Finck, Markus:

Simulation von Naseninnenströmungen mit Lattice-BGK-Methoden

(2007), 114 S.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2007
Abstract:
Thema dieser Arbeit ist die Simulation der Strömung durch die menschliche Nasenhaupthöhle unter Verwendung von Lattice-Boltzmann-Methoden in der Variante Lattice-BGK (LBGK). Der Schwerpunkt liegt hierbei hauptsächlich auf der Entwicklung und Bereitstellung von Methoden, die später im klinischen Betrieb zum Einsatz kommen sollen. Die erzielten Resultate weisen gute Übereinstimmung mit parallel durchgeführten numerischen und experimentellen Untersuchungen einer anderen Arbeitsgruppe auf und bestätigten die Eignung des Verfahrens für diese Problemstellung. Neben der reinen Strömungsberechnung mit der LBGK-Methode wurden zudem weitere Transportmodelle realisiert, um die Klimatisierungs- und die Filterfunktionalität der Nase zu modellieren. Die dabei genutzten Methoden sind gut bekannt und werden in der Praxis sowohl in anderen Arbeiten zur Berechnung der Naseninnenströmung als auch in komplett abweichenden Problemstellungen verwendet. Auch hier stand zunächst die eigentliche Implementierung der Methode im Vordergrund, weniger ihre Anwendung auf eine realitätsnahe Konfiguration aus der klinischen Praxis. Insbesondere die Simulation der Filterfunktionalität mit Hilfe einer Partikel-Monte-Carlo-Simulation erwies sich als gut geeignet für diesen Zweck. Ein weiter Bereich von für die Nasenatmung relevanten Partikeln konnte damit abgedeckt werden. Experimentelle Vergleichsergebnisse aus klinischen Studien für diese Transportprozesse stehen jedoch weiterhin aus. Diese sind jedoch besonders im Zusammenhang mit Wärme- und Wasserdampftransport in der Nase unerlässlich. Besonders problematisch für die Simulation ist dabei die Formulierung der Randbedingungen, die wesentlich von der Interaktion der Luftströmung mit der Nasenschleimhaut bestimmt wird. Die Vision der Operationsplanung am Computer ("Computer aided surgery", CAS), auch unter Zuhilfenahme der Strömungssimulation, scheint dem Autor in naher Zukunft realistisch. Besonders zeitkritisch stellt sich jedoch der Iterationszyklus aus Berechnung, Geometrieänderung und Neuberechung dar. Dazu muss beispielsweise die Frage geklärt werden, wie realistisch das Strömungsproblem modelliert werden soll. Die eingesetzte Methode sollte flexibel genug sein, auf den jeweils erforderlichen Modellierungsgrad angepasst zu werden.

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