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Experimental analysis of oscillating Newtonian and non-Newtonian flow in elastic vessels = Experimentelle Untersuchung der oszillierenden Newtonschen und nicht-Newtonschen Strömung in elastischen Gefäßen
2022
Dissertation, RWTH Aachen University, 2021
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-12-17
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind eine der häufigsten Todesursachen in hochindustrialisierten Ländern als auch in Entwicklungs- und Schwellenländern. Sie stehen im engen Zusammenhang mit den Strömungsbedingungen in den elastischen Blutgefäßen. Um ein besseres Verständnis der komplexen Strömung in Arterien zu erhalten, ist es notwendig, die Fluid-Struktur Interaktion (FSI) zwischen dem zeitabhängigen Geschwindigkeitsfeld, dem nicht-Newtonschen Fluid und dem elastischen Blutgefäß zu analysieren und den Verlauf der Wandschubspannung (WSS) zu untersuchen, der sich im elastischen Gefäß während eines Oszillationszyklus entwickelt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der viskoelastischen Fluideigenschaften auf die FSI und die WSS eines geraden elastischen Gefäßes zu quantifizieren, indem die oszillierende Strömung eines Newtonschen Referenzfluids und eines nicht-Newtonschen Fluids analysiert wird. Anders als in Womersleys Analysen wird in dieser Studie ein elastisches Gefäß endlicher Länge mit einem nicht-Newtonschen Fluid untersucht. Darüber hinaus werden quantitative Vergleichsdaten für numerische FSI-Methoden bereitgestellt. Zeitaufgelöste Particle-Image-Velocimetry, statische Druckmessungen und Wanderkennung werden verwendet, um das Geschwindigkeitsfeld, die Druckverteilung und die Gefäßdilatation mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu messen. Die mechanischen Eigenschaften des Gefäßmaterials werden durch Zugversuche bestimmt. Das Silikonelastomer weist eine stark nichtlineare Spannungs- Dehnungskurve mit einem hysteretischen Verhalten für hohe Dehnungswerte auf. Zeitabhängige Materialeigenschaften werden durch eine dynamisch-mechanische Analyse bei verschiedenen Frequenzen bestimmt. Die Elastizität des Gefäßmaterials liegt etwa eine Größenordnung höher als das viskose Verhalten. Die Viskositäten des brechungsindexangepassten Newtonschen und nicht-Newtonschen Fluids werden durch Rheometermessungen bestimmt. Die scheinbare Viskosität des Newtonschen Fluids entspricht dem asymptotischen Wert von menschlichem Blut bei hohen Scherraten. Über einen weiten Scherratenbereich spiegelt das nicht-Newtonsche Fluid das qualitative rheologische Verhalten von echtem Blut wider. Die FSI wird für eine sinusförmige oszillierende Strömung in einem Reynolds Zahlenbereich von 472 ≤ ReNF ≤ 971 und 503 ≤ ReNNF ≤ 1065 für das Newtonsche Referenzfluid und das nicht-Newtonsche Fluid gemessen. Der Bereich der Womersley-Zahl beträgt 5, 97 ≤ WoNF ≤ 8, 53 für das Newtonsche Referenzfluid und 6, 14 ≤ W oNNF ≤ 8, 79 für das nicht-Newtonsche Fluid. Die Ergebnisse zeigen, dass die maximale WSS für das nicht-Newtonsche Fluid auf bis zu 32 %–38 % steigt, obwohl die Scherrate an der Wand für das Newtonsche Referenzfluid um 10 %–45 % höher ist. Außerdem sind die Amplituden der Dilatation und des Drucks im Gefäß für das nicht-Newtonsche Fluid stärker ausgeprägt. Die lokale Schubspannungsverteilung des nicht-Newtonschen Fluids ist im Vergleich zum Newtonschen Fluid aufgrund der lokal veränderlichen Viskosität lokal stärker ausgeprägt.Cardiovascular diseases represent one of the leading causes of death in highly industrialized countries as well as in developing and emerging economies. They are closely related to the flow conditions in the elastic blood vessels. To better understand the complex flow in arteries it is necessary to analyze the fluid-structure interaction (FSI) between the time-dependent velocity field, the non-Newtonian fluid, and the elastic blood vessels and to investigate the wall-shear stress (WSS) distribution that develops in the elastic vessel during an oscillation cycle. The scope of this thesis is to quantify the influence of the viscoelastic fluid properties on the FSI and the WSS of a straight elastic vessel by analyzing oscillatory flow of both a Newtonian reference fluid and a non-Newtonian fluid. Unlike in Womersley’s analyses, an elastic vessel of finite length with a non-Newtonian fluid is investigated in this study. Furthermore, quantitative benchmark data for numerical FSI methods are provided. Time-resolved particle-image velocimetry, static pressure measurements, and wall detection are used to measure the velocity field, the pressure distribution, and the vessel dilatation with high temporal and spatial resolution. The mechanical properties of the vessel material are determined by tensile tests. The silicone elastomer exhibits a strong non-linear stress-strain distribution with a hysteretic behavior for higher strain values. Time-dependent material properties are determined by a dynamic mechanical analysis at several frequencies. The elasticity of the vessel material is about one order of magnitude higher than the viscous behavior. Rheometer measurements are conducted to determine the viscosities of the Newtonian and the non-Newtonian refractive-index matched fluids. The apparent viscosity of the Newtonian fluid matches the asymptotic value of human blood at high shear rates. Over a wide range of shear rates, the non-Newtonian fluid reflects the qualitative rheological behavior of real blood. The FSI is measured for a sinusoidal oscillating flow in a Reynolds number range 472 ≤ ReNF ≤ 971 and 503 ≤ ReNNF ≤ 1065 for the Newtonian reference fluid and the non-Newtonian fluid. The Womersley number range is 5.97 ≤ W oNF ≤ 8.53 for the Newtonian reference fluid and 6.14 ≤ WoNNF ≤ 8.79 for the non-Newtonian fluid. The results show that the WSS maximum increases up to 32 %–38 % for the non-Newtonian fluid despite a 10 %–45 % higher wall-shear rate for the Newtonian reference fluid. Furthermore, the amplitudes of the dilatation and the pressure in the vessel are more pronounced for the non-Newtonian fluid. The local shear stress distribution of the non-Newtonian fluid is locally more pronounced compared to the Newtonian fluid due to the locally varying viscosity.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021206915
Interne Identnummern
RWTH-2022-00725
Datensatz-ID: 838732
Beteiligte Länder
Germany
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