Current research within the field of ultrasound contrast agents (UCAs) aims at developing capsules which are not only acoustically active, but also have a chemically modifiable surface. This enables use in new areas, including targeted drug delivery and theranostics. For such purposes, air-filled microbubbles (MBs) with a polyvinyl alcohol (PVA) shell are being studied. Ultrasound imaging velocimetry (UIV) is a technique used to evaluate various types of liquid flows by tracking patterns caused by UCAs across ultrasound images, and has shown great potential for flow measurements in terms of accuracy. The aim of this thesis was to implement a basic UIV program in Matlab to investigate the flow behavior of air-filled PVA MBs being pumped through a phantom, mimicking a blood vessel. The images were acquired using the programmable Verasonics research system by plane wave imaging with coherent compounding, and UIV was implemented as a post-processing technique. Three parameters were varied to study how the UIV performance and flow behavior of the MBs were affected: the concentration of MBs, the flow velocity, and the transducer voltage. The resulting velocity vector fields showed that it is possible to track PVA MBs using the implemented UIV program, and that the concentration 5·106 MBs/ml gave the best results out of the five concentrations tested. The generated velocity vector fields indicated a turbulent and pulsatile flow behavior, which was in line with the predicted flow behavior, although there was a disparity between the measured average flow velocity of the MBs and the predicted flow velocity. It was also observed that the MBs were increasingly pushed in the axial direction with increasing voltage, as according to theory. Even though a more advanced UIV algorithm could improve the accuracy of the velocity measurements, the results show possible use of air-filled PVA MBs in combination with UIV. / Nuvarande forskning inom ultraljudskontrastmedel syftar till att utveckla kapslar som inte bara är akustiskt aktiva, utan som även har en kemiskt modifierbar yta. Detta möjliggör användning inom nya områden, så som målinriktade läkemedel och theanostics. För detta syfte studeras luftfyllda mikrobubblor med ett skal av polyvinylalkohol (PVA). Ultrasound imaging velocimetry (UIV) är en teknik som används för att analysera olika typer av vätskeflöden genom att spåra mönster orsakade av ultraljudskontrastmedel över ett antal ultraljudsbilder. Metoden har visats ha stor potential för flödesmätningar, och hög noggrannhet har uppnåtts. Detta projekt syftade till att implementera ett grundläggande UIV-program i Matlab för att undersöka flödesbeteenden hos luftfyllda PVA-mikrobubblor som pumpas genom en modell av ett blodkärl. Ultraljudsbilderna togs med hjälp av det programmerbara forskningssystemet Verasonics, genom att använda planvågsavbildning och coherent compounding, och UIV implementerades som ett efterbearbetningsprogram. Tre parametrar varierades för att studera hur prestandan av UIV-programmet och flödesbeteendet hos mikrobubblorna påverkades: koncentrationen av mikrobubblor, flödeshastigheten, och spänningsamplituden hos ultraljudsproben. De resulterande hastighetsvektorfälten visade det möjligt att evaluera flödesbeteenden hos PVA-mikrobubblor med hjälp av det implementerade UIV-programmet. Bäst resultat erhölls genom att använda koncentrationen 5·106 mikrobubblor/ml, av de fem testade koncentrationerna. De genererade hastighetsvektorfälten indikerade ett turbulent och pulserande flöde, vilket överensstämde med teorin, trots att det fanns skillnader mellan genomsnittliga uppmätta flödeshastigheter och den beräknade flödeshastigheten. Det kunde också observeras att mikrobubblorna trycktes i den axiella riktningen när spänningsamplituden ökade, vilket överensstämde med teorin. Trots att metodens noggrannhet skulle kunna ökas genom att använda ett mer avancerat UIV-program, visade resultaten på möjligheten att använda luftfyllda PVA-mikrobubblor i kombination med UIV.

