Fluidsysteme zu simulieren wurde im Lehr- und Forschungsgebiet Biofluidmechanik ein Pumpensystem etabliert, das in der Lage ist, verschiedene Atemzyklen und Herzschlagszenarien zu simulieren. Dieses System besteht aus zwei Zylindern, welche je über einen Linearmotor verfahren werden. Durch eine nachgeschaltete Ventilkombination kann ein kontinuierlicher Volumenstrom realisiert werden. Für die Simulation der Lungentätigkeit werden die Kolben synchron verfahren.
Das System wurde mit Pneumatikzylindern der Firma Riegler realisiert. Diese werden durch Linearmotoren der Firma Linmot verfahren. Die Ansteuerung der Linearmotoren erfolgt mit einer Steuerung von Beckhoff auf Basis von TwinCAT. Die Ventilkombination wurde mit Magnetventilen von Sirai realisiert.
Kurzbeschreibung
Das Labor verfügt über ein Rotationsviskosimeter des Typen DHR 20 von TA Instruments / Waters. Mit diesem Rotationsviskosimeter lassen sich die rheologischen Eigenschaften von Probenkörpern über einen weiten Messbereich bestimmen. Das Labor Biofluidmechanik verfügt zur Messung über eine Vielzahl von Geometrien und Anbaumöglichkeiten zur Analyse über die rheometereigene Software, sowie externe Auswertungskonzepte.