TURBULENT TRANSITION SIMULATION AND PARTICULATE CAPTURE MODELING WITH AN INCOMPRESSIBLE LATTICE BOLTZMANN METHOD

Derivation of an unambiguous incompressible form of the lattice Boltzmann equation is pursued in this dissertation. Further, parallelized implementation in developing application areas is researched. In order to achieve a unique incompressible form which clarifies the algorithm implementation, appropriate ansatzes are utilized. Through the Chapman-Enskog expansion, the exact incompressible Navier-Stokes equations are recovered. In initial studies, fundamental 2D and 3D canonical simulations are used to evaluate the validity and application, and test the required boundary condition modifications. Several unique advantages over the standard equation and alternative forms found in literature are found, including faster convergence, greater stability, and higher fidelity for relevant flows. Direct numerical simulation and large eddy simulation of transitional and chaotic flows are one application area explored with the derived incompressible form. A multiple relaxation time derivation is performed and implemented in a 2D cavity (direct simulation) and a 3D cavity (large eddy simulation). The Kolmogorov length scale, a function of Reynolds number, determines grid resolution in the 2D case. Comparison is made to the extensive literature on laminar flows and the Hopf bifurcation, and final transition to chaos is predicted. Steady and statistical properties in all cases are in good agreement with literature. In the 3D case the relatively new Vreman subgrid model provides eddy viscosity modeling. By comparing the center plane to the direct numerical simulation case, both steady and unsteady flows are found to be in good agreement, with a coarse grid, including prediction of the Hopf bifurcation. Multiphysics pore scale flow is the other main application researched here. In order to provide the substrate geometry, a straightforward algorithm is developed to generate random blockages producing realistic porosities and passages. Combined with advection-diffusion equations for conjugate heat transfer and soot particle transport, critical diesel particulate filtration phenomena are simulated. To introduce additional fidelity, a model is added which accounts for deposition caused by a variety of molecular and atomic forces. Detailed conclusions are presented to lay the groundwork for future extensions and improvements. Predominantly, higher lattice velocity large eddy simulation, improved parallelization, and filter regeneration

Transport in complex systems : a lattice Boltzmann approach

Celem niniejszej pracy jest zbadanie możliwości efektywnego modelowania procesów transportu w złożonych systemach z zakresu dynamiki płynów za pomocą metody siatkowej Boltzmanna (LBM). Złożoność systemu została potraktowana wieloaspektowo i konkretne układy, które poddano analizie pokrywały szeroki zakres zagadnień fizycznych, m.in. przepływy wielofazowe, hemodynamikę oraz turbulencje. We wszystkich przypadkach szczególna uwaga została zwrócona na aspekty numeryczne — dokładność używanych modeli, jak również szybkość z jaką pozwalają one uzyskać zadowalające rozwiązanie. W ramach pracy rozwinięty został pakiet oprogramowania Sailfish, będący otwarta implementacja metody siatkowej Boltzmanna na procesory kart graficznych (GPU). Po analizie szybkości jego działania, walidacji oraz omówieniu założeń projektowych, pakiet ten został użyty do symulacji trzech typów przepływów. Pierwszym z nich były przepływy typu Brethertona/Taylora w dwu- i trójwymiarowych geometriach, do symulacji których zastosowano model energii swobodnej. Analiza otrzymanych wyników pokazała dobra zgodność z danymi dostępnymi w literaturze, zarówno eksperymentalnymi, jak i otrzymanymi za pomocą innych metod numerycznych. Drugim badanym problemem były przepływy krwi w realistycznych geometriach tętnic dostarczających krew do ludzkiego mózgu. Wyniki symulacji zostały dokładnie porównane z rozwiązaniem otrzymanym metoda objętości skończonych z wykorzystaniem pakietu OpenFOAM, przyspieszonego komercyjna biblioteka pozwalająca na wykonywanie obliczeń na GPU. Otrzymano dobra zgodność między badanymi metodami oraz pokazano, że metoda siatkowa Boltzmanna pozwala na wykonywanie symulacji do ok. 20 razy szybciej. Trzecim przeanalizowanym zagadnieniem były turbulentne przepływy w prostych geometriach. Po zwalidowaniu wszystkich zaimplementowanych modeli relaksacji na przypadku wiru Kidy, zbadano przepływy w pustym kanale oraz w obecności przeszkód. Do symulacji wykorzystano zarówno siatki zapewniające pełną rozdzielczość aż do skal Kolmogorova, jak i siatki o mniejszej rozdzielczości. Również w tym kontekście pokazano dobrą zgodność wyników otrzymanych metodą siatkową Boltzmanna z wynikami innych symulacji oraz badaniami eksperymentalnymi. Pokazano również, że implementacja LBM w pakiecie Sailfish zapewnia większą stabilność obliczeń niż ta opisana w literaturze dla tych samych przepływów i modeli relaksacji