Der zunehmende Einsatz regenerativer Energiequellen erfordert die Nutzung von Energiezwischenspeichern, die umweltfreundlich, günstig und skalierbar sein sollten. Die Zink-Luft-Flussbatterie (ZLFB) kann perspektivisch diese Anforderungen erfüllen, wobei zur Bereitstellung der gespeicherten Energie eine Suspension aus Zinkpartikeln in einem gelierten Elektrolyt durch eine elektrochemische Zelle gepumpt wird. Um die Strömungsstruktur der ZLFB auszulegen und Fehlfunktionen zu vermeiden, ist ein grundlegendes Verständnis der Rheologie der Zinksuspension notwendig. Außerdem kann über die Einstellung einer geeigneten Strömung die bei der Entladung erreichte elektrische Leistungsdichte gesteigert werden. Bereits die Flüssigphase der Zinksuspension weist eine komplexe nicht-Newtonsche Rheologie auf, welche durch die Zugabe der Partikel komplexer wird. Für das grundlegende Verständnis der Rheologie werden daher Modellexperimente durchgeführt, wobei in dieser Arbeit ein L-förmiger Kanal mit Strömungsaufweitung untersucht wurde, um die komplexen strömungsmechanischen Eigenschaften der Zinksuspension abzubilden. Zur Erfassung des Strömungsfeldes ist eine Ortsauflösung von 1 … 2 mm in einem Messbereich von 20 × 15 mm2 erforderlich. Ultraschall ist prinzipiell geeignet, um das Strömungsfeld in der opaken Suspension zu erfassen, wobei die wesentliche Herausforderung in den starken Wellenfrontverzerrungen besteht, welche durch die Zinkpartikel eingebracht werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Ultrasound Imaging Velocimetry (UIV) robuster gegenüber diesen Störungen ist, als die Ultraschall-Doppler-Velozimetrie (UDV). Die UIV wurde daher mittels Geschwindigkeitsnormal an die messtechnischen Randbedingungen der Zinksuspension angepasst und charakterisiert. Bei einer Ortsauflösung von 1,6 mm wurde eine Gesamtmessunsicherheit von 2,5 % axial und 4,1 % lateral zur Schallausbreitungsrichtung erreicht. Das im Modellexperiment gemessene Strömungsfeld weist eine Totzone an der Strömungsumlenkung auf, deren Auftreten durch eine von der Scherhistorie abhängige Viskosität erklärt werden kann. Dieser Effekt wird als Thixotropie bezeichnet. Durch die In-situ-Messung der Strömung in einer aktiven ZLFB kann eine Korrelation von Strömung und elektrischer Leistung erfolgen und die erzielte Leistungsdichte perspektivisch durch eine Anpassung der Strömung gesteigert werden. Bei der Messung im 2,6 mm hohen Anodenspalt muss aufgrund der komplexen Rheologie der Suspension und der daraus resultierenden hohen Geschwindigkeitsgradienten eine Ortsauflösung von unter 100 µm bei gleichzeitig kleiner Ultraschallfrequenz realisiert werden, da der Ultraschall für hohe Frequenzen nicht in die Zinksuspension eindringt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde die Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) genutzt, welche Ortsauflösungen unterhalb des Beugungslimits ermöglicht. Einzelne nichtlineare Streupartikel werden mittels Harmonic Imaging isoliert abgebildet und verfolgt, wobei die durch die Zinkpartikel eingebrachten Wellenfrontstörungen durch einen kohärenzgewichteten Strahlformer kompensiert werden. Es wurde eine Ortsauflösung von 67 µm axial und 30 µm lateral zur Schallausbreitungsrichtung bei einer Anregungswellenlänge von 330 µm erreicht. Trotz der stark streuenden Zinksuspension, konnte so eine Messung in der aktiven ZLFB mit einer maximalen Messunsicherheit von 12,5 % durchgeführt werden. Dabei wurde eine Wandgleitgeschwindigkeit von 3 mm s−1 bei einer maximalen Geschwindigkeit von etwa 8 mm s−1 festgestellt. Die SRPTV kann darüber hinaus in anderen technischen Prozessen eingesetzt werden, in denen Suspensionsströmungen in kleinen Geometrien auftreten.:Symbolverzeichnis xiii Abkürzungsverzeichnis xv 1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Zielstellung 1 1.2 Stand der Technik 4 1.3 Lösungsansatz und Struktur der Arbeit 8 2 Theoretische Grundlagen 11 2.1 Grundlagen der Schallausbreitung 11 2.1.1 Schallausbreitung in homogenen Medien 11 2.1.2 Schallausbreitung in inhomogenen Medien 13 2.2 Ultraschall Bildgebung 14 2.2.1 Phased-Array-Prinzip 15 2.2.2 Plane wave imaging 16 2.2.3 Grenzen der Schallfeldfokussierung 16 2.3 Messung von Strömungsfeldern 17 2.3.1 Ultraschall-Doppler-Velozimetrie 18 2.3.2 Ultrasound Imaging Velocimetry 19 2.3.3 Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 19 2.4 Nichtlineare akustische Effekte 20 2.4.1 Beschreibung von Linearität 20 2.4.2 Interaktion von nichtlinearen Streupartikeln und Schallwelle 20 2.4.3 Harmonic Imaging 21 3 Experimentelle Grundlagen 25 3.1 Charakterisierung der Zinksuspension 25 3.1.1 Zusammensetzung der Zinksuspension 25 3.1.2 Bestimmung von Dämpfung und Schallgeschwindigkeit 26 3.1.3 Bestimmung der spezifischen akustischen Impedanz 29 3.2 Messtechnik 30 3.2.1 Ultraschallforschungsplattform: Phased Array Ultrasound Dopp- ler Velocimeter 30 3.2.2 Ultraschallwandler 32 4 Verfahren zur Strömungsmessung im Modellexperiment 37 4.