title: High-Performance Computing of Flow, Diffusion, and Hydrodynamic Dispersion in Random Sphere Packings
title: Hochleistungssimulation von Druckfluss, Diffusion, und hydrodynamische Dispersion in Zufallskugelpackungen
Creators: name: Khirevich, Siarhei
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Zufallskugelpackungen
hydrodynamische Dispersion
random walk particle tracking
Packungsmikrostruktur
Zufallsweg-Partikelverfolgungs-Verfahrens
hydrodynamic dispersion
random sphere packing
lattice Boltzmann method
Gitter-Boltzmann-Methode
Naturwissenschaften

description: 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.
description: 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.