FoamVis, A Visualization System for Foam Research: Design and Implementation

Liquid foams are used in areas such as mineral separation, oil recovery, food and beverage production, sanitation and fire fighting. To improve the quality of products and the efficiency of processes in these areas, foam scientists wish to understand and control foam behaviour. To this end, foam scientists have used foam simulations to model foam behaviour; however, analysing these simulations presents difficult challenges. We describe the main foam research challenges and present the design of FoamVis, the only existing visualization, exploration and analysis application created to address them. We describe FoamVis’ main features, together with relevant design and implementation notes. Our goal is to provide a global overview and individual feature implementation details that would allow a visualization scientist to extend the FoamVis system with new algorithms and adapt it to new requirements. The result is a detailed presentation of the software that is not provided in previous visualization research papers

Visualization of time-dependent foam simulation data.

Research in the field of complex fluids such as polymer solutions, particulate suspensions and foams studies how the flow of fluids with different material parameters changes as a result of various constraints. Surface Evolver, the standard solver software used to generate foam simulations, provides large, complex, time-dependent data sets with hundreds or thousands of individual bubbles and thousands of time steps. However this software has limited visualization capabilities, and no foam specific visualization software exists. We describe the foam research application area where, we believe, visualization has an important role to play. We present a novel application, called Foam Vis, that provides various techniques for visualization, exploration and analysis of foam simulation data. Foam Vis can visualize individual time steps or produce time-dependent visualizations. It can process a simulation or it can facilitate comparison of several related simulations. We show new features in foam simulation data and new insights into foam behavior discovered using our application. Based on the many research questions that domain experts are able to address, we believe we provide a valuable tool for visualization and analysis of data in the foam research community

Overcoming conventional modeling limitations using image- driven lattice-boltzmann method simulations for biophysical applications

The challenges involved in modeling biological systems are significant and push the boundaries of conventional modeling. This is because biological systems are distinctly complex, and their emergent properties are results of the interplay of numerous components/processes. Unfortunately, conventional modeling approaches are often limited by their inability to capture all these complexities. By using in vivo data derived from biomedical imaging, image-based modeling is able to overcome this limitation. In this work, a combination of imaging data with the Lattice-Boltzmann Method for computational fluid dynamics (CFD) is applied to tissue engineering and thrombogenesis. Using this approach, some of the unanswered questions in both application areas are resolved. In the first application, numerical differences between two types of boundary conditions: “wall boundary condition” (WBC) and “periodic boundary condition” (PBC), which are commonly utilized for approximating shear stresses in tissue engineering scaffold simulations is investigated. Surface stresses in 3D scaffold reconstructions, obtained from high resolution microcomputed tomography images are calculated for both boundary condition types and compared with the actual whole scaffold values via image-based CFD simulations. It is found that, both boundary conditions follow the same spatial surface stress patterns as the whole scaffold simulations. However, they under-predict the absolute stress values approximately by a factor of two. Moreover, it is found that the error grows with higher scaffold porosity. Additionally, it is found that the PBC always resulted in a lower error than the WBC. In a second tissue engineering study, the dependence of culture time on the distribution and magnitude of fluid shear in tissue scaffolds cultured under flow perfusion is investigated. In the study, constructs are destructively evaluated with assays for cellularity and calcium deposition, imaged using µCT and reconstructed for CFD simulations. It is found that both the shear stress distributions within scaffolds consistently increase with culture time and correlate with increasing levels of mineralized tissues within the scaffold constructs as seen in calcium deposition data and µCT reconstructions. In the thrombogenesis application, detailed analysis of time lapse microscopy images showing yielding of thrombi in live mouse microvasculature is performed. Using these images, image-based CFD modeling is performed to calculate the fluid-induced shear stresses imposed on the thrombi’s surfaces by the surrounding blood flow. From the results, estimates of the yield stress (A critical parameter for quantifying the extent to which thrombi material can resist deformation and breakage) are obtained for different blood vessels. Further, it is shown that the yielding observed in thrombi occurs mostly in the outer shell region while the inner core remains intact. This suggests that the core material is different from the shell. To that end, we propose an alternative mechanism of thrombogenesis which could help explain this difference. Overall, the findings from this work reveal that image-based modeling is a versatile approach which can be applied to different biomedical application areas while overcoming the difficulties associated with conventional modeling

PDC Bit Hydraulic and Mud Rheological Simulation to Model Pressure Drop across Bit

