Simulation of particulate electrodynamic flows with the Subspace Projection Method

Simulation von partikelbehafteten elektrodynamischen Strömungen mit der Unterraumprojektionsmethode

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-36088
  • A novel finite element method for the 3d simulation of (many) particles in a Newtonian carrier liquid is presented. The method features the celebrated one domain approach to simplify the spatial discretization, a newly developed subspace projection method to account for the rigid body motion within the particles and an operator splitting to decouple the nonlinearities. Combined with local mesh refinement the method results in a fast and accurate algorithm which is, in addition conceptually simple to implement. Validation is achieved using the sedimentation of a single particle and comparing the resulting drag coefficient with theoretical and experimental results. Furthermore, a viscometer isA novel finite element method for the 3d simulation of (many) particles in a Newtonian carrier liquid is presented. The method features the celebrated one domain approach to simplify the spatial discretization, a newly developed subspace projection method to account for the rigid body motion within the particles and an operator splitting to decouple the nonlinearities. Combined with local mesh refinement the method results in a fast and accurate algorithm which is, in addition conceptually simple to implement. Validation is achieved using the sedimentation of a single particle and comparing the resulting drag coefficient with theoretical and experimental results. Furthermore, a viscometer is considered where the effective viscosity of a particle laden fluid is compared with analytic results. Furthermore, a method for the solution of the Nernst–Planck–Poisson equations is presented. These equations describe the distribution of the concentration of charged substances in a fluid. Validation is carried out by stationary solutions of the equations. Finally, both methods are combined for the simulation of particulate electrodynamic flows.show moreshow less
  • Diese Arbeit befasst sich mit einer neuartigen Finite Elemente Methode zur 3d Simulation einer großen Zahl von Partikeln in einem Newtonschen Trägerfluid. Die Methode nutzt den bekannten Ein Gebiet Ansatz zur vereinfachen örtlichen Diskretisierung, eine neu entwickelte Unterraumprojektionsmethode (SPM) zur Erzwingung der Festkörperbewegung innerhalb der Partikel und ein Operator Splitting zur Entkopplung der Nichtlinearitäten. In Kombination mit lokaler Gitteradaptivität resultiert die Methode in einen schnellen, genauen und zudem konzeptionell einfach zu implementierenden Algorithmus. Zur Validierung der Methode wird die Sedimentation eines Einzelpartikels betrachtet. Der darausDiese Arbeit befasst sich mit einer neuartigen Finite Elemente Methode zur 3d Simulation einer großen Zahl von Partikeln in einem Newtonschen Trägerfluid. Die Methode nutzt den bekannten Ein Gebiet Ansatz zur vereinfachen örtlichen Diskretisierung, eine neu entwickelte Unterraumprojektionsmethode (SPM) zur Erzwingung der Festkörperbewegung innerhalb der Partikel und ein Operator Splitting zur Entkopplung der Nichtlinearitäten. In Kombination mit lokaler Gitteradaptivität resultiert die Methode in einen schnellen, genauen und zudem konzeptionell einfach zu implementierenden Algorithmus. Zur Validierung der Methode wird die Sedimentation eines Einzelpartikels betrachtet. Der daraus resultierende Widerstandsbeiwert wird mit theoretischen und experimentellen Ergebnissen verglichen. Mit der Simulation eines Viskometers wird die effektive Viskosität eines mit vielen Partikeln versetzten Fluids berechnet und ebenfalls mit analytischen Resultaten verglichen. Des weiteren wird eine Methode zur Lösung der Nernst–Planck–Poisson Gleichungen vorgestellt. Diese dienen der Beschreibung der Konzentrationsverteilung von geladenen Stoffen innerhalb eines Fluids unter externen Potentialdifferenzen. Eine Validierung wird mittels stationärer Testfälle durchgeführt. Zum Schluss werden beide Methoden zur Simulation von ionenhaltigen, partikelbehafteten Strömungen benutzt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Rodolphe Prignitz
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-36088
Advisor:Eberhard Bänsch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2013
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Acceptance date of the thesis:2013/08/16
Release Date:2013/09/19
Tag:Finite Elemente; Navier–Stokes; Nernst–Planck–Poisson; Partikelbehaftete Strömungen; Unterraumprojektion
Finite Element; Navier–Stokes; Nernst–Planck–Poisson; Particulate Flows; Subspace Projection
SWD-Keyword:Finite-Elemente-Methode; Fehlerabschätzung; Algorithmus; Fluid; Partikel
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 51 Mathematik / 510 Mathematik
MSC-Classification:65-XX NUMERICAL ANALYSIS / 65Nxx Partial differential equations, boundary value problems / 65N08 Finite volume methods
65-XX NUMERICAL ANALYSIS / 65Nxx Partial differential equations, boundary value problems / 65N15 Error bounds
65-XX NUMERICAL ANALYSIS / 65Nxx Partial differential equations, boundary value problems / 65N22 Solution of discretized equations [See also 65Fxx, 65Hxx]
76-XX FLUID MECHANICS (For general continuum mechanics, see 74Axx, or other parts of 74-XX) / 76Mxx Basic methods in fluid mechanics [See also 65-XX] / 76M10 Finite element methods
76-XX FLUID MECHANICS (For general continuum mechanics, see 74Axx, or other parts of 74-XX) / 76Txx Two-phase and multiphase flows / 76T20 Suspensions
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