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Magnetic Resonance Velocimetry for Unsteady Flows

Freudenhammer, Daniel Kim :
Magnetic Resonance Velocimetry for Unsteady Flows.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Magnetic Resonance Velocimetry for Unsteady Flows
Language: English
Abstract:

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is an established tool for clinical diagnostics. The measurement technique can be used to measure blood flow, then denoted Flow MRI or Magnetic Resonance Velocimetry (MRV). MRV has in recent years also found increasing consideration in the field of fluid mechanics, where it is esteemed for its unique capabilities of measuring fully volumetric velocity fields without the need for optical access and without manipulating the flow under investigation. MRV is typically used for the acquisition of mean velocity fields in water flows. This study deals with the possibility of acquiring velocity fields in steady, unsteady and turbulent flows. Besides the application of the different MR techniques in selected test cases, validation of the acquired measurement data is a main topic of this thesis.

Mean flow measurements are acquired within steady flow model of a modern IC engine. The acquired flow data is validated by means of PIV data and excellent agreement is found. The three-dimensional nature of the acquired flow field enables new insights into the volumetric flow field distribution. Unsteady periodic flows are analyzed by means of the 4D MRV measurement sequence,which acquires phase-averaged, volumetric velocity fields. The acquired flow data is extensively validated by means of Particle Image Velocimetry (PIV) and Laser Doppler Velocimetry (LDV) data and valid flow regions are identified. A comprehensive understanding of the unsteady, periodic flow field evolution during intake stroke is enabled for the measurements inside the modified engine flow model. MR turbulence measurements, for the acquisition of normal and shear stresses within the flow field, are conducted within a Backward Facing Step (BFS) geometry, which provides optical access for comparative LDV validation measurements through a perspex insert. MR turbulence measurements inside the engine flow model demonstrate the potential of the measurements regarding their application in complex geometries. Validation of the measurements shows a reasonable agreement for normal stresses, while the determination of shear stresses remains still rather inaccurate.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Magnetresonanztomographie (MRT, englisch MRI) ist eine bewährte Messtechnik im Bereich der klinischen Diagnose. MRI ermöglicht das Vermessen von Geschwindigkeitsfeldern, dann Flow MRI bzw. Magnetic Resonance Velocimetry (MRV) genannt. MRV findet zunehmend Anwendung im Bereich der Strömungsmechanik, wo es aufgrund seiner Besonderheit geschätzt wird: Die Ermittlung dreidimensionaler Geschwindigkeitsfelder ohne Strömungsbeeinflussung und ohne Notwendigkeit eines optischen Zugangs. Gegenstand dieser Arbeit ist die Anwendung von MRV in stationären sowie in instationären periodischen Strömungen. Außerdem soll MRV zur Quantifizierung turbulenter Strömungen dienen. Zu diesem Zweck werden unterschiedliche MRV Sequenzen verwendet und in ausgewählten Strömungsgeometrien appliziert. Die Validierung dieser Sequenzen steht dabei im Vordergrund und wird durch Validationsmessungen mittels etablierter Messtechnik realisiert. Stationäre Messungen werden in einem Modell eines Viertakt Ottomotors durchgeführt. Die Validierung mittels Particle Image Velocimetry (PIV) Messungen ergibt eine sehr gute Übereinstimmung beider Messtechniken. Die ermittelten dreidimensionalen Strömungsfelder bieten neue Möglichkeiten der Strömungsanalyse. Für ein tiefgreifendes Verständnis instationärer periodischer Strömungendes, können Diese mit Hilfe von 4D MRV Messungen aufgenommen werden. Die Messdaten werden mit optischer Messtechnik (PIV und LDV) validiert. Bereiche guter Übereinstimmung werden identifiziert, auftretende Differenzen erläutert. Die Ermittlung von Komponenten des Reynoldsschen Spannungstensors in turbulenten Strömungen wird durch MR Turbulenzmessungen ermöglicht. Diese Messungen werden in zwei unterschiedlichen Strömungsmodellen präsentiert. Die Validierung dieser Messungen ergibt eine recht gute Übereinstimmung in der Bestimmung der Normalspannungskompo- nenten, während die Bestimmung von Schubspannungen noch fehlerbehaftet ist. Potentielle Fehlerquellen werden diskutiert.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Magnetic Resonance Velocimetry, MRV, MRI, IC-engine, IC engine, intake flow, unsteady flows, BFS, Backward facing step,
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 17 Jan 2017 09:39
Last Modified: 14 Feb 2017 09:28
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-58472
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and Hennig, Prof. Dr. Jürgen
Refereed: 16 November 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5847
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