Non-Linear Lattice

The development of mathematical techniques, combined with new possibilities of computational simulation, have greatly broadened the study of non-linear lattices, a theme among the most refined and interdisciplinary-oriented in the field of mathematical physics. This Special Issue mainly focuses on state-of-the-art advancements concerning the many facets of non-linear lattices, from the theoretical ones to more applied ones. The non-linear and discrete systems play a key role in all ranges of physical experience, from macrophenomena to condensed matter, up to some models of space discrete space-time

Lattice Boltzmann Methods for Wind Energy Analysis

An estimate of the United States wind potential conducted in 2011 found that the energy available at an altitude of 80 meters is approximately triple the wind energy available 50 meters above ground. In 2012, 43% of all new electricity generation installed in the U.S. (13.1 GW) came from wind power. The majority of this power, 79%, comes from large utility scale turbines that are being manufactured at unprecedented sizes. Existing wind plants operate with a capacity factor of only approximately 30%. Measurements have shown that the turbulent wake of a turbine persists for many rotor diameters, inducing increased vibration and wear on downwind turbines. Power losses can be as high as 20-30% in operating wind plants, due solely to complex wake interactions occurring in wind plant arrays. It is my objective to accurately predict the generation and interaction of turbine wakes and their interaction with downwind turbines and topology by means of numerical simulation with high-performance parallel computer systems. Numerical simulation is already utilized to plan wind plant layouts. However, available computational tools employ severe geometric simplifications to model wake interactions and are geared to providing rough estimates on desktop PCs. A three dimensional simulation tool designed for modern parallel computers based upon lattice Boltzmann methods for fluid-dynamics, a general six-degree-of-freedom motion solver, and foundational beam solvers has been proposed to meet this simulation need. In this text, the software development, verification, and validation are detailed. Fundamental computational fluid dynamics issues of boundary conditions and turbulence modeling are examined through classic cases (Cavity, Jeffery-Hammel, Kelvin-Helmholtz, Pressure wave, Vorticity wave, Backward facing step, Cylinder in cross-flow, Airfoils, Tandem cylinders, and Turbulent flow over a hill) to asses the accuracy and computational cost of developed alternatives. Simulations of canonical motion (falling beam), fluid-structure-interaction cases (Hinged wing and Flexible pendulum), and realistic horizontal axis wind turbine geometries (Vestas v27, NREL 5MW, and MEXICO) are validated against benchmarks and experiments. Results from simulations of the three turbine array at the Scaled Wind Farm Test facility are presented for two steady wind conditions

Red Blood Cell Dynamics on Non-Uniform Grids using a Lattice Boltzmann Flux Solver and a Spring-Particle Red Blood Cell Model

