Between the scales: Water from different perspectives

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Wassermodelle in sogenannten Multiskalen-Computersimulationen mit zwei Auflösungen untersucht, in atomistischer Auflösung und in einer vergröberten Auflösung, die als "coarse-grained" bezeichnet wird. In der atomistischen Auflösung wird ein Wassermolekül, entsprechend seiner chemischen Struktur, durch drei Atome beschrieben, im Gegensatz dazu wird ein Molekül in der coarse-grained Auflösung durch eine Kugel dargestellt.rnrnDie coarse-grained Modelle, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, werden mit verschiedenen coarse-graining Methoden entwickelt. Hierbei kommen hauptsächlich die "iterative Boltzmann Inversion" und die "iterative Monte Carlo Inversion" zum Einsatz. Beides sind struktur-basierte Ansätze, die darauf abzielen bestimmte strukturelle Eigenschaften, wie etwa die Paarverteilungsfunktionen, des zugrundeliegenden atomistischen Systems zu reproduzieren. Zur automatisierten Anwendung dieser Methoden wurde das Softwarepaket "Versatile Object-oriented Toolkit for Coarse-Graining Applications" (VOTCA) entwickelt.rnrnEs wird untersucht, in welchem Maße coarse-grained Modelle mehrere Eigenschaftenrndes zugrundeliegenden atomistischen Modells gleichzeitig reproduzieren können, z.B. thermodynamische Eigenschaften wie Druck und Kompressibilität oder strukturelle Eigenschaften, die nicht zur Modellbildung verwendet wurden, z.B. das tetraedrische Packungsverhalten, welches für viele spezielle Eigenschaft von Wasser verantwortlich ist.rnrnMit Hilfe des "Adaptive Resolution Schemes" werden beide Auflösungen in einer Simulation kombiniert. Dabei profitiert man von den Vorteilen beider Modelle:rnVon der detaillierten Darstellung eines räumlich kleinen Bereichs in atomistischer Auflösung und von der rechnerischen Effizienz des coarse-grained Modells, die den Bereich simulierbarer Zeit- und Längenskalen vergrössert.rnrnIn diesen Simulationen kann der Einfluss des Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerks auf die Hydration von Fullerenen untersucht werden. Es zeigt sich, dass die Struktur der Wassermoleküle an der Oberfläche hauptsächlich von der Art der Wechselwirkung zwischen dem Fulleren und Wasser und weniger von dem Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk dominiert wird.rn

hp-Adaptive simulation and inversion of magnetotelluric measurements

xlix, 121 p.

Scale bridging concepts in molecular simulation : coarse-graining and thermodynamic coupling