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2 Untersuchung geeigneter Verfahren zur Messung von Strömungsfel- dern in der Zinksuspension 38 4.3 Optimierung der Signalverarbeitung und Charakterisierung der Messei- genschaften 44 4.3.1 Geschwindigkeitsnormal 44 4.3.2 Optimierung der Messsystemparameter 45 4.3.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 48 4.3.4 Validierung 49 4.4 Messung der Suspensionsströmung im Modellexperiment 55 4.4.1 Messergebnisse 55 4.4.2 Vergleich von Simulation und Messung 58 4.5 Fazit 61 5 Verfahren zur In-situ-Strömungsmessung in einer Zink-Luft-Flussbatterie 63 5.1 Experimenteller Aufbau 63 5.2 Strömungsmessung unterhalb des Beugungslimits - Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) 65 5.2.1 Nutzung nichtlinearer Streupartikel 68 5.2.2 Trennung von linearem und nichtlinearem Signalanteil 72 5.2.3 Strahlformung mit Kompensation der Streuung 76 5.2.4 Particle Tracking 80 5.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 81 5.3.1 Vorgehen zur Charakterisierung der Messeigenschaften 82 5.3.2 Untersuchung der Positionsunsicherheit 83 5.3.3 Untersuchung der Geschwindigkeitsunsicherheit 92 5.4 Messung an einer aktiven Zink-Luft-Flussbatterie 95 5.4.1 Aufbau und Durchführung 95 5.4.2 Messergebnisse 97 5.4.3 Vergleich von Simulation und Messung 97 5.5 Fazit 102 6 Zusammenfassung und Ausblick 103 6.1 Erkenntnisse und Fortschritt 103 6.1.1 Ultrasound Imaging Velocimetry 103 6.1.2 Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 104 6.1.3 Fazit 106 6.2 Ausblick und weiterführende Arbeiten 106 6.2.1 Messtechnik 106 6.2.2 Anwendung 107 Literaturverzeichnis 109 Publikationsverzeichnis 117 Artikel in Zeitschriften mit peer-review 117 Tagungsbeiträge 117 Patente 119 / For the efficient use of renewable energies, energy storage systems are required that are environmentally friendly, low priced and scalable. The zinc-air flow battery (ZAB), which is operated by pumping an opaque suspension of zinc particles in an gelled electrolyte through an electrochemical cell, is a promising candidate as energy storage system for these requirements. To design the fluidic structures and avoid malfunction, a fundamental understanding of the rheology of the zinc suspension is required. Additionally, the electrical performance of the cell can be imporved by optimizing the flow in the electrochemical cell. The liquid phase of the suspension itself has complex non-Newtonian properties, which are even more complex when the particles are considered. For the fundamental understanding of the suspension rheology, model experiments are conducted. In this work an L-shaped channel with a widening is used to represent relevant effects from the complex rheology of the suspension. To measure the flow field, a spatial resolution of 1 … 2 mm and a measurement area of 20 × 15 mm2 are required. Ultrasound can be used to measure the flow in opaque liquids, but wavefront distortions are introduced by the zinc particles. Established measurement methods for homogeneous opaque fluids, the Ultrasound Imaging Velocimetry (UIV) and the Ultrasound Doppler Velocimetry (UDV), were compared for the application at the suspension. The UIV has a 50 % lower random deviation, which makes it more suitable for the flow measurement in the suspension and it was adapted to the measurement conditions in the suspension. At a spatial resolution of 1.66 mm, a velocity uncertainty of 2.5 % axial and 4.1 % lateral to the ultrasound propagation were achieved. The application of the UIV to the suspension flow in the model experiment revealed a thixotropic behavior of the fluid, which resulted in a dead flow zone opposite to the inlet of the channel. The in situ measurement of the flow in an active ZAB, allows to correlate electrical performance and flow and thereby an improvement of the