Anton Kutschker

Anton Kutschker

Otto-von-Taube-Gymnasium

 

Titel der Forschungsarbeit: Numerische Untersuchung des durch mehrere Druckpulse induzierten Blasenkollaps nahe einer Wand

Fakultät: Fakultät für Maschinenwesen

Lehrstuhl: Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik

Betreuung: Josef Winter

Abstract der Forschungsarbeit

Die Thematik dieser Arbeit ist die numerische Untersuchung von stoßwelleninduzierten Blasenkollapsen nahe einer Wand. Der Blasenkollaps ist ein auf mikroskopischer Ebene stattfindender fluidmechanischer Prozess. Hierbei wird die Blase durch die Interaktion mit einer Stoßwelle verformt bis sie vollständig kollabiert.

Durch den Kollaps entstehende große Druck-, Geschwindigkeits- und Dichteunterschied setzen große Mengen Energie frei. Diese wird  in medizinischen Methoden, wie der Schockwellenlithropsie, genutzt um Gewebe und Substanzen im menschlichen Körper zu zerstören oder pulverisieren. Beispielsweise können mit Ultraschallwellen in einem medizinischen Verfahren Nierensteine pulverisiert werden.

Daher hat sich die Untersuchung und Forschung in diesem Bereich in den letzten Jahren sehr etabliert. Es wurde vor allem mit numerischen Simulationen an Abhängigkeiten zwischen bestimmten Größen und dem allgemeinen Potential des Blasenkollapses geforscht. Die Nutzung von numerischen Simulationen im Gegensatz zu Experimenten im Labor stellt sich dabei als ein Vorteil heraus, da es bei Laborexperimenten oft zu Messstörungen durch die Messinstrumente oder andere Komponenten kommen kann. Auch sind Experimente mit einem großen Kostenaufwand verbunden.

Diese Forschungsarbeit befasst sich als Neuerung auch mit einer Modifikation des Prozesses. In den Simulationen dieser Forschungsarbeit wird ein Blasenkollaps, der durch zwei Stoßwellen induziert wird, untersucht. Dabei wird nicht nur der Blasenradius und die Stoßwellenstärke zu Beginn sondern auch der Abstand zwischen den Stoßwellen variiert, um die wirkende Kraft an der Wand und die für den Vorgang benötigte Zeit zu messen. Schließlich wurde diese Ergebnisreihe mit der des Blasenkollapses, welcher durch eine Schockwelle induziert wurde, verglichen.

Im Vergleich zwischen den Ergebnisreihen zeigen sich teilweise große Veränderungen im Mittelwert der Ergebnisse. Es liegt die Vermutung nahe, dass der Blasenradius einen optimalen Wert besitzt, welcher eine Maximierung des Drucks an der Wand erzeugt. Dieser durch den optimalen Wert entstehende Wand-Druck könnte durch das Auftreffen einer zweiten Schockwelle verstärkt werden. Diese Schlussfolgerung folgt aus den vorliegenden Daten, die für einen bestimmten Blasenradius eine große Verstärkung des Wand-Drucks im Vergleich zu anderen Blasenradien gemessen wird. Außerdem konnte durch die Messungen die Annahme aufgestellt werden, dass die Erhöhung des Drucks beider Schockwellen den Druck an der Wand erhöht. Aus den Messungen wurde auch erkenntlich, dass dieser gemessene Druck an der Wand in dem Fall eines optimalen Blasenradius größer war, als der gemessene Druck bei der Simulation mit nur einer Stoßwelle.

Von der Zeit, welche der Vorgang benötigt, ist laut den Messungen anzunehmen, dass sie vom Blasenradius und der Schockwellenstärke, aber nicht von dem Abstand zwischen den Stoßwellen abhängig ist.