Title (deu): Modellierung der Bewegungen von ferromagnetischen Mikropartikeln in Flüssigkeiten unter der Einwirkung von äußeren Magnetfeldern

Author: Mayer, M. (Michael)

Description (deu): St. Pölten, FH-Stg. Computersimulation, Dipl.-Arb., 2006

Description (deu): Das extrakorporale Blutreiningungsverfahren mittels dem Adsorbtionssytem MDS basiert auf Mikropartikeln zur Elimination von toxischen Stoffen aus dem Blutkreislauf. Ein Plasmafilter trennt die Partikel-Plasma-Suspension vom Blutkreislauf. Um die Sicherheit des Patienten zu gewährleisten, müssen bei einem Bruch der Plasmafiltermembran, die in den Blutkreislauf gelangten Mikropartikel detektiert werden. Dies passiert mit einem optischen Detektionssystem, das den extrakorporalen venösen Blut muss auf die Präsenz von Mikropartikeln überprüft. Zur Detektion werden den Adsorberpartikeln markierte und magnetisierte Markerpartikel zugegeben, welche im Falle eines Membranbruchs mit Hilfe einer Magnetfalle im Blutkreis an einer möglichst kleinen Stelle gefangen werden, um die Sensitivität der optischen Detektion zu erhöhen. Ein Simulationsmodell, welches auf der Basis von strömungsmechanischen und magnetischen Kräften sowie der Gravitationskraft beruht, wurde in dieser Arbeit entwickelt, um die Bewegungen und Ablagerungen der Markerpartikel in der Magnetfalle zu beobachten. Die laminare Rohrströmung der Flüssigkeit wird mit Hilfe der Navier-Stokes-Gleichung ermittelt, welche für Strömungsberechnungen von inkompressiblen Flüssigkeiten verwendet wird. Es wurde auÿerdem noch die Annahme getroffen, dass es sich um eine newtonsche Flüssigkeit
handelt. Die Bewegungsbahnen der Partikel werden durch das Lösen der Lagrange-Bewegungsgleichung vorausberechnet. Die Strömungskräfte werden dabei mit dem Ansatz von Stokes betrachtet, bei welchem sich der Strömungswiderstandsbeiwert invers proportional zur Reynoldszahl verhält. Der Einfluss der Schlauchwände und der Kollisionen zwischen Partikeln und Flüssigkeitsmolekülen wird berücksichtigt, ebenso die Auftriebskraft und die Gravitationskraft. Die magnetischen
Kräfte, welche die Partikel an eine möglichst kleine Stelle ansammeln sollen, werden von Permanentmagneten
erzeugt.
Es gibt zwei Modelle, eines für den 2-dimensionalen und eines für den 3-dimensionalen Raum.
Im 2D-Modell wird die Magnetfalle vereinfacht dargestellt. Die physikalischen Überlegungen
und Berechnungen sind jedoch für beide Modelle gleich. Die genaue Positionierung sowie die
Gröÿe der Partikelansammlungen werden betrachtet.
Beide Modelle wurden mit Labormessungen überprüft, der Vergleich zwischen den numerischen
Berechnungen und den experimentellen Daten zeigt eine gute Übereinstimmung.

Description (eng): Extracorporeal blood purification by means of the adsorption sytem MDS is based on high specific microparticle adsorbent for toxin removal. A plasma filter separates the microparticleplasma suspension from the bloodstream. In order to ensure patient safety, it is necessary to detect microparticles which are released into the partient's bloodstream because of a membrane rupture. This occurs with an optical detection system, which monitors the extracorporeal venous bloodstream for the presence of released microparticles. For detection, labeled and magnetized marker particles are suspended with the adsorbent particles. In the case of a membrane rupture, the marker particles are accumulated by a magnetic trap, in order to increase the sensitivity of the optical detection. A simulation model based on fluidic, gravitational and magnetic forces was developed to analyze the motion and sedimentation of the marker particles in the magnetic trap. The flow profil of the liquid in a pipe is calculated using the Navier-Stokes equations for incompressible liquids. The used model is contricted to a Newtonian liquid. The particle movement is precalculated by solving of Lagrange's equation of motion. The flow forces are regarded with Stokes' law, whereas the drag coefficient varies inversely with Reynolds number. The influence of the tube walls and the collisions between particles and liquid molecules is considered, likewise the lift force and the gravitation force. The magnetic forces, which should trap the particles to a place as small as possible, are generated by permanent magnets. There are two models, one for the two-dimensional and one for the three-dimensional area. The 2D-Modell uses a simplified magnetic setup. The physical considerations and computations are similar for both models. The exact positioning as well as the size of the sedimentations of the
particle are analyzed. Both models are validated with measurements, the comparison between the numeric computations and the experimental data shows a good agreement.

Object languages: German

Date: 2006

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Classification: Computersimulation; Teilchenbewegung

Permanent Identifier