The Computational Haemodynamics Research Group (CHRG) in Technological University Dublin is developing a computational fluid dynamics (CFD) software package aimed specifically at physiologically-realistic modelling of blood flow. A physiologically-realistic model of blood flow involves calculating the deformation of individual red blood cells (RBCs) and the contribution of this deformation to the overall blood flow. The CHRG has developed an enhanced spring-particle RBC structural model that is capable of modelling the full stomatocyte-discocyteechinocyte (SDE) transformation. This RBC model, incorporated into a fluid dynamics solver, will provide a physiologically-realistic blood flow model. In this work the overall plasma flow is modelled using a novel technique: the lattice Boltzmann flux solver (LBFS). This is an innovative approach to solving the NavierStokes (N-S) equations for fluid flow. It involves solving the macroscopic equations using the finite volume method (FVM) and calculating the flux across the cell interfaces via a local reconstruction of the lattice Boltzmann equation (LBE). Fluidstruture interaction between the RBC and the plasma is captured by coupling the RBC solver to the LBFS via the immersed boundary method (IBM). Numerical experiments investigating RBC dynamics are performed using non-uniform grids and validated against existing experimental data in the literature. Finally all numerical solvers are developed using general purpose GPU programming (GPGPU) and this is shown to accelerate simulation runtimes significantly

Heat transfer in cavities: configurative systematic review

No abstract available

Progress in particle-based multiscale and hybrid methods for flow applications

This work focuses on the review of particle-based multiscale and hybrid methods that have surfaced in the field of fluid mechanics over the last 20 years. We consider five established particle methods: molecular dynamics, direct simulation Monte Carlo, lattice Boltzmann method, dissipative particle dynamics and smoothed-particle hydrodynamics. A general description is given on each particle method in conjunction with multiscale and hybrid applications. An analysis on the length scale separation revealed that current multiscale methods only bridge across scales which are of the order of O(102)−O(103) and that further work on complex geometries and parallel code optimisation is needed to increase the separation. Similarities between methods are highlighted and combinations discussed. Advantages, disadvantages and applications of each particle method have been tabulated as a reference

Numerical simulation of Newtonian/non-Newtonian multiphase flows : deformation and collision of droplets