In dieser Arbeit wurden Simulation von Flüssigkeiten auf molekularer Ebene durchgeführt, wobei unterschiedliche Multi-Skalen Techniken verwendet wurden. Diese erlauben eine effektive Beschreibung der Flüssigkeit, die weniger Rechenzeit im Computer benötigt und somit Phänomene auf längeren Zeit- und Längenskalen beschreiben kann.rnrnEin wesentlicher Aspekt ist dabei ein vereinfachtes (“coarse-grained”) Modell, welches in einem systematischen Verfahren aus Simulationen des detaillierten Modells gewonnen wird. Dabei werden ausgewählte Eigenschaften des detaillierten Modells (z.B. Paar-Korrelationsfunktion, Druck, etc) reproduziert.rnrnEs wurden Algorithmen untersucht, die eine gleichzeitige Kopplung von detaillierten und vereinfachten Modell erlauben (“Adaptive Resolution Scheme”, AdResS). Dabei wird das detaillierte Modell in einem vordefinierten Teilvolumen der Flüssigkeit (z.B. nahe einer Oberfläche) verwendet, während der Rest mithilfe des vereinfachten Modells beschrieben wird.rnrnHierzu wurde eine Methode (“Thermodynamische Kraft”) entwickelt um die Kopplung auch dann zu ermöglichen, wenn die Modelle in verschiedenen thermodynamischen Zuständen befinden. Zudem wurde ein neuartiger Algorithmus der Kopplung beschrieben (H-AdResS) der die Kopplung mittels einer Hamilton-Funktion beschreibt. In diesem Algorithmus ist eine zur Thermodynamischen Kraft analoge Korrektur mit weniger Rechenaufwand möglich.rnrnAls Anwendung dieser grundlegenden Techniken wurden Pfadintegral Molekulardynamik (MD) Simulationen von Wasser untersucht. Mithilfe dieser Methode ist es möglich, quantenmechanische Effekte der Kerne (Delokalisation, Nullpunktsenergie) in die Simulation einzubeziehen. Hierbei wurde zuerst eine Multi-Skalen Technik (“Force-matching”) verwendet um eine effektive Wechselwirkung aus einer detaillierten Simulation auf Basis der Dichtefunktionaltheorie zu extrahieren. Die Pfadintegral MD Simulation verbessert die Beschreibung der intra-molekularen Struktur im Vergleich mit experimentellen Daten. Das Modell eignet sich auch zur gleichzeitigen Kopplung in einer Simulation, wobei ein Wassermolekül (beschrieben durch 48 Punktteilchen im Pfadintegral-MD Modell) mit einem vereinfachten Modell (ein Punktteilchen) gekoppelt wird. Auf diese Weise konnte eine Wasser-Vakuum Grenzfläche simuliert werden, wobei nur die Oberfläche im Pfadintegral Modell und der Rest im vereinfachten Modell beschrieben wird.

Shape-optimized mesh partitioning and load balancing for parallel adaptive FEM

We present a dynamic distributed load balancing algorithm for parallel, adaptive Finite Element simulations in which we use preconditioned Conjugate Gradient solvers based on domain-decomposition. The load balancing is designed to maintain good partition aspect ratio and we show that cut size is not always the appropriate measure in load balancing. Furthermore, we attempt to answer the question why the aspect ratio of partitions plays an important role for certain solvers. We define and rate different kinds of aspect ratio and present a new center-based partitioning method of calculating the initial distribution which implicitly optimizes this measure. During the adaptive simulation, the load balancer calculates a balancing flow using different versions of the diffusion algorithm and a variant of breadth first search. Elements to be migrated are chosen according to a cost function aiming at the optimization of subdomain shapes. Experimental results for Bramble's preconditioner and comparisons to state-of-the-art load balancers show the benefits of the construction.

Application of scalar dissipation rate modelling to industrial burners in partially premixed regimes

The objective of this paper is to test various available turbulent burning velocity models on an experimental version of Siemens small scale combustor using the commercial CFD code. Failure of burning velocity model with different expressions for turbulent burning velocity is observed with an unphysical flame flashback into the swirler. Eddy Dissipation Model/Finite Rate Chemistry is found to over-predict mean temperature and species concentrations. Solving for reaction progress equation with its variance using scalar dissipation rate modelling produced reasonably good agreement with the available experimental data. Two different turbulence models Shear Stress Transport (SST) and Scale Adaptive Simulation (SAS) SST are tested and results from transient SST simulations are observed to be predicting well. SAS-SST is found to under-predict with temperature and species distribution.

