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Titel: High-Performance Computing of Flow, Diffusion, and Hydrodynamic Dispersion in Random Sphere Packings
Autor: Khirevich, Siarhei
Weitere Beteiligte: Tallarek, Ulrich (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0057
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-00578
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0057
DDC: Naturwissenschaften
Titel(trans.): Hochleistungssimulation von Druckfluss, Diffusion, und hydrodynamische Dispersion in Zufallskugelpackungen

Dokument

Schlagwörter:
lattice Boltzmann method, hydrodynamic dispersion, random walk particle tracking, Zufallsweg-Partikelverfolgungs-Verfahrens, Zufallskugelpackungen, Gitter-Boltzmann-Methode, Packungsmikrostruktur, random sphere packing, hydrodynamische Dispersion
Referenziert von:

Summary:
This thesis is dedicated to the study of mass transport processes (flow, diffusion, and hydrodynamic dispersion) in computer-generated random sphere packings. Periodic and confined packings of hard impermeable spheres were generated using Jodrey–Tory and Monte Carlo procedure-based algorithms, mass transport in the packing void space was simulated using the lattice Boltzmann and random walk particle tracking methods. Simulation codes written in C programming language using MPI library allowed an efficient use of the high-performance computing systems (supercomputers). The first part of this thesis investigates the influence of the cross-sectional geometry of the confined random sphere packings on the hydrodynamic dispersion. Packings with different values of porosity (interstitial void space fraction) generated in containers of circular, quadratic, rectangular, trapezoidal, and irregular (reconstructed) geometries were studied, and resulting pre-asymptotic and close-to-asymptotic hydrodynamic dispersion coefficients were analyzed. It was demonstrated i) a significant impact of the cross-sectional geometry and porosity on the hydrodynamic dispersion coefficients, and ii) reduction of the symmetry of the cross section results in longer times to reach close-to-asymptotic values and larger absolute values of the hydrodynamic dispersion coefficients. In case of reconstructed geometry, good agreement with experimental data was found. In the second part of this thesis i) length scales of heterogeneity persistent in unconfined and confined sphere packings were analyzed and correlated with a time behavior of the hydrodynamic dispersion coefficients; close-to-asymptotic values of the dispersion coefficients (expressed in terms of plate height) were successfully fitted to the generalized Giddings equation; ii) influence of the packing microstructural disorder on the effective diffusion and hydrodynamic dispersion coefficients was investigated and clear qualitative corellation with geometrical descriptors (which are based on Delaunay and Voronoi spatial tessellations) was demonstrated.

Zusammenfassung:
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Stofftransport durch Druckfluss, Diffusion und die aus beiden Prozessen resultierende hydrodynamische Dispersion in computergenerierten Packungen aus harten, undurchlässigen Kugeln, deren geometrische Anordnung in der Packung dem Zufallsprinzip unterliegt. Solche Zufallskugelpackungen wurden sowohl mit dem Jodrey–Tory-Algorithmus als auch mit einer Monte Carlo-basierten Methode generiert. Das dreidimensionale Geschwindigkeitsfeld von Druckfluss in den Zwischenräumen einer Zufallskugelpackung wurde mit der Gitter-Boltzmann-Methode berechnet; Diffusion und hydrodynamische Dispersion wurden mithilfe eines Zufallsweg-Partikelverfolgungs-Verfahrens simuliert. Die Programm-Codes wurden in der Programmiersprache C unter Benutzung der Messing Passage Interface-Bibliothek gezielt für die effiziente Anwendung auf Hochleistungs-Rechensystemen (Supercomputer) geschrieben. Im ersten Teil der Arbeit wird untersucht, wie die Querschnitts-Geometrie des Behälters die hydrodynamische Dispersion in Zufallskugelpackungen beeinflusst. Dazu wurden Zufallskugelpackungen verschiedener Packungsdichten in Behältern mit kreisfömigen, quadratischen, rechteckigen, halbkreisförmigen, und trapezoidalen Querschnitten generiert, und die prä-asymptotischen und quasi-asymptotischen hydrodynamischen Dispersionskoeffizienten berechnet und analysiert. Außerdem wurden auch Zufallskugelpackungen in einem Behälter mit irregulärer Querschnittsgeometrie untersucht. Dafür wurde nicht nur der Querschnitt eines echten, mit kugelförmigen Adsorberpartikeln gefüllten Mikrochip-Kanals für die Trennung von Substanzen durch Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie rekonstruiert, sondern auch die Größenverteilung der Adsorberpartikel als Vorlage für die Größenverteilung der Kugeln in der Zufallspackung verwendet. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die verschiedenen Längenskalen struktureller Inhomogeneitäten in Zufallskugelpackungen mit und ohne Behälter analysiert, welche das Fluss-Geschwindigkeitsprofil und damit die hydrodynamische Dispersion bestimmen. Außerdem wurde untersucht, wie sich die Packungsmikrostruktur von Zufallskugelpackungen auf die effektiven Diffusionskoeffizienten einerseits und die hydrodynamischen Dispersionskoeffizienten andererseits auswirkt.


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