Magnetic Resonance Imaging Techniques for Thermofluid Applications
Magnetic Resonance Imaging Techniques for Thermofluid Applications
In this PhD thesis, Magnetic Resonance Imaging (MRI) techniques were applied to thermofluid applications. Magnetic Resonance Velocimetry (MRV) was utilized to measure the three-dimensional, three-component mean velocity field in forced convection flows. Flow models were investigated that contain complex internal structures (e.g. compact heat exchangers) that would not be measureable with conventional optical velocity measurement techniques. The effects of the internal structures on the fluid flow were analyzed to understand the flow physics and to introduce further improvements in performance. Modern three-dimensional manufacturing processes, such as direct polyamide laser sintering, were used to manufacture MR compatible flow models of arbitrary complexity. Measuring velocity fields in such flow models highlights the unique features of MRV. Magnetic Resonance Thermometry (MRT), based on the temperature-dependent Proton Resonance Frequency (PRF) shift of the water molecule, is a comparatively novel approach with which the scalar temperature difference field can be measured. Novel experimental setups meeting the requirements given by MRT were developed and applied to MRT and MRV. The chosen flow models were taken from thermofluid sciences and exhibit mixed convection flows, whereby temperature-induced buoyancy forces play an important role. In their velocity and temperature fields three-dimensional structures develop. The three-dimensional temperature and velocity vector fields were measured utilizing optimized adjustments of both techniques. The results show the applicability of MRT and MRV to thermofluid applications and demonstrate these MRI techniques as valuable engineering measurement tools.
Die vorgelegte Doktorarbeit befasst sich mit der Anwendung von bildgebenden Magnetresonanzverfahren (MR-Verfahren) für die Vermessung von Thermofluid-Applikationen. Magnetresonanz-Velocimetrie (MRV) wird dabei verwendet, um das zeitlich gemittelte, dreidimensionale Geschwindigkeitsfeld mit drei Komponenten in erzwungenen Konvektionsströmungen zu vermessen. Es wurden Strömungsmodelle mit komplexen inneren Strukturen (beispielsweise wie in kompakten Wärmetauschern) untersucht, die in dieser Art und Weise nicht mit konventionellen optischen Strömungsmesstechniken messbar wären. Die Auswirkungen der Strukturen auf die Strömung wurden analysiert, was ein Zugang zur zugrundeliegenden Strömungsphysik ermöglichte und so Verbesserungsmaßnahmen vorgeschlagen werden konnten. Moderne dreidimensionale Fertigungsverfahren, wie selektives Polymer-Laser-Sintern, wurden verwendet, um MR-geeignete Strömungsmodelle von beliebiger Komplexität herzustellen. Die Vermessung von Strömungsfeldern in solchen Strömungsmodellen zeigte die einzigartigen Fähigkeiten von MRV. Ein verhältnismäßig neuer Ansatz ist die Magnetresonanz-Thermometrie (MRT) basierend auf der temperaturabhängigen Verschiebung der Protonenresonanzfrequenz (PRF) der Wassermoleküle mit dem es möglich ist, das skalare Temperaturdifferenzenfeld zu vermessen. Es wurden neuartige MR-geeignete experimentelle Aufbauten entwickelt und mit MRT und MRV vermessen. Die verwendeten Strömungsmodelle, die aus den Thermofluidwissenschaften stammen, zählen zu den gemischten Konvektionsströmungen, bei denen temperaturbedingte Auftriebskräfte eine große Rolle spielen. In den Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldern entstehen dreidimensionale Strukturen. Die dreidimensionalen Temperatur- und Geschwindigkeitsvektorfelder wurden gemessen unter der Verwendung von optimierten Einstellungen in beiden Verfahren. Die Ergebnisse zeigen die Anwendbarkeit von MRT und MRV für Thermofluid-Applikationen und bestätigen die Wertigkeit dieser MR-Verfahren als Messtechnik für Ingenieure.
