Antonyuk, Sergiy
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Item type:Publication, A Discrete Differential Geometric Approach for Simulation of Coupled Multiphase Mesoporous Systems(2024-06-17); ; ; A myriad of processes and systems in Chemical- and other fields of Engineering Science are multiphase. Applications that involve processes containing multiple phases of increasing geometric complexity have become increasingly common in recent years. Attempts to model and simulate systems with a large number of interfaces with complex geometries is often limited by the interface tracking and accuracy of the curvature computation which is a large source of error of the numerical method. This work resolves the long standing difficulty in computing the curvature of interfaces accurately and efficiently. In this work a new practical tool was developed that can be implemented in a wide array of state-of-the art methods. It is shown that the rigorous derivation of the curvature of interfaces allows for an accurate, or near-exact computation of curvature for simulation of three-phase systems. Additionally, it is demonstrated that a special trapezoidal integration error can be used to provide an estimate of continuity of the interface, which is useful for ensuring dynamic accuracy in three-phase simulations by controlling the refinement of a numerically captured fluid-fluid interface that is manifold. It is further shown that the method for computing curvatures developed herein can be computed exactly for arbitrary fluid-fluid interfaces that are manifold. The extent to which an interface is manifold can be tracked by computing the topology of the simplicial complex using computationally efficient methods developed especially for this application. Since the method for computing curvatures are near-exact and mesh independent, a very large tolerance can be used in large scale simulation of complex three-phase materials. In principle, it is only necessary to track that the interface is continuous. Therefore, the complex can be refined in such a way that the error matches the desired tracking of non-solid volume due to porosity and asperities in three-phase systems. The result of this work can be implemented in any formulation where the underlying geometry of the model is manifold, and is especially useful in the fields of multiphase flow, thermodynamics, materials engineering and surface energy minimisation.doctoral thesis122 64 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item type:Publication, Dielectrophoretic filtration of particles in porous media: concept, design, and selectivity(2021-04-22); ; ; Die Trennung mikro- und submikroskaliger Partikel von Flüssigkeiten und voneinander gemäß ihrer Eigenschaften ist eine schwierige und teils ungelöste Aufgabe vieler industrieller Prozesse. Neue Trenntechniken werden benötigt um diese Aufgaben zu lösen. Dielektrophorese (DEP) beschreibt die Bewegung polarisierbarer Partikel in inhomogenen elektrischen Feldern, welche zur hochselektiven Partikeltrennung nach deren Größe, Material und innerer Struktur (Morphologie) und ohne die Partikeleigenschaften zu verändern genutzt werden kann. Die meisten DEP-basierten Partikeltrenntechniken nutzen mikrofluidische Kanäle, die für Durchsätze industriellen Maßstabs ungeeignet sind. Eine Ausnahme bildet hier die DEP Filtration. Die wenigen Studien über DEP Filtration lösen sehr spezifische Trennprobleme aber eignen sich nicht, um die physikalischen Grundlagen der DEP Filtration zu verstehen. Ein solches Verständnis ist jedoch erforderlich, um neue Anwendungen dieses Trennverfahrens zu entwickeln. Diese Arbeit beleuchtet DEP Filtration in einer umfassenden experimentellen Studie um fundamentales Verständnis zu erlangen. Dafür wurde zunächst ein DEP Filteraufbau zur Durchführung der Experimente konzipiert und aufgebaut. In der entwickelten Filterzelle wurde nahezu hundertprozentige Partikelabtrennung (Polystyrol, 500 nm) bei Volumendurchflüssen von 9 mL/min erreicht (Filterquerschnittsfläche: 2 cm^2). In einer Parameterstudie wurde die Abhängigkeit der Abtrenneffizienz als Funktion der angelegten elektrischer Spannung, des volumetrischen Durchflusses, des hydraulischen Porendurchmessers und der Filterporengeometrie gezeigt. Außerdem, wurden erstmals die Möglichkeiten selektiver Partikeltrennung durch DEP Filtration gezeigt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse liefern grundlegendes Verständnis über DEP Filtration. Diese stellen einen wesentlichen Schritt zur Lösung aktuell ungelöster Trennprobleme, wie zum Beispiel der Aufkonzentrierung und der Rückgewinnung wertvoller Partikel aus gemischten Suspensionen, dar. Da der Durchsatz durch Vergrößerung der Filterquerschnittsfläche einfach erhöht werden kann, erscheinen Anwendungen von industriellem Maßstab möglich.doctoral thesis463 514