The complex nature of multiphase flows, particularly in the presence of non-Newtonian rheologies in the phases, limits the applicability of theoretical analysis of physical equations as well as setting up laboratory experiments. As a result, Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques are essential tools to study these problems. Despite the advances in numerical simulation techniques in this field in the past decade, the applicability of these approaches are limited by challenges appearing in specific applications, and particular consideration must be taken into account for each of these problems. The present thesis aims at three-dimensional numerical solution of Newtonian/non-Newtonian multiphase flow problems in the context of finite-volume discretization approach with applications in different natural and industrial processes. This thesis is organized in five chapters. The first chapter aims at providing an introduction to the motivation behind this work. We also present some application of the context of this thesis in industrial processes, followed by a small introductory on the CTTC research group, objectives and the outline of the thesis. The core of this thesis lays within chapters two, three and four. In chapter 2, using a conservative level-set method, three-dimensional direct numerical simulation of binary droplets collision is performed. A novel lamella stabilization approach is introduced to numerically resolve the thin lamella film appeared during a broad range of collision regimes. This approach demonstrates to be numerically efficient and accurate compared with experimental data, with a significant save-up on computational costs in three-dimensional cases. The numerical tools introduced are validated and verified against different experimental results for a wide range of collision regimes where very good agreement is seen. Besides, for all the cases studied in this chapter, a detailed study of the energy budgets are provided. In chapter 3, the physics of a single droplet subjected to shear flow is studied in details, with a primary focus on the effect of viscosity on walls critical confinement ratio. First, we highly validate the ability of the numerical tools on capturing the correct physics of droplet deformation. This chapter continues by three-dimensional DNS study of subcritical (steady-state) and supercritical (breakup) deformations of the droplet for a wide range of walls confinement in different viscosity ratios. The results indicate the existence of two steady-state regions in a viscosity ratio-walls confinement ratio graph, which are separated by a breakup region. Overall, these achievements indicate a promising potential of the current approach for simulating droplet deformation and breakup, in applications of dispersion science and mixing processes. In chapter 4, with the help of experience gained in the previous chapters, a finite-volume based conservative level-set method is used to numerically solve the non-Newtonian multiphase flow problems. One set of governing equations is written for the whole domain where different rheological properties may appear. Main challenging areas of numerical simulation of multiphase non-Newtonian fluids, including tracking of the interface, mass conservation of the phases, small timestep problems encountered by non-Newtonian fluids, numerical instabilities regarding the high Weissenberg Number Problem (HWNP), instabilities encouraged by low solvent to polymer viscosity ratio in viscoelastic fluids and instabilities encountered by surface tensions are discussed and proper numerical treatments are provided in the proposed method. The numerical method is validated for different types of non-Newtonian fluids, e.g. shear-thinning, shear-thickening and viscoelastic fluids using structured and unstructured meshes, where the extracted results are compared against analytical, numerical and experimental data available in the literature.La naturaleza compleja de los flujos multifásicos, particularmente en presencia de reologías no newtonianas, limita la aplicabilidad del análisis teórico de ecuaciones físicas y también de los experimentos de laboratorio. Por lo tanto, las técnicas de dinámica de fluidos computacional (CFD) son esenciales para estudiar estos problemas. A pesar de los avances en las técnicas de simulación numérica en esta área durante la última década, la aplicabilidad de estos enfoques está limitada por los desafíos que aparecen en las aplicaciones específicas, y se debe considerar de forma particular cada uno de estos problemas. La presente tesis tiene como objetivo la solución numérica tridimensional de los problemas de flujo multifase newtoniano / no newtoniano en el contexto del enfoque de discretización de volúmenes finitos con aplicaciones en diferentes procesos naturales e industriales. Esta tesis está organizada en cinco capítulos. El primer capítulo proporciona una introducción y la motivación de este trabajo. También presentamos alguna aplicación de esta tesis en procesos industriales, seguida de una corta introducción al grupo de investigación del CTTC, los objetivos y el resumen de la tesis. En el capítulo 2, utilizando un método CLS, se realiza una simulación numérica directa (DNS) tridimensional de colisión de gotitas binarias. Se introduce un nuevo enfoque de estabilización de lamella para resolver numéricamente la capa delgada de fluido ("lamella") que aparece durante muchos regímenes de colisión. Este enfoque demuestra ser numéricamente eficiente y preciso en comparación con los datos experimentales, con una importante reducción de costos computacionales en casos tridimensionales. Las herramientas numéricas introducidas se validan y verifican con diferentes resultados experimentales para diferentes casos de colisión en los que se observa un muy buen acuerdo. Además, para todos los casos estudiados en este capítulo, se proporciona un estudio detallado de los balances de energía. En el capítulo 3, se estudia en detalle la física de una sola gota sometida a flujo de cizallamiento, con un enfoque principal en el efecto de la viscosidad en el confinamiento crítico de las paredes. Primero, validamos la capacidad de las herramientas numéricas para capturar la física correcta de la deformación de las gotitas. Este capítulo continúa con el estudio tridimensional DNS de las deformaciones subcríticas (estado estable) y supercríticas (ruptura) de la gota para un amplio rango de confinamiento de paredes en diferentes relaciones de viscosidad. Los resultados indican la existencia de dos regiones de estado estable en un gráfico de una relación de confinamiento de las paredes y la viscosidad, que están separados por una región de ruptura. En general, estos logros indican un potencial importante del enfoque actual para simular la deformación y ruptura de las gotitas, en aplicaciones de la ciencia de la dispersión y los procesos de mezcla. En el capítulo 4, con la ayuda de la experiencia adquirida en los capítulos anteriores, se utiliza un método CLS de volumen finito para resolver numéricamente los problemas de flujo multifase no newtonianos. Las principales áreas desafiantes de la simulación numérica de fluidos multifásicos no newtonianos incluso el seguimiento de la interfaz, la conservación de masa de las fases, los problemas de pequeños paso de tiempo encontrados por los fluidos no newtonianos, las inestabilidades numéricas relacionadas con el problema del alto número de Weissenberg (HWNP), inestabilidades fomentadas por una baja relación de viscosidad de disolvente a polímero en fluidos viscoelásticos y las inestabilidades encontradas por las tensiones superficiales son discutidos y se proporcionan tratamientos numéricos adecuados para el método propuesto. El método numérico se valida para diferentes tipos de fluidos no newtonianos, utilizando diluyentes de cizallamiento, espesamiento de cizallamiento y fluidos viscoelásticos utilizando mallas estructuradas y no estructuradas, donde los resultados extraídos se comparan con los datos analíticos, numéricos y experimentales disponibles en la literatura

