Fluid-structure interaction by a coupled lattice Boltzmann-finite element approach

In this thesis, a strategy to model the behavior of fluids and their interaction with deformable bodies is proposed. The fluid domain is modeled by using the lattice Boltzmann method, thus analyzing the fluid dynamics by a mesoscopic point of view. It has been proved that the solution provided by this method is equivalent to solve the Navier-Stokes equations for an incompressible flow with a second-order accuracy. Slender elastic structures idealized through beam finite elements are used. Large displacements are accounted for by using the corotational formulation. Structural dynamics is computed by using the Time Discontinuous Galerkin method. Therefore, two different solution procedures are used, one for the fluid domain and the other for the structural part, respectively. These two solvers need to communicate and to transfer each other several information, i.e. stresses, velocities, displacements. In order to guarantee a continuous, effective, and mutual exchange of information, a coupling strategy, consisting of three different algorithms, has been developed and numerically tested. In particular, the effectiveness of the three algorithms is shown in terms of interface energy artificially produced by the approximate fulfilling of compatibility and equilibrium conditions at the fluid-structure interface. The proposed coupled approach is used in order to solve different fluid-structure interaction problems, i.e. cantilever beams immersed in a viscous fluid, the impact of the hull of the ship on the marine free-surface, blood flow in a deformable vessels, and even flapping wings simulating the take-off of a butterfly. The good results achieved in each application highlight the effectiveness of the proposed methodology and of the C++ developed software to successfully approach several two-dimensional fluid-structure interaction problems.

Cosmological predictions for a scalar tensor dark energy model by a dedicated Einstein-Boltzmann code

We have extended the Boltzmann code CLASS and studied a specific scalar tensor dark energy model: Induced Gravity

Imaging and modeling of pore scale processes in porous media using X-ray computed tomography and lattice Boltzmann solver

In der Erdöl– und Gasindustrie sind bildgebende Verfahren und Simulationen auf der Porenskala im Begriff Routineanwendungen zu werden. Ihr weiteres Potential lässt sich im Umweltbereich anwenden, wie z.B. für den Transport und Verbleib von Schadstoffen im Untergrund, die Speicherung von Kohlendioxid und dem natürlichen Abbau von Schadstoffen in Böden. Mit der Röntgen-Computertomografie (XCT) steht ein zerstörungsfreies 3D bildgebendes Verfahren zur Verfügung, das auch häufig für die Untersuchung der internen Struktur geologischer Proben herangezogen wird. Das erste Ziel dieser Dissertation war die Implementierung einer Bildverarbeitungstechnik, die die Strahlenaufhärtung der Röntgen-Computertomografie beseitigt und den Segmentierungsprozess dessen Daten vereinfacht. Das zweite Ziel dieser Arbeit untersuchte die kombinierten Effekte von Porenraumcharakteristika, Porentortuosität, sowie die Strömungssimulation und Transportmodellierung in Porenräumen mit der Gitter-Boltzmann-Methode. In einer zylindrischen geologischen Probe war die Position jeder Phase auf Grundlage der Beobachtung durch das Vorhandensein der Strahlenaufhärtung in den rekonstruierten Bildern, das eine radiale Funktion vom Probenrand zum Zentrum darstellt, extrahierbar und die unterschiedlichen Phasen ließen sich automatisch segmentieren. Weiterhin wurden Strahlungsaufhärtungeffekte von beliebig geformten Objekten durch einen Oberflächenanpassungsalgorithmus korrigiert. Die Methode der „least square support vector machine” (LSSVM) ist durch einen modularen Aufbau charakterisiert und ist sehr gut für die Erkennung und Klassifizierung von Mustern geeignet. Aus diesem Grund wurde die Methode der LSSVM als pixelbasierte Klassifikationsmethode implementiert. Dieser Algorithmus ist in der Lage komplexe geologische Proben korrekt zu klassifizieren, benötigt für den Fall aber längere Rechenzeiten, so dass mehrdimensionale Trainingsdatensätze verwendet werden müssen. Die Dynamik von den unmischbaren Phasen Luft und Wasser wird durch eine Kombination von Porenmorphologie und Gitter Boltzmann Methode für Drainage und Imbibition Prozessen in 3D Datensätzen von Böden, die durch synchrotron-basierte XCT gewonnen wurden, untersucht. Obwohl die Porenmorphologie eine einfache Methode ist Kugeln in den verfügbaren Porenraum einzupassen, kann sie dennoch die komplexe kapillare Hysterese als eine Funktion der Wassersättigung erklären. Eine Hysterese ist für den Kapillardruck und die hydraulische Leitfähigkeit beobachtet worden, welche durch die hauptsächlich verbundenen Porennetzwerke und der verfügbaren Porenraumgrößenverteilung verursacht sind. Die hydraulische Konduktivität ist eine Funktion des Wassersättigungslevels und wird mit einer makroskopischen Berechnung empirischer Modelle verglichen. Die Daten stimmen vor allem für hohe Wassersättigungen gut überein. Um die Gegenwart von Krankheitserregern im Grundwasser und Abwässern vorhersagen zu können, wurde in einem Bodenaggregat der Einfluss von Korngröße, Porengeometrie und Fluidflussgeschwindigkeit z.B. mit dem Mikroorganismus Escherichia coli studiert. Die asymmetrischen und langschweifigen Durchbruchskurven, besonders bei höheren Wassersättigungen, wurden durch dispersiven Transport aufgrund des verbundenen Porennetzwerks und durch die Heterogenität des Strömungsfeldes verursacht. Es wurde beobachtet, dass die biokolloidale Verweilzeit eine Funktion des Druckgradienten als auch der Kolloidgröße ist. Unsere Modellierungsergebnisse stimmen sehr gut mit den bereits veröffentlichten Daten überein.