Application of scalar dissipation rate model to siemens DLE combustors

The standard design process for the Siemens Industrial Turbomachinery, Lincoln, Dry Low Emissions combustion systems has adopted the Eddy Dissipation Model with Finite Rate Chemistry for reacting computational fluid dynamics simulations. The major drawbacks of this model have been the over-prediction of temperature and lack of species data limiting the applicability of the model. A novel combustion model referred to as the Scalar Dissipation Rate Model has been developed recently based on a flamelet type assumption. Previous attempts to adopt the flamelet philosophy with alternative closure models have failed, with the prediction of unphysical phenomenon. The Scalar Dissipation Rate Model (SDRM) was developed from a physical understanding of scalar dissipation rate, signifying the rate of mixing of hot and cold fluids at scales relevant to sustain combustion, in flames and was validated using direct numerical simulations data and experimental measurements. This paper reports on the first industrial application of the SDRM to SITL DLE combustion system. Previous applications have considered ideally premixed laboratory scale flames. The industrial application differs significantly in the complexity of the geometry, unmixedness and operating pressures. The model was implemented into ANSYS-CFX using their inbuilt command language. Simulations were run transiently using Scale Adaptive Simulation turbulence model, which switches between Large Eddy Simulation and Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes using a blending function. The model was validated in a research SITL DLE combustion system prior to being applied to the actual industrial geometry at real operating conditions. This system consists of the SGT-100 burner with a glass square-sectioned combustor allowing for detailed diagnostics. This paper shows the successful validation of the SDRM against time averaged temperature and velocity within measurement errors. The successful validation allowed application of the SDRM to the SGT-100 twin shaft at the relevant full load conditions. Limited validation data was available due to the complexity of measurement in the real geometry. Comparison of surface temperatures and combustor exit temperature profiles showed an improvement compared to EDM/FRC model. Furthermore, no unphysical phenomena were predicted. This paper presents the successful application of the SDRM to the industrial combustion system. The model shows a marked improvement in the prediction of temperature over the EDM/FRC model previously used. This is of significant importance in the future applications of combustion CFD for understanding of hardware mechanical integrity, combustion emissions and dynamics of the flame. Copyright © 2012 by ASME.

Untersuchungen zur Genauigkeit adaptiver unstetiger Galerkin-Simulationen mit Hilfe von Luftblasen-Testfällen

Allgemein erlaubt adaptive Gitterverfeinerung eine Steigerung der Effizienz numerischer Simulationen ohne dabei die Genauigkeit des Ergebnisses signifikant zu verschlechtern. Es ist jedoch noch nicht erforscht, in welchen Bereichen des Rechengebietes die räumliche Auflösung tatsächlich vergröbert werden kann, ohne die Genauigkeit des Ergebnisses signifikant zu beeinflussen. Diese Frage wird hier für ein konkretes Beispiel von trockener atmosphärischer Konvektion untersucht, nämlich der Simulation von warmen Luftblasen. Zu diesem Zweck wird ein neuartiges numerisches Modell entwickelt, das auf diese spezielle Anwendung ausgerichtet ist. Die kompressiblen Euler-Gleichungen werden mit einer unstetigen Galerkin Methode gelöst. Die Zeitintegration geschieht mit einer semi-implizite Methode und die dynamische Adaptivität verwendet raumfüllende Kurven mit Hilfe der Funktionsbibliothek AMATOS. Das numerische Modell wird validiert mit Hilfe einer Konvergenzstudie und fünf Standard-Testfällen. Eine Methode zum Vergleich der Genauigkeit von Simulationen mit verschiedenen Verfeinerungsgebieten wird eingeführt, die ohne das Vorhandensein einer exakten Lösung auskommt. Im Wesentlichen geschieht dies durch den Vergleich von Eigenschaften der Lösung, die stark von der verwendeten räumlichen Auflösung abhängen. Im Fall einer aufsteigenden Warmluftblase ist der zusätzliche numerische Fehler durch die Verwendung der Adaptivität kleiner als 1% des gesamten numerischen Fehlers, wenn die adaptive Simulation mehr als 50% der Elemente einer uniformen hoch-aufgelösten Simulation verwendet. Entsprechend ist die adaptive Simulation fast doppelt so schnell wie die uniforme Simulation.