When fluid flow from larger into smaller diameter pipes, it experiences a drop in pressure. High pressure drop across bit is an indication of high energy loss in the hydraulic system and also a setback to ROP performance. This is inefficient and pressure pumps would have to be of bigger sizing to make up for the losses. Present form of pressure drop models are in terms of mud density, flow rate, and total flow area. No study on mud rheological parameters specifically the Yield Stress, Consistency Index, and Power Index have been done with respect to pressure drop across bit. The objective of this research is focused on the analysis of CFD simulation and to propose optimized parameters for improved ROP. Single phase flow study of Yield Power Law mud rheology was simulated at bottom hole of horizontal section. For accuracy of simulated results, a mesh independence test was carried out to justify the validity of the simulated results. Preliminary simulation on Yield Power Law Muds showed about 50% reduction of pressure drop across bit as flow rate increase. Parametric study on mud rheology was carried in Design of Experiment

The development of near field probing systems for EMC near field visualization and EMI source localization

The objectives of this research are to visualize the frequency dependent electromagnetic field distribution for electromagnetic compatibility (EMC) applications and the radiating source reconstruction on complex shaped electronic systems. This is achieved by combining near field probing with a system for automatically recording the probe position and orientation. Due to the complexity of the shape of the electronic systems of interest, and for utilizing the expertise of the user, the probe will be moved manually not robotically. Concurrently, the local near field will be recorded, associated with the location and displayed at near real time on the captured 3D geometry as a field strength map for EMC applications and, for source reconstruction, a reconstructed image showing the far field radiating sources. --Abstract, page iii

Thermal Lattice Boltzmann Methods for the Simulation of Turbulent Flows with Conjugate Heat Transfer – Application to Refrigerated Vehicles

