S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

26
Technische Universität München Lehrstuhl für Aerodynamik Stefan Adami Garching, 18. Nov. 2008 Simulations of multiphase phenomena using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) S. Adami , X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU München Excellence Cluster Universe: “Workshop on Turbulence and Hydrodynamical Instabilties” Garching, 17.-19. Nov. 2008

Transcript of S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Page 1: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

Simulations of multiphase phenomena using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

S. Adami, X.Y. Hu, N.A. AdamsInstitute of AerodynamicsTU München

Excellence Cluster Universe:“Workshop on Turbulence andHydrodynamical Instabilties”Garching, 17.­19. Nov. 2008

Page 2: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

2Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

OUTLINE

• Motivation

• Numerical Modeling

• Validation

• Applications

• Summary and Outlook

OUTLINE

Page 3: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

3Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

MOTIVATION

• DFG – Project: Protective Artificial Respiratory

MOTIVATION

“Experimental and numerical investigation on the flow­induced stresses on the alveolar – epithelial – air interface”

Page 4: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

4Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

MOTIVATION

• DFG – Project: Protective Artificial Respiratory

MOTIVATION

Numerical modeling of the dynamic behavior of lung surfactant

Electron micrographs of alveolar ducts 

(Bachofen and Schürch, 2001)

Discretization of Gefen geometry (Gefen et al., J. Biomechanics,

1999)

The Alveoli and Associated Capillaries of Lungs of Humans

Cavity of alveolus is coated with a lining liquid containing surfactant (“surface active agent”) which reduces the surface tension

“Experimental and numerical investigation on the flow­induced stresses on the alveolar – epithelial – air interface”

Page 5: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

5Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

MOTIVATION

• Numerical model:

– Surface tension effects

– Surfactant dynamics (“active scalar”)

– Complex geometry, dynamic interface

• Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

– Introduced by Lucy (1977) and Gingold and Monaghan (1977)

– Fully Lagrangian, grid free method with particle approximation

– Mass and momentum conservation even when evolving interfaces

– Adaptive interface representation

MOTIVATION

Page 6: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

6Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

THEORETICAL BACKGROUND

• Particle approximation:

THEORETICAL BACKGROUND

r i = i =1V i

∫i r r dr

limh 0

W r−r ' , h = r−r '

i r =W r−r i , h

r =

W ir

r

Particle number densityr

Kernel function W(r) with smoothing length h

Page 7: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

7Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

THEORETICAL BACKGROUND

• Particle approximation:

• Navier – Stokes – Equation:

THEORETICAL BACKGROUND

r i = i =1V i

∫i r r dr

limh 0

W r−r ' , h = r−r '

i r =W r−r i , h

r =

W ir

r

d v i

dt= ...

1mi

∑j

∂W∂ r ij

e ij is V i

2 j

s V j2

d vdt

= g1

v−∇ p∇⋅s

i

j

r

s

Particle number density

Surface stress tensor

Kernel function W(r) with smoothing length h

Page 8: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

8Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

VALIDATION

• Couette flow (Re = 0.0125)

VALIDATION

Comparison of SPH and series solution

vmax

y

Page 9: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

9Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

VALIDATION

• Couette flow (Re = 0.0125)

VALIDATION

Comparison of SPH and series solution

vmax

y

• Poiseuille flow (Re = 0.0125)

Comparison of SPH and series solution

F

y

Page 10: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

10Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

VALIDATION

• Constant surface tension:

– Young – Laplace – Law: 

VALIDATION

cos = 1w−2w /12

Phase 1 Phase 2

Wall

1w

2w

12

Page 11: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

11Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

VALIDATION

• Constant surface tension:

– Young – Laplace – Law: 

VALIDATION

αcontact

 = 120° αcontact

 = 90° αcontact

 = 60°

cos = 1w−2w /12

Phase 1 Phase 2

Wall

1w

2w

12

Page 12: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

12Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

VALIDATION

• Drop deformation in shear flow

VALIDATION

Ca=2 U 1 R

l y 12 =viscous forcesurface tension = viscosity ratio

D =a−bab

a

b

Page 13: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

13Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

VALIDATION

• Drop deformation in shear flow

– Small – deformation theory:(Taylor, 1934) 

VALIDATION

D ≈19161616

Ca

Ca=2 U 1 R

l y 12 =viscous forcesurface tension = viscosity ratio

D =a−bab

a

b

Page 14: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

14Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

VALIDATION

VALIDATION

d m s

dt=

d A dt

=A Ds ∇ s2

d M s

dt=

d C V dt

=V D∞ ∇ 2C−d ms

dt

• Surfactant transportation on the interface

– Surface diffusion

– Coupling with bulk solution

Page 15: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

15Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

VALIDATION

• Surfactant transportation on the interface

– Surface diffusion

– Coupling with bulk solution

VALIDATION

d m s

dt=

d A dt

=A Ds ∇ s2

d M s

dt=

d C V dt

=V D∞ ∇ 2C−d ms

dt

Convergence studyEvolution of surfactant profiles on the interface

Page 16: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

16Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

APPLICATIONS

• Marangoni­force driven bubble

– Surface tension coefficient depends on surfactant concentration Г 

– Gradients of surface tension coefficient σ force bubble to deform

APPLICATIONS

12 x , t = [1− x ,t

max ]F s =12

n∇ s 12

Capillary force Marangoni force

F(s)F(s)

