Dr.-Ing. Jana Wedel

Lehrstuhl für Technische Mechanik

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Ein numerisches Model für den translatorischen und rotatorischen Impulstransfer von weichen deformierbaren Mikropartikeln in verdünnten Zweiphasenströmungen

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Project leader: Paul Steinmann
Term: 1. Januar 2023 - 31. Mai 2026
Acronym: STE 544/75-1
Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)

Abstract

In Projektphase I haben wir eine solide Grundlage für die Modellierung und Simulation weicher Mikropartikel in viskoser Strömung geschaffen, indem wir unser neues, effizientes und äußerst vielseitiges Pseudo-Starrkörper-Modell mit Lagrangeschem Punktpartikeltracking kombinierten. Hierauf aufbauend definieren wir sechs Ziele für Phase II. Zunächst werden wir unser Modell (neben dem elastischen Neo-Hooke'schen Materialmodell) um ein breiteres Spektrum an konstitutiven Modellen erweitern. Dies ermöglicht uns eine genauere Darstellung des mechanischen Verhaltens verschiedener weicher Partikel, einschließlich solcher mit hyperelastischen und viskoelastischen Eigenschaften. Weiterhin ist die Berücksichtigung von Oberflächenspannungseffekten für die Untersuchung von weichen Mikropartikeln essentiell, weshalb wir auch dies in unser Modell integrieren werden, wodurch wiederum die Genauigkeit unserer Simulationen und folglich unser Verständnis der Formdynamik und der Trajektorien von weichen Partikelsystemen verbessert wird. Darüber hinaus werden wir die Dynamik weicher Partikel mit inhomogenen Massenverteilungen, wie z. B. radialsymmetrischen und außermittigen Dichteverteilungen, untersuchen, um zu klären wie sich solche Inhomogenitäten auf die Trajektorien und die Formdynamik der Partikel auswirken. Zusätzlich werden wir Wärmeübertragung in unser Modell integrieren, wobei wir uns insbesondere auf wärmeempfindliche Partikel-Materialien konzentrieren, deren rheologische Eigenschaften sich bei Temperaturschwankungen deutlich verändern. Hierfür benötigen wir ein neues Modell, welches das viskoelastische Verhalten mit der Temperaturevolution verknüpft. Zusätzlich werden wir unseren NN Ansatz erweitern, um affin verformte Superellipsoide zu berücksichtigen. Dies gewährleistet eine genauere Modellierung der Formdynamik weicher Partikel, die ihre ursprüngliche Formklasse während der Deformation nicht beibehalten. Schließlich werden wir weiche Partikel in turbulenten Strömungen untersuchen. Bislang benötigen die in der Literatur beschriebenen Methoden für weiche Partikel eine Vernetzung der Partikeloberfläche und sind daher für die Untersuchung einer statistisch relevanten Zahl weicher Partikeln ungeeignete. Unser Pseudo-Starrkörper-Modell ist jedoch in der Lage, eine Vielzahl weicher Partikel in turbulenten Strömungen effizient zu simulieren, wodurch wir Einblicke in ihre Dynamik und Wechselwirkungen in komplexen Strömungsumgebungen gewinnen können. Hierzu werden wir unser Pseudo-Starrkörper-Modell mit bestehenden Turbulenzdatenbanken koppeln, wodurch die Untersuchung von Trajektorien, Deformation und potenziellem Clusterverhalten von weichen Partikeln in turbulenten Strömungen ermöglicht wird. Zusammenfassend zielt Phase II darauf ab, unser Verständnis von weichen Mikropartikeln in verschiedenen Kontexten der Fluiddynamik zu verbessern, was von hoher Relevanz für eine Vielzahl von praktischen Anwendungen ist.

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2026

Wedel J., Catalán N., Steinmann P., Hriberšek M., Cito S., Varela S., Pallarès J., Ravnik J.:
Ellipsoidal particle transport and deposition in an averaged human nasal airway — A CFD study
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Pallares J., Fabregat A., Lavrinenko A., Bin Norshamsudin HA., Janiga G., Fletcher DF., Inthavong K., Zasimova M., Ris V., Ivanov N., Castilla R., Gamez-Montero PJ., Raush G., Calmet H., Mira D., Wedel J., Štrakl M., Ravnik J., Fontes D., De Souza FJ., Marchioli C., Cito S.:
Numerical simulations of the flow and aerosol dispersion in a violent expiratory event: Outcomes of the "2022 International Computational Fluid Dynamics Challenge on violent expiratory events"
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Anatomy matters: The role of the subject-specific respiratory tract on aerosol deposition — A CFD study
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Can CFD establish a connection to a milder COVID-19 disease in younger people? Aerosol deposition in lungs of different age groups based on Lagrangian particle tracking in turbulent flow
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Wedel J., Steinmann P., Strakl M., Hribersek M., Ravnik J.:
Risk Assessment of Infection by Airborne Droplets and Aerosols at Different Levels of Cardiovascular Activity
In: Archives of Computational Methods in Engineering (2021)
ISSN: 1134-3060
DOI: 10.1007/s11831-021-09613-7

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