In dieser Arbeit wird eine thermische Lattice-Boltzmann-Methode (TLBM) für die instationäre Simulation turbulenter Strömungen mit natürlicher Konvektion und konjugierter Wärmeübertragung vorgestellt. Turbulente Strömungen mit ihren chaotischen Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen stellen eine besondere Herausforderung für numerische Simulationen dar, wobei turbulente Strömungen, angetrieben durch thermische Auftriebskräfte, eine besonders schwierige Aufgabe darstellen. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, ermöglicht TLBM Large Eddy Simulationen (LES) solcher Probleme im industriellen und technischen Maßstab unter Verwendung eines Smagorinsky-Feinstruktur-Modells und unter Ausnutzung seiner intrinsischen Parallelisierbarkeit sowie der Möglichkeit, mehrere tausend Prozessorkerne zu verwenden. Die Eignung der vorliegenden Methode wird in dieser Arbeit anhand von Anwendungen zur Simulation der Innenluftströmung und der Isolationseffizienz eines Kühlwagens, des Wärmetransports im Luftspalt zwischen Rotor und Stator bei Elektromotoren, der Weiterentwicklung hocheffizienter Isolation auf der Basis von Vakuumisolationspaneelen (VIP) und Latentwärmespeichern sowie deren Anwendung in Kühlwagen gezeigt. Eine umfassende Validierung der Methode und ihrer Implementierung im Open-Source-Framework OpenLB wird durchgeführt. Gitterkonvergenz zweiter Ordnung wird gegen das analytische Porous Plate Problem demonstriert, während stabile Simulationen auch bei grober Diskretisierung mit hohen Reynolds- und Rayleigh-Zahlen erreicht werden. Eine sehr gute Übereinstimmung wird für natürliche Konvektion in einem quadratischen Hohlraum, ein bekannter Benchmark-Fall, vom laminaren zum turbulenten Regime mit 10^3 <= Ra <= 10^10 und bei Auflösungen von y+ ~ 2 gezeigt. Im ersten Teil der Ergebnisse werden Simulationen eines leeren Kühlaufbaus für einen Kühllastwagen vorgestellt. Das Strömungsfeld und der Wärmeübergang innerhalb eines gegebenen Kühllastwagens zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen, insbesondere den experimentellen Daten für ein Kühlfahrzeug bei Re ~ 53000 an vier charakteristischen Geschwindigkeits- und 13 Temperaturpositionen im Lastwagen. Die Wärmeübertragung durch die Wände wird in den Simulationen durch konjugierte Wärmeübertragung aufgelöst. Dies ermöglicht nun die präzise Vorhersage von Wärmeströmen nahe von Nusselt-Korrelationen für den gegebenen Aufbau, aber - im Gegensatz zu gewöhnlichen Nusselt-Korrelationen - wird der Wärmestrom in der Simulation räumlich aufgelöst. Im zweiten Teil der Ergebnisse wird die Strömung und der Wärmeübergang in einem Ringspalt mit innen rotierendem Zylinder untersucht. Die besondere Herausforderung bei der Simulation dieser Taylor-Couette-Strömung ist die Bildung von Taylor-Wirbeln, die durch ihre Rotation senkrecht zur Hauptströmungsrichtung den entsprechenden Wärmeübergang deutlich erhöhen. Detaillierte instationäre Simulationen werden über einen weiten Drehzahlbereich von fast schleichender Strömungen bis hin zum Auftreten von Taylor-Wirbeln durchgeführt. Es wird eine gute Übereinstimmung mit bisherigen Ergebnissen für die Strömungsstrukturen und die Verbesserung des Wärmeübergangs durch Taylor-Wirbel festgestellt. Insbesondere wird die vorliegende Methode mit Messungen, einer Korrelation und Simulationen unter Verwendung des Scherspannungstransport-Turbulenzmodells (SST) verglichen. Besonderes Augenmerk wird auf die Vorhersage der kritischen Taylor-Zahl gelegt. Während direkte numerische Simulationen (DNS) mit LBM die kritische Taylor-Zahl aus den Experimenten nahezu identisch vorhersagen, wird sie von LBM-LES leicht und vom SST-Modell weiter überschätzt, was auf die übermäßig dissipative Natur der Turbulenzmodelle für die Transition zurückzuführen ist. Im dritten Teil der Ergebnisse werden innovative Konzepte für verbesserte, nachhaltigere Kühlfahrzeuge numerisch untersucht. Um den Kraftstoffverbrauch und die damit verbundenen Emissionen zu reduzieren, werden zwei Ansätze als vielversprechend angesehen: (a) der Einbau von Vakuum-Isolationspaneelen (VIP) in die Wände des Kühlkoffers und (b) die Einführung eines Latentwärmespeichers (LHS) zum Austausch der kraftstoffbetriebenen Klimaanlage (AC). Die Verwendung des vorliegenden TLBM erlaubt in den Simulationen die Auflösung der durch die AC und die natürliche Konvektion induzierten turbulenten Luftströmung, des Wärmeflusses innerhalb der Isolierwände und der tiefgefrorenen Ladung. Dies liefert neue Erkenntnisse über den Einfluss der Konzepte auf die Wärmeübertragung in verschiedenen Kühlaufbauten. Die Simulationen zeigen einen stark reduzierten und homogenisierten einströmenden Wärmestrom für das kombinierte PUR- und VIP-Isoliermaterial im Vergleich zu einer reinen PUR-Isolierung. Die Dämmung des Kühlaufbaus mit VIPs halbiert daher die erforderliche Kühlenergie. Dies ermöglicht den Ersatz der AC durch einen LHS in Dachnähe und ein zusätzliches Lüftungssystem mit deutlich geringerer Gesamtleistung. Unter Berücksichtigung der Temperaturhomogenität von Tiefkühlprodukten wird eine leichte Umströmung des Kühlgutes als notwendig erachtet. Die maximal zulässige Ausfallzeit der AC wird in den Simulationen mit jeweils ca. 3,3 min (PUR), 8 min (PUR+VIP) und 11 min (PUR+VIP+LHS) ermittelt. Im vierten Teil der Ergebnisse wird eine LBM zur Simulation des Schmelzens und des konjugierten Wärmeübergangs auf der Basis des Transports der Gesamtenthalpie vorgestellt, welche bei Validierung gegen die analytische Lösung des zeitabhängigen Stefan-Problems präzise Ergebnisse liefert. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode zeigt geringe Grenzflächendiffusion für einen weiten Bereich von Relaxationszeiten und Stefan-Zahlen. Weiterhin wird eine enge Übereinstimmung für das Schmelzen von Gallium einschließlich der natürlichen Konvektion in 2D und 3D mit Messungen und Simulationen mit unterschiedlichen Ansätzen gezeigt. Das Modell wird ferner auf das Schmelzen von Paraffin in zwei komplexen Metallschaumgeometrien angewendet. Es wird eine Voxel-basierte parallele Vernetzung vorgestellt, die eine schnelle und automatisierte Verarbeitung der komplexen Geometrie in wenigen Minuten ermöglicht. Die Simulationen erfassen erfolgreich den materialübergreifenden Wärmetransfer in 3D, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Schaums mehr als 1000-mal größer als die des Paraffins ist. Die Form der Schmelzfront und der Einfluss der spezifischen Oberfläche der verschiedenen Metallschäume stehen in enger Übereinstimmung mit früheren Simulationen