Fluid-Struktur-Wechselwirkung beim Hustenstoß durch die menschliche Luftröhre
Unter einer zweiseitigen Fluid-Struktur-Kopplung (Fluid-Structure-Interaction, FSI) versteht man die wechselseitige Beeinflussung von Struktur und Strömung. Die auf die Wände wirkenden Strömungskräfte (Druck, Wandschubspannungen) stellen eine Belastung für die Struktur dar und führen zu ihrer Verschiebung bzw. Verformung. Die resultierenden Verformungen der Struktur beeinflussen im Gegenzug die Strömung.
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Der Hustenstoß in der Luftröhre (Trachea) ist ein anschauliches Beispiel für eine zweiseitige Fluid-Struktur-Kopplung. Er führt zu einem kurzzeitig stark erhöhten Luftausstoß.
| Die menschliche Luftröhre eines Erwachsenen ist etwa 12 cm lang und hat einen Durchmesser von ca. 2,5 cm. Sie ist durch C-förmige Knorpelbänder verstärkt. Der Trachea-Muskel ist über die Luftröhre gespannt und verbindet so die Knorpelbänder miteinander. | |||||
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Anatomie der Luftröhre (links). Das FE-Modell für die numerische Simulation (rechts) enthält die wesentlichen Merkmale der Luftröhre.
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Mit einer gekoppelten CFD- und FE-Analyse kann sowohl das Strömungsfeld im Inneren der Luftröhre, als auch ihre resultierende Verformung und Spannung zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort ermittelt werden. Der kurzzeitig stark erhöhte Volumenstrom im Inneren der Luftröhre führt zu einem Druckanstieg. Die umgebenden Gefäßwände verformen sich entsprechend dem momentan wirkenden Druck. Die verformte Gefäßwand beeinflusst wiederum das Strömungsfeld. Aufgrund der unterschiedlichen Steifigkeit der Knorpelbänder und der Muskulatur variiert die Verformung der Luftröhre lokal.
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zeitlich realer Verlauf eines Hustenstoßes (links), vereinfachte Annahme für die numerische Simulation (rechts)
Mit Hilfe der gekoppelten numerischen Simulation von Strömungs- und Strukturmechanik ist es möglich, diese Vorgänge auf effizientem Wege zu analysieren, zu visualisieren und daraus folgernd das Zusammenspiel von Strömung und Festkörperverhalten zu optimieren.
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