Numerical simulation of Newtonian/non-Newtonian multiphase flows : deformation and collision of droplets

The complex nature of multiphase flows, particularly in the presence of non-Newtonian rheologies in the phases, limits the applicability of theoretical analysis of physical equations as well as setting up laboratory experiments. As a result, Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques are essential tools to study these problems. Despite the advances in numerical simulation techniques in this field in the past decade, the applicability of these approaches are limited by challenges appearing in specific applications, and particular consideration must be taken into account for each of these problems. The present thesis aims at three-dimensional numerical solution of Newtonian/non-Newtonian multiphase flow problems in the context of finite-volume discretization approach with applications in different natural and industrial processes. This thesis is organized in five chapters. The first chapter aims at providing an introduction to the motivation behind this work. We also present some application of the context of this thesis in industrial processes, followed by a small introductory on the CTTC research group, objectives and the outline of the thesis. The core of this thesis lays within chapters two, three and four. In chapter 2, using a conservative level-set method, three-dimensional direct numerical simulation of binary droplets collision is performed. A novel lamella stabilization approach is introduced to numerically resolve the thin lamella film appeared during a broad range of collision regimes. This approach demonstrates to be numerically efficient and accurate compared with experimental data, with a significant save-up on computational costs in three-dimensional cases. The numerical tools introduced are validated and verified against different experimental results for a wide range of collision regimes where very good agreement is seen. Besides, for all the cases studied in this chapter, a detailed study of the energy budgets are provided. In chapter 3, the physics of a single droplet subjected to shear flow is studied in details, with a primary focus on the effect of viscosity on walls critical confinement ratio. First, we highly validate the ability of the numerical tools on capturing the correct physics of droplet deformation. This chapter continues by three-dimensional DNS study of subcritical (steady-state) and supercritical (breakup) deformations of the droplet for a wide range of walls confinement in different viscosity ratios. The results indicate the existence of two steady-state regions in a viscosity ratio-walls confinement ratio graph, which are separated by a breakup region. Overall, these achievements indicate a promising potential of the current approach for simulating droplet deformation and breakup, in applications of dispersion science and mixing processes. In chapter 4, with the help of experience gained in the previous chapters, a finite-volume based conservative level-set method is used to numerically solve the non-Newtonian multiphase flow problems. One set of governing equations is written for the whole domain where different rheological properties may appear. Main challenging areas of numerical simulation of multiphase non-Newtonian fluids, including tracking of the interface, mass conservation of the phases, small timestep problems encountered by non-Newtonian fluids, numerical instabilities regarding the high Weissenberg Number Problem (HWNP), instabilities encouraged by low solvent to polymer viscosity ratio in viscoelastic fluids and instabilities encountered by surface tensions are discussed and proper numerical treatments are provided in the proposed method. The numerical method is validated for different types of non-Newtonian fluids, e.g. shear-thinning, shear-thickening and viscoelastic fluids using structured and unstructured meshes, where the extracted results are compared against analytical, numerical and experimental data available in the literature.La naturaleza compleja de los flujos multifásicos, particularmente