Numerical modelling of fluid-structure interaction with application in hemodynamics

The thesis deals with numerical algorithms for fluid-structure interaction problems with application in blood flow modelling. It starts with a short introduction on the mathematical description of incompressible viscous flow with non-Newtonian viscosity and a moving linear viscoelastic structure. The mathematical model consists of the generalized Navier-Stokes equation used for the description of fluid flow and the generalized string model for structure movement. The arbitrary Lagrangian-Eulerian approach is used in order to take into account moving computational domain. A part of the thesis is devoted to the discussion on the non-Newtonian behaviour of shear-thinning fluids, which is in our case blood, and derivation of two non-Newtonian models frequently used in the blood flow modelling. Further we give a brief overview on recent fluid-structure interaction schemes with discussion about the difficulties arising in numerical modelling of blood flow. Our main contribution lies in numerical and experimental study of a new loosely-coupled partitioned scheme called the kinematic splitting fluid-structure interaction algorithm. We present stability analysis for a coupled problem of non-Newtonian shear-dependent fluids in moving domains with viscoelastic boundaries. Here, we assume both, the nonlinearity in convective as well is diffusive term. We analyse the convergence of proposed numerical scheme for a simplified fluid model of the Oseen type. Moreover, we present series of experiments including numerical error analysis, comparison of hemodynamic parameters for the Newtonian and non-Newtonian fluids and comparison of several physiologically relevant computational geometries in terms of wall displacement and wall shear stress. Numerical analysis and extensive experimental study for several standard geometries confirm reliability and accuracy of the proposed kinematic splitting scheme in order to approximate fluid-structure interaction problems.

Mixed finite-element methods for elliptic convection-dominated problems arising in semiconductor physics

In this work we develop and analyze an adaptive numerical scheme for simulating a class of macroscopic semiconductor models. At first the numerical modelling of semiconductors is reviewed in order to classify the Energy-Transport models for semiconductors that are later simulated in 2D. In this class of models the flow of charged particles, that are negatively charged electrons and so-called holes, which are quasi-particles of positive charge, as well as their energy distributions are described by a coupled system of nonlinear partial differential equations. A considerable difficulty in simulating these convection-dominated equations is posed by the nonlinear coupling as well as due to the fact that the local phenomena such as "hot electron effects" are only partially assessable through the given data. The primary variables that are used in the simulations are the particle density and the particle energy density. The user of these simulations is mostly interested in the current flow through parts of the domain boundary - the contacts. The numerical method considered here utilizes mixed finite-elements as trial functions for the discrete solution. The continuous discretization of the normal fluxes is the most important property of this discretization from the users perspective. It will be proven that under certain assumptions on the triangulation the particle density remains positive in the iterative solution algorithm. Connected to this result an a priori error estimate for the discrete solution of linear convection-diffusion equations is derived. The local charge transport phenomena will be resolved by an adaptive algorithm, which is based on a posteriori error estimators. At that stage a comparison of different estimations is performed. Additionally a method to effectively estimate the error in local quantities derived from the solution, so-called "functional outputs", is developed by transferring the dual weighted residual method to mixed finite elements. For a model problem we present how this method can deliver promising results even when standard error estimator fail completely to reduce the error in an iterative mesh refinement process.

Numerical and analytical approaches to strongly correlated electron systems

In this thesis we consider three different models for strongly correlated electrons, namely a multi-band Hubbard model as well as the spinless Falicov-Kimball model, both with a semi-elliptical density of states in the limit of infinite dimensions d, and the attractive Hubbard model on a square lattice in d=2. In the first part, we study a two-band Hubbard model with unequal bandwidths and anisotropic Hund's rule coupling (J_z-model) in the limit of infinite dimensions within the dynamical mean-field theory (DMFT). Here, the DMFT impurity problem is solved with the use of quantum Monte Carlo (QMC) simulations. Our main result is that the J_z-model describes the occurrence of an orbital-selective Mott transition (OSMT), in contrast to earlier findings. We investigate the model with a high-precision DMFT algorithm, which was developed as part of this thesis and which supplements QMC with a high-frequency expansion of the self-energy. The main advantage of this scheme is the extraordinary accuracy of the numerical solutions, which can be obtained already with moderate computational effort, so that studies of multi-orbital systems within the DMFT+QMC are strongly improved. We also found that a suitably defined Falicov-Kimball (FK) model exhibits an OSMT, revealing the close connection of the Falicov-Kimball physics to the J_z-model in the OSM phase. In the second part of this thesis we study the attractive Hubbard model in two spatial dimensions within second-order self-consistent perturbation theory. This model is considered on a square lattice at finite doping and at low temperatures. Our main result is that the predictions of first-order perturbation theory (Hartree-Fock approximation) are renormalized by a factor of the order of unity even at arbitrarily weak interaction (U->0). The renormalization factor q can be evaluated as a function of the filling n for 00, the q-factor vanishes, signaling the divergence of self-consistent perturbation theory in this limit. Thus we present the first asymptotically exact results at weak-coupling for the negative-U Hubbard model in d=2 at finite doping.