cell performance by adapting the flow. For the measurement in the anodic channel with a width of 2.6 mm, a spatial resolution of 100 µm is required because of the high velocity gradients due to the non-Newtonian rheology of the suspension. The high spatial resolution has to be achieved at low ultrasound frequencies, since the ultrasound does not penetrate into the suspension for high frequencies. To achieve this, the Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) was used, which allows a spatial resolution beyond the diffraction limit. Harmonic Imaging is used to image isolated non-linear tracer particles, which are tracked for velocity estimation. The speckle and image distortion due to the induced wavefront distortions are compensated with a coherence weighting beamformer. A spatial resolution of 67 µm axial and 30 µm lateral to the ultrasound propagation were achieved. Despite the strong scattering of the ultrasound at the zinc particles, a maximum velocity uncertainty of 12.5 % referred to the maximum velocity was achieved for the measurement in the active ZAB. A slip velocity of 3 mm at a maximum velocity of 8 mm was observed. The SRPTV can be applied to other technical processes, where suspension flows in small geometries play an important role.:Symbolverzeichnis xiii Abkürzungsverzeichnis xv 1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Zielstellung 1 1.2 Stand der Technik 4 1.3 Lösungsansatz und Struktur der Arbeit 8 2 Theoretische Grundlagen 11 2.1 Grundlagen der Schallausbreitung 11 2.1.1 Schallausbreitung in homogenen Medien 11 2.1.2 Schallausbreitung in inhomogenen Medien 13 2.2 Ultraschall Bildgebung 14 2.2.1 Phased-Array-Prinzip 15 2.2.2 Plane wave imaging 16 2.2.3 Grenzen der Schallfeldfokussierung 16 2.3 Messung von Strömungsfeldern 17 2.3.1 Ultraschall-Doppler-Velozimetrie 18 2.3.2 Ultrasound Imaging Velocimetry 19 2.3.3 Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 19 2.4 Nichtlineare akustische Effekte 20 2.4.1 Beschreibung von Linearität 20 2.4.2 Interaktion von nichtlinearen Streupartikeln und Schallwelle 20 2.4.3 Harmonic Imaging 21 3 Experimentelle Grundlagen 25 3.1 Charakterisierung der Zinksuspension 25 3.1.1 Zusammensetzung der Zinksuspension 25 3.1.2 Bestimmung von Dämpfung und Schallgeschwindigkeit 26 3.1.3 Bestimmung der spezifischen akustischen Impedanz 29 3.2 Messtechnik 30 3.2.1 Ultraschallforschungsplattform: Phased Array Ultrasound Dopp- ler Velocimeter 30 3.2.2 Ultraschallwandler 32 4 Verfahren zur Strömungsmessung im Modellexperiment 37 4.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2 Untersuchung geeigneter Verfahren zur Messung von Strömungsfel- dern in der Zinksuspension 38 4.3 Optimierung der Signalverarbeitung und Charakterisierung der Messei- genschaften 44 4.3.1 Geschwindigkeitsnormal 44 4.3.2 Optimierung der Messsystemparameter 45 4.3.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 48 4.3.4 Validierung 49 4.4 Messung der Suspensionsströmung im Modellexperiment 55 4.4.1 Messergebnisse 55 4.4.2 Vergleich von Simulation und Messung 58 4.5 Fazit 61 5 Verfahren zur In-situ-Strömungsmessung in einer Zink-Luft-Flussbatterie 63 5.1 Experimenteller Aufbau 63 5.2 Strömungsmessung unterhalb des Beugungslimits - Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) 65 5.2.1 Nutzung nichtlinearer Streupartikel 68 5.2.2 Trennung von linearem und nichtlinearem Signalanteil 72 5.2.3 Strahlformung mit Kompensation der Streuung 76 5.2.4 Particle Tracking 80 5.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 81 5.3.1 Vorgehen zur Charakterisierung der Messeigenschaften 82 5.3.2 Untersuchung der Positionsunsicherheit 83 5.3.3 Untersuchung der Geschwindigkeitsunsicherheit 92 5.4 Messung an einer aktiven Zink-Luft-Flussbatterie 95 5.4.1 Aufbau und Durchführung 95 5.4.2 Messergebnisse 97 5.4.3 Vergleich von Simulation und Messung 97 5.5 Fazit 102 6 Zusammenfassung und Ausblick 103 6.1 Erkenntnisse und Fortschritt 103 6.1.1 Ultrasound Imaging Velocimetry 103 6.1.2 Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 104 6.1.3 Fazit 106 6.2 Ausblick und weiterführende Arbeiten 106 6.2.1 Messtechnik 106 6.2.2 Anwendung 107 Literaturverzeichnis 109 Publikationsverzeichnis 117 Artikel in Zeitschriften mit peer-review 117 Tagungsbeiträge 117 Patente 119