Geri Dön

Numerical simulation of complex soft matter systems

Kompleks yumuşak madde sistemlerinin sayısal simülasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 761823
  2. Yazar: ROOZBEH SAGHATCHI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET YILDIZ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sabancı Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Üretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 150

Özet

Yumuşak maddeler, mekanik stres altında deforme olabilen veya yapısal olarak değişebilen malzemelerin dalıdır. Bu malzemeler, mikroakışkanlar, 3D baskı ve doku mühendisliği dahil olmak üzere çeşitli mühendislik uygulamalarına katkıda bulunmaktadır. Emülsiyonlar ve aktif maddeler, birçok uygulamada karşılaşılan ve yumuşak maddeler alanının oldukça ilgi gören iki kategorisidir. Emülsiyonlar, bir ortam sıvısında süspanse edilen dağılmış bir sıvıdan oluşan çok fazlı sistemlerdir. Su- yağ emülsiyonu, bu sistemlerin en iyi bilinen örneklerinden biridir ve mikroakışkan sistemlerin vazgeçilmez bileşenleri olan tek bir emülsiyon (S/Y veya Y/S) veya çift emülsiyon (S/Y/S veya Y/S/Y) şeklinde meydana gelebilmektedir.Aktif maddeler, iç enerji veya çevrelerindeki enerjiyi aktif olarak tüketerek, sonucunda aktif tür- bülans olarak bilinen toplu kaotik harekete dönüştüren hücresel doku veya bakteri süspansiyonları gibi sistemlerdir. Bu çalışma, interpolasyonlu parçacık hidrodinamiği ve sonlu hacimler yöntemleri olmak üzere, ağsız ve ağ tabanlı iki farklı sayısal yöntem kullanılarak gerçekleştirilen simülasyonlar aracılığıyla, söz konusu karmaşık sistemlerin hidrodinamiğini araştırarak bu sistemlerin kontrol edilmesine ve davranışlarına dair kavrayışımızı artırmaya olanak sağlamaktadır.Bu doğrultuda ilk olarak, emülsiyonun bir elektrohidrodinamik simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Son derece sınırlı bir alana tek bir emülsiyon yerleştirilerek ve bir dış elektrik alanı uygulanarak sınırlama etkileri araştırılmıştır. Deformasyonun büyük ölçüde elektriksel geçirgenlik, elektriksel iletkenlik ve hapsetme oranı oranlarına bağlı olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, çift emülsiyon üzerindeki kombine kesme ve elektrik kuvvetlerinin etkileri de incelenmiştir. Damlacıkların deformasyon ve yönlenme açısının, kılcal ve elektrik kılcal sayılarına ve çekirdek-kabuk yarıçap oranına büyük ölçüde bağlı olduğu gösterilmiştir. Bazı sistemlerde, kılcal ve elektrik kılcal sayılarının yanı sıra çekirdek-kabuk damlacık yarıçapı oranının değiştirilmesiyle önlenebilecek bir kırılma meydana geldiği gösterilmiştir. Daha sonra, nematodinamik denklem için süreklilik modeli kullanılarak aktif nematik simüle edilmiştir. Akış davranışı, nematik düzen, topolojik kusurlar, girdap korelasyonu ve kinetik enerji spektrumu hesaplanmış ve ayrıntılı olarak tartışılmıştır. Ayrıca, aktif nematiklerin karışma davranışı hesaplanmış ve niteliksel olarak tanımlanmıştır. İki önemli parametre olan aktivite ve elastik sabitin etkileri incelenmiştir. Aktivitenin, katedilen mesafe ve karıştırma verimini artırarak aktif nematiğin kaotik yapısını yoğunlaştırırken, elastik sabitin zıt şekilde davrandığı gösterilmiştir. Ayrıca, sıvı ataletinin aktif nematikte kolektif model oluşumu üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Eylemsizlik etkilerindeki kademeli bir artışın, bir girdap-yoğuşma durumuna süreksiz bir geçişten önce topolojik kusur yoğunluğunda bir artışla nematik düzenin kademeli olarak erimesine neden olduğu gösterilmiştir. Yeterince düşük viskozitelerde ortaya çıkan girdap-yoğuşma durumu, dev girdaplar içindeki nematik düzen yoğunlaşması ve topolojik kusurların yoğunluğundaki düşüş ile çakışmaktadır. Bununla birlikte, topolojik kusurların etrafındaki akış alanının atalet etkilerinden önemli ölçüde etkilendiği gösterilmiştir. Ayrıca, kinetik enerji spektrumunun atalet etkilerine güçlü bağımlılığı gösterilmiştir. Bu da girdap- yoğunlaştırma fazı içinde Kolmogorov ölçeklemesini geri getirmekte, fakat daha yüksek viskozitelerde evrensel ölçeklemeye kanıt sağlamamaktadır. Son olarak, aktif nematik içine yerleştirilmiş bir konsol kirişin titreşim hareketi incelenmiştir. Küçük ölçekli girdapların, akışkan ve kiriş arasındaki enerji transferi için birincil mekanizma olduğu, dolayısıyla salınım hareketinin sorumlusu olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, aktivitenin yoğunlaşmasının tepe frekansını arttırdığı ve tepe frekansı ile aktivite arasında doğrusal bir korelasyon olduğu gösterilmiştir. Viskozite ve tepe frekansı arasındaki karşılıklı ilişki de gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