en presencia de reologías no newtonianas, limita la aplicabilidad del análisis teórico de ecuaciones físicas y también de los experimentos de laboratorio. Por lo tanto, las técnicas de dinámica de fluidos computacional (CFD) son esenciales para estudiar estos problemas. A pesar de los avances en las técnicas de simulación numérica en esta área durante la última década, la aplicabilidad de estos enfoques está limitada por los desafíos que aparecen en las aplicaciones específicas, y se debe considerar de forma particular cada uno de estos problemas. La presente tesis tiene como objetivo la solución numérica tridimensional de los problemas de flujo multifase newtoniano / no newtoniano en el contexto del enfoque de discretización de volúmenes finitos con aplicaciones en diferentes procesos naturales e industriales. Esta tesis está organizada en cinco capítulos. El primer capítulo proporciona una introducción y la motivación de este trabajo. También presentamos alguna aplicación de esta tesis en procesos industriales, seguida de una corta introducción al grupo de investigación del CTTC, los objetivos y el resumen de la tesis. En el capítulo 2, utilizando un método CLS, se realiza una simulación numérica directa (DNS) tridimensional de colisión de gotitas binarias. Se introduce un nuevo enfoque de estabilización de lamella para resolver numéricamente la capa delgada de fluido ("lamella") que aparece durante muchos regímenes de colisión. Este enfoque demuestra ser numéricamente eficiente y preciso en comparación con los datos experimentales, con una importante reducción de costos computacionales en casos tridimensionales. Las herramientas numéricas introducidas se validan y verifican con diferentes resultados experimentales para diferentes casos de colisión en los que se observa un muy buen acuerdo. Además, para todos los casos estudiados en este capítulo, se proporciona un estudio detallado de los balances de energía. En el capítulo 3, se estudia en detalle la física de una sola gota sometida a flujo de cizallamiento, con un enfoque principal en el efecto de la viscosidad en el confinamiento crítico de las paredes. Primero, validamos la capacidad de las herramientas numéricas para capturar la física correcta de la deformación de las gotitas. Este capítulo continúa con el estudio tridimensional DNS de las deformaciones subcríticas (estado estable) y supercríticas (ruptura) de la gota para un amplio rango de confinamiento de paredes en diferentes relaciones de viscosidad. Los resultados indican la existencia de dos regiones de estado estable en un gráfico de una relación de confinamiento de las paredes y la viscosidad, que están separados por una región de ruptura. En general, estos logros indican un potencial importante del enfoque actual para simular la deformación y ruptura de las gotitas, en aplicaciones de la ciencia de la dispersión y los procesos de mezcla. En el capítulo 4, con la ayuda de la experiencia adquirida en los capítulos anteriores, se utiliza un método CLS de volumen finito para resolver numéricamente los problemas de flujo multifase no newtonianos. Las principales áreas desafiantes de la simulación numérica de fluidos multifásicos no newtonianos incluso el seguimiento de la interfaz, la conservación de masa de las fases, los problemas de pequeños paso de tiempo encontrados por los fluidos no newtonianos, las inestabilidades numéricas relacionadas con el problema del alto número de Weissenberg (HWNP), inestabilidades fomentadas por una baja relación de viscosidad de disolvente a polímero en fluidos viscoelásticos y las inestabilidades encontradas por las tensiones superficiales son discutidos y se proporcionan tratamientos numéricos adecuados para el método propuesto. El método numérico se valida para diferentes tipos de fluidos no newtonianos, utilizando diluyentes de cizallamiento, espesamiento de cizallamiento y fluidos viscoelásticos utilizando mallas estructuradas y no estructuradas, donde los resultados extraídos se comparan con los datos analíticos, numéricos y experimentales disponibles en la literatura.Postprint (published version