Strömungssimulation in der Medizin- und Sicherheitstechnik

Viele Projekte aus diesen Bereichen wurden in Zusammenarbeit mit der Dräger AG, Lübeck durchgeführt. Es treten Fragestellungen auf, für die der Einsatz der Strömungssimulationswekzeuge sinnvoll ist. Die Entwicklungszeiten können verkürzt und Kosten reduziert werden, da z.T. der teure Prototypenbau vereinfacht werden kann oder entfällt und Parameterstudien ohne hohen Aufwand durchgeführt werden können.

Als Beispiel wird die Strömungsberechnung bei einer Atemschutzmaske näher betrachtet. Bei dem Einsatz von Atemschutzmasken ist es möglich, dass die Sichtscheibe während des Tragens beschlägt. Dieser Effekt tritt immer dann auf, wenn die Luft mit einer Fläche in Berührung kommt, deren Temperatur niedriger als die Sättigungstemperatur ist; im Fall der Maske z. B. durch ein kaltes Visier und hohe Luftfeuchtigkeit im Maskeninnenraum.

Das Beschlagen der Scheibe kann dadurch verhindert bzw. reduziert werden, indem die trockene und ungesättigte Luft aus dem Einatemvorgang zur Spülung der Scheibe benutzt wird. Es wird versucht, anhand einer Strömungssimulation eine möglichst gute Anströmung der Scheibe zu erreichen.Auf der Grundlage einer 3D CAD-Geometrie der Maske wird ein Modell für die Strömungssimulation entwickelt: siehe Abb. links.

Damit ist es möglich, in kurzer Zeit von komplexen Geometrien eine CFD-Analyse zu erstellen. Darüber hinaus lassen sich dieAuswirkungen von Änderungen direkt am Modell testen. Dabei können auch neue Teile in ein bereits bestehendes Modell eingefügt werden. Im Fall der Maske wird zuerst der tatsächlich vorhandene Zustand bei der Einatmung festgestellt.

Danach wird dann anhand konkreter Einbaumaßnahmen das Strömungsverhalten verschiedener Bauteile untersucht und in Bezug auf eine optimale Spülung der Sichtscheibe bewertet.

Als weiteres Beispiel sei die Anfeuchtung trockener Beatmungsluft durch Dampf zu nennen. Bei der Beatmung von Patienten wird die trockene und kalte Luft vom Atemluftbefeuchter erwärmt und angefeuchtet. Dies kann durch die Vermischung von heissem Dampf mit der Beatmungsluft geschehen Anhand einer Simulation wird geklärt, wie sich die Thermodynamik des Verdampferprozesses, die Strömung in der Mischkammer und die Wärmeleitung bei einer alternativen Heizung des Verdampferrohres verhalten (siehe: Paper)

Mit Hilfe der Strömungssimulation können also auch Strömungen in Verbindung mit Wärme- und Stoffaustauschvorgängen berechnet werden. Weiterhin ist es möglich, dass Verhalten von freien Oberflächenströmungen zu simulieren.

Ausgewählte Berichte

(vollständige Liste hier)

  1. Untersuchungen der transsonischen Durchströmung eines Ejektors
    M. Schrumpf, P. Schaffarczyk
    Bericht des Labors für numerische Mechanik 21, Kiel, Feb. 2001
  2. Erarbeitung, Simulation und Bewertung von Lösungsvarianten zur Vermeidung des Beschlagens der Sichtscheibe der HPS-Atemschutzmaske ohne Verwendung von Steuerventilen durch gezielte Umlenkung
    M. Schrumpf, P. Schaffarczyk
    Bericht des Labors für numerische Mechanik 20, Kiel, November 2000
  3. Numerical Investigations of Heat Exchange of dry Air with Overheated Steam.
    M. Schrumpf, P. Schaffarczyk, J. Koch
    FLUENT Anwendertreffen 2000, Bingen, 18/19 Sept. 2000
  4. Numerische Untersuchungen zu den Wärmetauschvorgängen bei der Anfeuchtung trockener Beatmungsluft durch Dampf
    M. Schrumpf, P. Schaffarczyk
    Bericht des Labors für numerische Mechanik 18, Kiel, April 2000
  5. Vergleich von Kegeln und Sieben als Strömungsvergleichmäßiger in einem Durchflußsensor einschließlich y-förmigen Anschlußstück zum Beatmungsgerät
    M. Schrumpf, P. Schaffarczyk
    Bericht des Labors für numerische Mechanik 17, Kiel, Oktober 1999
  6. Analyse strömungshomogenisierender Einbauten in Durchflußsensoren für Beatmungsgeräte
    M. Schrumpf, P. Schaffarczyk
    Bericht des Labors für numerische Mechanik 16, Kiel, April 1999