Project

Multiscale modeling; Fluid dynamics; Micro flows

Lead
Moderne Strömungsdynamik befasst sich mit numerischen Verfahren in einem sehr breiten Spektrum von Skalen, von der Molekulardynamik bis zu makroskopischen konventionellen Strömungsmodellen des kontinuierlichen Mediums. Zwar existieren etablierte numerische Verfahren zur Berechnung von Strömungen für verschiedene Skalenbereiche, doch besteht ein grosser Bedarf für eine universelle Methode um das ganze Skalenspektrum abzudecken - von Mikrometer bis zu Meter. Solche numerische Verfahren werden Ingenieuren in Bereichen wie etwa Satelliten Dynamik oder Microfluidics weitere Möglichkeiten zur quantitativen Analyse bieten.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts Unser Projekt strebt eine Vereinigung der neulich und von uns entworfenen hierarchischen Modellen (den sogenannten lattice Boltzmann Modellen), die im mesoskopischem bis makroskopischem Bereich sehr effizient sind, mit den bereits existierenden mikroskopischen Methoden wie Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) an. Die beiden Methoden sind komplementär  zueinander, und die effiziente Verbindung bietet eine Möglichkeit für einen universellen Zugang zum ganzen Skalenspektrum. Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts  Unseres Projekt wird nicht nur eine effiziente neue Methode für die numerische Berechnung von Gas Dynamik in einem sehr breiten Spektrum von Skalen entwickeln, sondern den Zugang zu  weiteren ähnlichen Problemen wie mehr-phasigen Strömungen, Verbrennung und relativistischen Strömungsdynamik ermöglichen.   Keywords Multiscale modeling, microflow, rarefied gas dynamics, computational fluid dynamics, lattice Boltzmann models, molecular dynamics.

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Last update: 27.08.2014

Modern fluid dynamics is especially concerned with development of simulations for flows which span a wide range of scales from a molecular-level to a macroscopic continuum description. While established conventional methods of fluid dynamics championed parts of this scale range, and suggestions towards a cross-breeding of different methods are being made, the much needed unified simulation approach is still far from being available. In this proposal, we aim at developing a general-purpose simulation tool for fluid dynamics and particularly for gas dynamics, based on the hierarchical structure and recent advances of the mesoscopic entropic lattice Boltzmann method (ELBM), in a combination with the established microscopic, particles-based techniques such as the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) method. The novelty of the approach is based on the distinguished property of ELBM to generate a hierarchy of models with different discrete velocity sets, enabling tailored capturing of the flow physics at various degrees of rarefaction - from the coarsest possible level of continuum mechanics (requiring only a small number of velocities) to the refinement in the space-time domains where the continuum description breaks down (requiring a larger number of velocities). By its construction, the ELBM hierarchy allows for easy switching from coarser to finer models. This hierarchical approach to model construction will be completed by the full microscopic DSMC picture at the situations where the ELBM fails to be efficient and/or accurate. The hierarchical structure of the ELBM is a much more natural and promising companion for DSMC rather than the conventional equations of continuum mechanics. The theory of adaptive coupling the ELBM with DSMC will benefit from a seamless recognition of the onset/break down of ELBM mesoscopic description based on the notion of slow invariant manifold, as an alternative to more conventional a priori domain decomposition techniques. Success of the present approach will not only provide efficient tool for engineering applications of computational gas dynamics within a range of scales but, in a much broader context, will highlight construction of similar hierarchical simulation techniques in other domains where lattice Boltzmann models start emerging such as multi-phase flows, reactive multicomponent mixtures and relativistic fluid dynamics.