Arbitrary interface with surfactant molecules

∇ s12

∇ s

Page 17: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

17Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

APPLICATIONS

• Marangoni­force driven bubble

APPLICATIONS

Page 18: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

18Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

APPLICATIONS

• Marangoni­force driven bubble

APPLICATIONS

Page 19: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

19Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

APPLICATIONS

• Dynamic surface tension

– Oscillation of bubble

– Surface tension coefficientthrough Young – Laplace – Equation

APPLICATIONS

Pulsating bubble surfactometer

Electron micrographs of alveolar ducts 

(Bachofen and Schürch, 2001)

Surface tension loopCircumference of bubble over time

Page 20: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

20Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

APPLICATIONS

• Dynamic surface tension

– Oscillation of bubble

– Surface tension coefficientthrough Young – Laplace – Equation

• Surfactant kinetics(Otis et al., J. Appl. Physiol. 1994)

APPLICATIONS

Pulsating bubble surfactometer

Electron micrographs of alveolar ducts 

(Bachofen and Schürch, 2001)

k 1k 2

C∞A C 1− − A , 0 *

0, * max

1k2T

max

d Ad t

, max

1k2T

d Ad t

=

Nomenclature:

A Surface AreaC Bulk concentrationГ Interfacial concentrationk

1Adsorption coefficient

k2

Desorption coefficient

σ Surface tension coefficientD Diffusion coefficientT Time scaler Radius of bubble

Page 21: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

21Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

APPLICATIONS

• Dynamic surface tension

– Oscillation of bubble

– Surface tension coefficientthrough Young – Laplace – Equation

• Surfactant kinetics(Otis et al., J. Appl. Physiol. 1994)

– Adsorption / Desorption

APPLICATIONS

Pulsating bubble surfactometer

Electron micrographs of alveolar ducts 

(Bachofen and Schürch, 2001)

k1/k

2 C = 10.0

k2T = 0.1

Page 22: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

22Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

APPLICATIONS

• Dynamic surface tension

– Oscillation of bubble

– Surface tension coefficientthrough Young – Laplace – Equation

• Surfactant kinetics(Otis et al., J. Appl. Physiol. 1994)

– Adsorption / Desorption

– Insoluble regime

APPLICATIONS

Pulsating bubble surfactometer

Electron micrographs of alveolar ducts 

(Bachofen and Schürch, 2001)

k1/k

2 C = 10.0

k2T = 0.1

Page 23: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

23Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

APPLICATIONS

• Dynamic surface tension

– Oscillation of bubble

– Surface tension coefficientthrough Young – Laplace – Equation

• Surfactant kinetics(Otis et al., J. Appl. Physiol. 1994)

– Adsorption / Desorption

– Insoluble regime

– “Squeeze – out” regime

APPLICATIONS

Pulsating bubble surfactometer

Electron micrographs of alveolar ducts 

(Bachofen and Schürch, 2001)

k1/k

2 C = 10.0

k2T = 0.1

Page 24: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

24Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

APPLICATIONS

• Dynamic surface tension

– Oscillation of bubble

– Surface tension coefficientthrough Young – Laplace – Equation

• Surfactant kinetics(Otis et al., J. Appl. Physiol. 1994)

– Adsorption / Desorption

– Insoluble regime

– “Squeeze – out” regime

APPLICATIONS

Pulsating bubble surfactometer

Electron micrographs of alveolar ducts 

(Bachofen and Schürch, 2001)

k1/k

2 C = 10.0

k2T = 0.1

k2T = 1.0

Page 25: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

25Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

APPLICATIONS

• Dynamic surface tension

– Oscillation of bubble

– Surface tension coefficientthrough Young – Laplace – Equation

• Surfactant kinetics(Otis et al., J. Appl. Physiol. 1994)

– Adsorption / Desorption

– Insoluble regime

– “Squeeze – out” regime

– Pseudo film collapse

APPLICATIONS

Pulsating bubble surfactometer

Electron micrographs of alveolar ducts 

(Bachofen and Schürch, 2001)

k1/k

2 C = 10.0

k2T = 0.1

k2T = 1.0

k2T = 10.0

Page 26: S. Adami, X.Y. Hu, N.A. Adams Institute of Aerodynamics TU M

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Aerodynamik

26Stefan AdamiGarching, 18. Nov. 2008

SUMMARY

• A two­dimensional method to simulate phase interfaces with surfactants has been developed

• Mass of surfactant is conserved exactly

• Good agreement with analytic solutions and experimental observations

SUMMARY

• Development of a highly efficient parallel code using the PPM – library (Sbalzarini et al., JCP 2006)

• Extension to 3D 

• Fluid – Structure – Interaction (FSI) with soft tissue model (SPH)

OUTLOOK