Dreidimensionale zeitaufgelöste Geschwindigkeits- und Dichtemessungen mikroskopischer Strömungen durch nichtlineare optische, dynamische Filterung

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In biologischen und medizinischen Anwendungen treten zunehmend strömungsmechanische Fragestellungen auf, die nach neuen Verfahren zur Charakterisierung insbesondere wirbelbehafteter Strömungen verlangen. An dieser Fragestellung setzt das vorliegende Projekt an. Mit Hilfe der photorefraktiven dynamischen Filterung sollen dynamische Phasenänderungen sichtbar gemacht und hinsichtlich Dichte- und Geschwindigkeitsinformationen ausgewertet werden. Der Schwerpunkt des Ansatzes liegt dabei zum einen auf der direkten Konvertierung der Phaseninformation in Intensitätsinformation. Zum anderen ist es möglich, dynamische Phänomene in Bildsequenzen direkt zu verfolgen und von stationären Anteilen zu trennen. Die großen Vorteile eines solchen Filters liegen in seiner hohen Empfindlichkeit für Phasenänderungen und seiner instantanen Antwortzeit, die einen Betrieb in Echtzeit möglich macht. Im Detail werden folgende Projektziele angestrebt: - Visualisierung von zweidimensionalen Phasen- und damit Bestimmung von Dichteänderungen in wirbelbehafteten Strömungen (makroskopischer und mikroskopischer Maßstab) in Echtzeit sowie deren quantitative Analyse durch digitale Bildverarbeitung. - Extraktion der Bewegung von mikroskopischen, schlecht sichtbaren Tracer-Partikel aus dem Umfeld, um sie einer Bearbeitung durch PIV-Verfahren zugänglich zu machen. Durch den Einsatz des Verfahrens können die Bewegungsdaten gefiltert und damit die Auswertung großer Datenmengen durch Vorverarbeitung enorm vereinfacht werden. - Bestimmung von zweidimensionalen Geschwindigkeitskomponenten direkt aus der Antwort des nichtlinearen Filters. Dieses neuartige Verfahren der Geschwindigkeitsextraktion basiert auf der Ausnutzung des exponentiellen Abklingverhaltens der Filterantwort. - Anwendungen aus dem Bereich der Mikroströmungen in Biologie und Medizin. Wichtigste Projektaufgaben sind dabei die Untersuchung der durch die Bewegung von Wimperntierchen induzierten komplexen Strömungsfelder, die Durchströmung biologischer Kanäle und die Analyse der Dynamik von Mischungs- und Entmischungsvorgängen.