MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798342105620
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31345253
■035    ▼a(MiAaPQ)Purdue25669167
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a611.13
■1001  ▼aZhang,  Xiaoyu.
■24510▼aDirect  Numerical  Simulation  and  a  New  3-D  Discrete  Dynamical  System  for  Image-based  Complex  Flows  Using  Volumetric  Lattice  Boltzmann  Method
■260    ▼a[Sl]▼bPurdue  University▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a112  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-04,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Yu,  Huidan  Whitney;Ardekani,  Arezoo  M.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Purdue  University,  2024.
■520    ▼aThe  kinetic-based  lattice  Boltzmann  method  (LBM)  is  a  specialized  computational  fluid  dynamics  (CFD)  technique  that  resolves  intricate  flow  phenomena  at  the  mesoscale  level.  The  LBM  is  particularly  suited  for  large-scale  parallel  computing  on  Graphic  Processing  Units  (GPU)  and  simulating  multi-phase  flows.  By  incorporating  a  volume  fraction  parameter,  LBM  becomes  a  volumetric  lattice  Boltzmann  method  (VLBM),  leading  to  advantages  such  as  easy  handling  of  complex  geometries  with/without  movement.  These  capabilities  render  VLBM  an  effective  tool  for  modeling  various  complex  flows.  In  this  study,  we  investigated  the  computational  modeling  of  complex  flows  using  VLBM,  focusing  particularly  on  pulsatile  flows,  the  transition  to  turbulent  flows,  and  pore-scale  porous  media  flows.  Furthermore,  a  new  discrete  dynamical  system  (DDS)  is  derived  and  validated  for  potential  integration  into  large  eddy  simulations  (LES)  aimed  at  enhancing  modeling  for  turbulent  and  pulsatile  flows.Pulsatile  flows  are  prevalent  in  nature,  engineering,  and  the  human  body.  Understanding  these  flows  is  crucial  in  research  areas  such  as  biomedical  engineering  and  cardiovascular  studies.  However,  the  characteristics  of  oscillatory,  variability  in  Reynolds  number  (Re),  and  shear  stress  bring  difficulties  in  the  numerical  modeling  of  pulsatile  flows.  To  analyze  and  understand  the  shear  stress  variability  in  pulsatile  flows,  we  first  developed  a  unique  computational  method  using  VLBM  to  quantify  four-dimensional  (4-D)  wall  stresses  in  image-based  pulsatile  flows.  The  method  is  validated  against  analytical  solutions  and  experimental  data,  showing  good  agreement.  Additionally,  an  application  study  is  presented  for  the  non-invasive  quantification  of  4-D  hemodynamics  in  human  carotid  and  vertebral  arteries.Secondly,  the  transition  to  turbulent  flows  is  studied  as  it  plays  an  important  role  in  the  understanding  of  pulsatile  flows  since  the  flow  can  shift  from  laminar  to  transient  and  then  to  turbulent  within  a  single  flow  cycle.  We  conducted  direct  numerical  simulations  (DNS)  using  VLBM  in  a  three-dimensional  (3-D)  pipe  and  investigated  the  flow  at  Re  ranging  from  226  to  14066  in  the  Lagrangian  description.  Results  demonstrate  good  agreement  with  analytical  solutions  for  laminar  flows  and  with  open  data  for  turbulent  flows.  Key  observations  include  the  disappearance  of  parabolic  velocity  profiles  when  Re2300,  the  fluctuation  of  turbulent  kinetic  energy  (TKE)  between  laminar  and  turbulent  states  within  the  range  2300  \uD835\uDC45\uD835\uDC524000,  and  notably  the  tendency  for  skewness  \uD835\uDC46  to  stabilize  a  constant  value  of  -0.53  as  Tayler  microscale  Reynolds  number  \uD835\uDC45\uD835\uDC52\uD835\uDF06  approaches  103.Thirdly,  to  develop  an  appropriate  sub-grid  scale  (SGS)  model  for  LES  modeling  of  pulsatile  flows,  a  new  3-D  DDS  is  derived  from  volumetric  lattice  Boltzmann  equations  (VLBE)  using  a  Galerkin  procedure.  The  DDS  is  characterized  by  two  bifurcation  parameters:  splitting  factor  β  and  rescaling  factor  θ.  Its  capability  to  capture  multiple  flow  behaviors,  including  but  not  limited  to  noisy  n-period  with  different  fundamental,  noisy  subharmonic  n-period,  noisy  quasiperiodic,  and  broadband,  is  validated  through  numerical  experiments.  The  optimal  range  for  these  bifurcation  parameters  is  determined  to  be  0.641226\uD835\uDEFD0.816106  and  1.243186\uD835\uDF031.430332  by  a  numerical  test.  Comparison  of  DDS  results  from  the  identified  bifurcation  parameter  range  with  DNS  data,  particularly  in  terms  of  time  series  features,  confirmed  the  validity  of  DDS.  These  results  suggest  its  potential  applicability  in  LES  for  predicting  SGS  physics,  applicable  to  both  pulsatile  flows  and  turbulence  modeling.Additionally,  we  expanded  the  current  VLBM  from  advection  to  include  diffusionadvection  and  conducted  simulations  for  another  type  of  complex  flow,  i.e.,  porous  media  flows  at  pore-scale,  with  a  focus  on  the  transport  of  nuclear  waste  isotopes  in  geopolymer  porous  structures.  Rigorous  validation  against  the  finite  difference  method  (FDM)  for  velocity  fields  and  the  phase  field  method  (PFM)  for  concentration  fields  confirms  the  accuracy  of  the  VLBM  model.  Systematic  investigations  reveal  the  influence  of  key  parameters  such  as  inlet  velocity,  isotope  diffusivity,  and  porosity  of  porous  structure  on  the  diffusion-advection  process.  Increasing  the  background  flow  and  diffusivity  significantly  accelerated  the  process.  Conversely,  an  increase  in  porosity  had  a  less  pronounced  effect,  a  slight  slowdown  of  the  diffusion-advection  process  due  to  the  expanded  pore  volume.
■590    ▼aSchool  code:  0183.
■650  4▼aCarotid  arteries
■650  4▼aBehavior
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■650  4▼aMathematics
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■690    ▼a0791
■690    ▼a0389
■690    ▼a0541
■690    ▼a0204
■690    ▼a0405
■690    ▼a0765
■71020▼aPurdue  University.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-04B.
■790    ▼a0183
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17162744▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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