An adaptive drug delivery design using neural networks for effective treatment of infectious diseases: A simulation study

An adaptive drug delivery design is presented in this paper using neural networks for effective treatment of infectious diseases. The generic mathematical model used describes the coupled evolution of concentration of pathogens, plasma cells, antibodies and a numerical value that indicates the relative characteristic of a damaged organ due to the disease under the influence of external drugs. From a system theoretic point of view, the external drugs can be interpreted as control inputs, which can be designed based on control theoretic concepts. In this study, assuming a set of nominal parameters in the mathematical model, first a nonlinear controller (drug administration) is designed based on the principle of dynamic inversion. This nominal drug administration plan was found to be effective in curing "nominal model patients" (patients whose immunological dynamics conform to the mathematical model used for the control design exactly. However, it was found to be ineffective in curing "realistic model patients" (patients whose immunological dynamics may have off-nominal parameter values and possibly unwanted inputs) in general. Hence, to make the drug delivery dosage design more effective for realistic model patients, a model-following adaptive control design is carried out next by taking the help of neural networks, that are trained online. Simulation studies indicate that the adaptive controller proposed in this paper holds promise in killing the invading pathogens and healing the damaged organ even in the presence of parameter uncertainties and continued pathogen attack. Note that the computational requirements for computing the control are very minimal and all associated computations (including the training of neural networks) can be carried out online. However it assumes that the required diagnosis process can be carried out at a sufficient faster rate so that all the states are available for control computation.

Numerical simulation of an adaptive optics system with laser propagation in the atmosphere

A comprehensive model of laser propagation in the atmosphere with a complete adaptive optics (AO) system for phase compensation is presented, and a corresponding computer program is compiled. A direct wave-front gradient control method is used to reconstruct the wave-front phase. With the long-exposure Strehl ratio as the evaluation parameter, a numerical simulation of an AO system in a stationary state with the atmospheric propagation of a laser beam was conducted. It was found that for certain conditions the phase screen that describes turbulence in the atmosphere might not be isotropic. Numerical experiments show that the computational results in imaging of lenses by means of the fast Fourier transform (FFT) method agree well with those computed by means of an integration method. However, the computer time required for the FFT method is 1 order of magnitude less than that of the integration method. Phase tailoring of the calculated phase is presented as a means to solve the problem that variance of the calculated residual phase does not correspond to the correction effectiveness of an AO system. It is found for the first time to our knowledge that for a constant delay time of an AO system, when the lateral wind speed exceeds a threshold, the compensation effectiveness of an AO system is better than that of complete phase conjugation. This finding indicates that the better compensation capability of an AO system does not mean better correction effectiveness. (C) 2000 Optical Society of America.

Cone Effect in Astronomical Adaptive Optics System Investigated by a Pure Numerical Simulation

It is well-known that cone effect or focus anisoplanatism is produced by the limited distance of a laser guide star (LGS) which is created within the Earth atmosphere and consequently located at a finite distance from the observer. In this paper, the cone effect of the LGS for different vertical profiles of the refractive index structure constant Cn2 is numerically investigated by using a revised computer program of atmospheric propagation of optical wave and an adaptive optics (AO) system including dynamic control process. According to the practice, the overall tilt for the tilt-correction mirror is obtained from a natural star and the aberrated wavefront for phase correction of the deformable mirror is obtained from a LGS in our numerical simulation. It is surprisingly found that the effect of altitude of the LGS on the AO phase compensation effectiveness by using the commonly-available vertical profiles of Cn2 and the lateral wind speed in the atmosphere is relatively weak, and the cone effect for some Cn2 profiles is even negligible. It is found that the cone effect does not have obvious relationship with the turbulence strength, however, it depends on the vertical distribution profile of Cn 2 apparently. On the other hand, the cone effect depends on the vertical distribution of the lateral wind speed as well. In comparison to a longer wavelength, the cone effect becomes more obvious in the case of a shorter wavelength. In all cases concerned in this paper, an AO system by using a sodium guide star has almost same phase compensation effectiveness as that by using the astronomical target itself as a beacon. Effect of dynamic control process in an AO system on the cone effect is studied in this paper for the first time within our knowledge.