Numerical simulations of microphysical processes in pyro-convective clouds

Hochreichende Konvektion über Waldbränden ist eine der intensivsten Formen von atmosphärischer Konvektion. Die extreme Wolkendynamik mit hohen vertikalen Windgeschwindigkeiten (bis 20 m/s) bereits an der Wolkenbasis, hohen Wasserdampfübersättigungen (bis 1%) und die durch das Feuer hohen Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln (bis 100000 cm^-3) bilden einen besonderen Rahmen für Aerosol-Wolken Wechselwirkungen.Ein entscheidender Schritt in der mikrophysikalischen Entwicklung einer konvektiven Wolke ist die Aktivierung von Aerosolpartikeln zu Wolkentropfen. Dieser Aktivierungsprozess bestimmt die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen und kann daher die Entwicklung einer konvektiven Wolke und deren Niederschlagsbildung beeinflussen. Die wichtigsten Faktoren, welche die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen bestimmen, sind die Größe und Hygroskopizität der an der Wolkenbasis verfügbaren Aerosolpartikel sowie die vertikale Windgeschwindigkeit. Um den Einfluss dieser Faktoren unter pyro-konvektiven Bedingungen zu untersuchen, wurden numerische Simulationen mit Hilfe eines Wolkenpaketmodells mit detaillierter spektraler Beschreibung der Wolkenmikrophysik durchgeführt. Diese Ergebnisse können in drei unterschiedliche Bereiche abhängig vom Verhältnis zwischen vertikaler Windgeschwindigkeit und Aerosolanzahlkonzentration (w/NCN) eingeteilt werden: (1) ein durch die Aerosolkonzentration limitierter Bereich (hohes w/NCN), (2) ein durch die vertikale Windgeschwindigkeit limitierter Bereich (niedriges w/NCN) und (3) ein Übergangsbereich (mittleres w/NCN). Die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilität der anfänglichen Anzahlkonzentration der Wolkentropfen in (pyro-) konvektiven Wolken hauptsächlich durch die Variabilität der vertikalen Windgeschwindigkeit und der Aerosolkonzentration bestimmt wird. rnUm die mikrophysikalischen Prozesse innerhalb der rauchigen Aufwindregion einer pyrokonvektiven Wolke mit einer detaillierten spektralen Mikrophysik zu untersuchen, wurde das Paketmodel entlang einer Trajektorie innerhalb der Aufwindregion initialisiert. Diese Trajektore wurde durch dreidimensionale Simulationen eines pyro-konvektiven Ereignisses durch das Model ATHAM berechnet. Es zeigt sich, dass die Anzahlkonzentration der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration ansteigt. Auf der anderen Seite verringert sich die Größe der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration. Die Reduzierung der Verbreiterung des Tropfenspektrums stimmt mit den Ergebnissen aus Messungen überein und unterstützt das Konzept der Unterdrückung von Niederschlag in stark verschmutzen Wolken.Mit Hilfe des Models ATHAM wurden die dynamischen und mikrophysikalischen Prozesse von pyro-konvektiven Wolken, aufbauend auf einer realistischen Parametrisierung der Aktivierung von Aerosolpartikeln durch die Ergebnisse der Aktivierungsstudie, mit zwei- und dreidimensionalen Simulationen untersucht. Ein modernes zweimomenten mikrophysikalisches Schema wurde in ATHAM implementiert, um den Einfluss der Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln auf die Entwicklung von idealisierten pyro-konvektiven Wolken in US Standardamtosphären für die mittleren Breiten und den Tropen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel die Bildung von Regen beeinflusst. Für geringe Aerosolkonzentrationen findet die rasche Regenbildung hauptsächlich durch warme mikrophysikalische Prozesse statt. Für höhere Aerosolkonzentrationen ist die Eisphase wichtiger für die Bildung von Regen. Dies führt zu einem verspäteten Einsetzen von Niederschlag für verunreinigtere Atmosphären. Außerdem wird gezeigt, dass die Zusammensetzung der Eisnukleationspartikel (IN) einen starken Einfluss auf die dynamische und mikrophysikalische Struktur solcher Wolken hat. Bei sehr effizienten IN bildet sich Regen früher. Die Untersuchung zum Einfluss des atmosphärischen Hintergrundprofils zeigt eine geringe Auswirkung der Meteorologie auf die Sensitivität der pyro-konvektiven Wolken auf diernAerosolkonzentration. Zum Abschluss wird gezeigt, dass die durch das Feuer emittierte Hitze einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung und die Wolkenobergrenze von pyro-konvektive Wolken hat. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in dieser Dissertation die Mikrophysik von pyrokonvektiven Wolken mit Hilfe von idealisierten Simulation eines Wolkenpaketmodell mit detaillierte spektraler Mikrophysik und eines 3D Modells mit einem zweimomenten Schema im Detail untersucht wurde. Es wird gezeigt, dass die extremen Bedingungen im Bezug auf die vertikale Windgeschwindigkeiten und Aerosolkonzentrationen einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung von pyro-konvektiven Wolken haben.

Analysis and numerical solution of the Peterlin viscoelastic model

Liquids and gasses form a vital part of nature. Many of these are complex fluids with non-Newtonian behaviour. We introduce a mathematical model describing the unsteady motion of an incompressible polymeric fluid. Each polymer molecule is treated as two beads connected by a spring. For the nonlinear spring force it is not possible to obtain a closed system of equations, unless we approximate the force law. The Peterlin approximation replaces the length of the spring by the length of the average spring. Consequently, the macroscopic dumbbell-based model for dilute polymer solutions is obtained. The model consists of the conservation of mass and momentum and time evolution of the symmetric positive definite conformation tensor, where the diffusive effects are taken into account. In two space dimensions we prove global in time existence of weak solutions. Assuming more regular data we show higher regularity and consequently uniqueness of the weak solution. For the Oseen-type Peterlin model we propose a linear pressure-stabilized characteristics finite element scheme. We derive the corresponding error estimates and we prove, for linear finite elements, the optimal first order accuracy. Theoretical error of the pressure-stabilized characteristic finite element scheme is confirmed by a series of numerical experiments.