Two dimensional Lattice Boltzmann simulation of fluid flow through an idealized micro-structure of disordered media

This technical report discusses the application of Lattice Boltzmann Method (LBM) in the fluid flow simulation through porous filter-wall of disordered media. The diesel particulate filter (DPF) is an example of disordered media. DPF is developed as a cutting edge technology to reduce harmful particulate matter in the engine exhaust. Porous filter-wall of DPF traps these soot particles in the after-treatment of the exhaust gas. To examine the phenomena inside the DPF, researchers are looking forward to use the Lattice Boltzmann Method as a promising alternative simulation tool. The lattice Boltzmann method is comparatively a newer numerical scheme and can be used to simulate fluid flow for single-component single-phase, single-component multi-phase. It is also an excellent method for modelling flow through disordered media. The current work focuses on a single-phase fluid flow simulation inside the porous micro-structure using LBM. Firstly, the theory concerning the development of LBM is discussed. LBM evolution is always related to Lattice gas Cellular Automata (LGCA), but it is also shown that this method is a special discretized form of the continuous Boltzmann equation. Since all the simulations are conducted in two-dimensions, the equations developed are in reference with D2Q9 (two-dimensional 9-velocity) model. The artificially created porous micro-structure is used in this study. The flow simulations are conducted by considering air and CO2 gas as fluids. The numerical model used in this study is explained with a flowchart and the coding steps. The numerical code is constructed in MATLAB. Different types of boundary conditions and their importance is discussed separately. Also the equations specific to boundary conditions are derived. The pressure and velocity contours over the porous domain are studied and recorded. The results are compared with the published work. The permeability values obtained in this study can be fitted to the relation proposed by Nabovati [8], and the results are in excellent agreement within porosity range of 0.4 to 0.8.

LATTICE BOLTZMANN METHOD AND CELLULAR AUTOMATA SIMULATION OF PARTICLE MOTION AND DEPOSITION IN 2-D CASE

This technical report discusses the application of the Lattice Boltzmann Method (LBM) and Cellular Automata (CA) simulation in fluid flow and particle deposition. The current work focuses on incompressible flow simulation passing cylinders, in which we incorporate the LBM D2Q9 and CA techniques to simulate the fluid flow and particle loading respectively. For the LBM part, the theories of boundary conditions are studied and verified using the Poiseuille flow test. For the CA part, several models regarding simulation of particles are explained. And a new Digital Differential Analyzer (DDA) algorithm is introduced to simulate particle motion in the Boolean model. The numerical results are compared with a previous probability velocity model by Masselot [Masselot 2000], which shows a satisfactory result.

COEFPLOT: Stata module to plot regression coefficients and other results

coefplot plots results from estimation commands or Stata matrices. Results from multiple models or matrices can be combined in a single graph. The default behavior of coefplot is to draw markers for coefficients and horizontal spikes for confidence intervals. However, coefplot can also produce various other types of graphs.

ADDPLOT: Stata module to add twoway plot objects to an existing twoway graph

addplot adds twoway plot objects to an existing twoway graph. This is useful if you want to add additional objects such as titles or extra data points to a twoway graph after it has been created. Most of what addplot can do, can also be done by rerunning the original graph command including additional options or plot statements. addplot, however, might be useful if you have to modify a graph for which you cannot rerun the original command, for example, because you only have the graph file but not the data that were used to create the graph. Furthermore, addplot can do certain things that would be difficult to achieve in a single graph command (e.g. customizing individual subgraphs within a by-graph). addplot also provides a substitute for some of the functionality of the graph editor.

Carnot Cycles: Traditional and Stefan Boltzmann, and the First Planck Argument

The Stefan Boltzmann equation is obtained using a non-traditional Carnot Engine. In addition, the original Planck argument for radiation density is given.