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.

Thermal fluctuations and boundary conditions in the lattice Boltzmann method

The lattice Boltzmann method is a popular approach for simulating hydrodynamic interactions in soft matter and complex fluids. The solvent is represented on a discrete lattice whose nodes are populated by particle distributions that propagate on the discrete links between the nodes and undergo local collisions. On large length and time scales, the microdynamics leads to a hydrodynamic flow field that satisfies the Navier-Stokes equation. In this thesis, several extensions to the lattice Boltzmann method are developed. In complex fluids, for example suspensions, Brownian motion of the solutes is of paramount importance. However, it can not be simulated with the original lattice Boltzmann method because the dynamics is completely deterministic. It is possible, though, to introduce thermal fluctuations in order to reproduce the equations of fluctuating hydrodynamics. In this work, a generalized lattice gas model is used to systematically derive the fluctuating lattice Boltzmann equation from statistical mechanics principles. The stochastic part of the dynamics is interpreted as a Monte Carlo process, which is then required to satisfy the condition of detailed balance. This leads to an expression for the thermal fluctuations which implies that it is essential to thermalize all degrees of freedom of the system, including the kinetic modes. The new formalism guarantees that the fluctuating lattice Boltzmann equation is simultaneously consistent with both fluctuating hydrodynamics and statistical mechanics. This establishes a foundation for future extensions, such as the treatment of multi-phase and thermal flows. An important range of applications for the lattice Boltzmann method is formed by microfluidics. Fostered by the "lab-on-a-chip" paradigm, there is an increasing need for computer simulations which are able to complement the achievements of theory and experiment. Microfluidic systems are characterized by a large surface-to-volume ratio and, therefore, boundary conditions are of special relevance. On the microscale, the standard no-slip boundary condition used in hydrodynamics has to be replaced by a slip boundary condition. In this work, a boundary condition for lattice Boltzmann is constructed that allows the slip length to be tuned by a single model parameter. Furthermore, a conceptually new approach for constructing boundary conditions is explored, where the reduced symmetry at the boundary is explicitly incorporated into the lattice model. The lattice Boltzmann method is systematically extended to the reduced symmetry model. In the case of a Poiseuille flow in a plane channel, it is shown that a special choice of the collision operator is required to reproduce the correct flow profile. This systematic approach sheds light on the consequences of the reduced symmetry at the boundary and leads to a deeper understanding of boundary conditions in the lattice Boltzmann method. This can help to develop improved boundary conditions that lead to more accurate simulation results.

Entropia, reversibilidade, irreversibilidade, equação de transporte e teorema H de Boltzmann e o teorema do retorno de Poincaré

Neste trabalho analisamos as conexões entre entropia, reversibilidade, irreversibilidade, teorema H e equação de transporte de Boltzmann e o teorema de retorno de Poincaré. Estes tópicos são estudados separadamente em muitos artigos e livros, mas não são em geral analisados em conjunto mostrando as relações entre eles como fizemos aqui. Procuramos redigir o artigo didaticamente seguindo um caminho que achamos ser o mais simples possível a fim de tornar o conteúdo acessível aos alunos de graduação de física.

New Analytic Solution of Boltzmann Transform for Horizontal Water Infiltration into Sand

The use of the Boltzmann transform function, lambda(theta), to solve the Richards equation when the diffusivity, D, is a function of only soil water content,., is now commonplace in the literature. Nevertheless, a new analytic solution of the Boltzmann transform lambda(h) as a function of matric potential for horizontal water infiltration into a sand was derived without invoking the concept or use of D(theta). The derivation assumes that a similarity exists between the soil water retention function and the Boltzmann transform lambda(theta). The solution successfully described soil water content profiles experimentally measured for different infiltration times into a homogeneous sand and agrees with those presented by Philip in 1955 and 1957. The applicability of this solution for all soils remains open, but it is anticipated to hold for soils whose air-filled pore-size distribution before wetting is sufficiently narrow to yield a sharp increase of water content at the wetting front during infiltration. It also improves and provides a versatile alternative to the well-known analysis pioneered by Green and Ampt in 1911.

Multiphase flow in the vascular system of wood: From microscopic exploration to 3-D Lattice Boltzmann experiments

This paper provides insights into liquid free water dynamics in wood vessels based on Lattice Boltzmann experiments. The anatomy of real wood samples was reconstructed from systematic 3-D analyses of the vessel contours derived from successive microscopic images. This virtual vascular system was then used to supply fluid-solid boundary conditions to a two-phase Lattice Boltzmann scheme and investigate capillary invasion of this hydrophilic porous medium. Behavior of the liquid phase was strongly dependent on anatomical features, especially vessel bifurcations and reconnections. Various parameters were examined in numerical experiments with ideal vessel bifurcations, to clarify our interpretation of these features. (c) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Protein fold recognition without Boltzmann statistics or explicit physical basis

We present a fast method for finding optimal parameters for a low-resolution (threading) force field intended to distinguish correct from incorrect folds for a given protein sequence. In contrast to other methods, the parameterization uses information from >10(7) misfolded structures as well as a set of native sequence-structure pairs. In addition to testing the resulting force field's performance on the protein sequence threading problem, results are shown that characterize the number of parameters necessary for effective structure recognition.

Anwendung der Coupled-Cluster-Methode zur Untersuchung frustrierter quasi-eindimensionaler und zweidimensionaler Quantenspinsysteme

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2010

Deformationsbasierte Morphometrie : eine Methode zur Analyse hirnstruktureller Veränderungen

DBM, schizophrenia, morphometry, computational neuroanatomy

Anwendung der Elektronenspinresonanzspektrometrie und der Spin-Trapping-Methode für die Untersuchung der Wirkung von Retinoiden und Carotinoiden auf die Bildung von Sauerstoffradikalen in stimulierten neutrophilen Granulozyten

EPR ROS spin traps neutrophils psoriasis retinoids carotenoids

Methode zur integrierten ökologischen und ökonomischen Bewertung von Produktionsprozessen und -technologien

Assessment, environmental management, production planning, life cycle assessment, costs, activity based costing, inetragtion, model, process, technology

Polymere Oberflächenbeschichtung : eine Methode zur Herstellung von Trägermaterialien für die Biochromatographie

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Habil.-Schr., 2003

Methode und Anwendungen einer wissensorientierten Fabrikmodellierung

Factory planning, Factory modeling, Semantic Knowledge Representation, Digital Factory Planning, Digital Factory

Monaurale Stimuluspräsentation mit kontralateraler Rauschpräsentation als neue Methode zur Untersuchung lateralisierter Verarbeitung im menschlichen Hörkortex

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2008