Soft matters are the branch of materials that can be deformed or structurally altered under mechanical stress. These materials have contributed to many engineering applications, including microfluidics, 3D printing, and tissue engineering, among others. Of particular interest, two essential and highly desirable in many applications are being considered, including emulsions and active matters. Emulsions consist of a dispersed fluid suspended in an ambient fluid leading to the multiphase system. The water-oil emulsion is one of the well-known examples of these systems, which can be either a single emulsion (W/O or O/W) or the double emulsion (W/O/W or O/W/O), which are the indispensable parts of the microfluidic systems. Active matters describe systems, such as cellular tissue or bacterial suspensions that actively consume their internal or surrounding energy and convert it into motion leading to the collective chaotic motion known as active turbulence. Using numerical simulations based on two different mesh-free and mesh-based schemes, namely smoothed particle hydrodynamics and finite volume methods, we investigate the hydrodynamics of these complex systems, allowing us to control these systems and gain a better understanding of their behavior. First, an electro- hydrodynamics simulation of the emulsion is performed. The confinement effects are investigated by placing a single emulsion in a highly confined domain and applying an external electric field. It is shown that the deformation is highly dependent on the ratios of electrical permittivity, electrical conductivity, and confinement ratio. Effects of combined shear and electric forces on the double emulsion are also studied. It is shown that the deformation and orientation angle of droplets are highly dependent on the capillary and electrical capillary numbers, and core to shell radius ratio. It is demonstrated that in some systems, a breakup occurs, which can be circumvented by changing the capillary and electrical capillary numbers as well as the core to shell droplet radius ratio. Next, the active nematic is simulated by using the continuum model for the nema-todynamic equation. Flow behavior, nematic ordering, topological defects, vorticity correlation, and spectrum of the kinetic energy are calculated and discussed in detail. Furthermore, the active nematics' mixing behavior is calculated and described qualitatively. The effects of two important parameters, namely, activity and elastic constant, are investigated. It is shown that the activity intensifies the chaotic nature of the active nematic by increasing the pathline and mixing efficiency while the elastic constant behaves oppositely. Additionally, the Impact of fluid inertia on the collective pattern formation in active nematics is investigated. It is shown that an incremental increase in inertial effects results in gradual melting of nematic order with an increase in topological defect density before a discontinuous transition to a vortex-condensate state. The emergent vortex-condensate state at low enough viscosities coincides with nematic order condensation within the giant vortices and the drop in the density of topological defects. It is further shown that the flow field around topological defects is substantially affected by inertial effects. Moreover, the strong dependence of the kinetic energy spectrum on the inertial effects is demon-strated, which recovers the Kolmogorov scaling within the vortex-condensate phase, but no evidence of universal scaling at higher viscosities is found. Finally, the vibrational motion of a cantilever beam placed in active nematics is investigated. It is indicated that the small-scale vortices are the primary mechanism for the energy transfer between the fluid and beam, thereby imposing the oscillatory motion. It is also shown that the intensification of the activity increases peak frequency, and there is a linear correlation between the peak frequency and activity. The reciprocal relationship between viscosity and peak frequency is demonstrated as well.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    389385

    A review and evaluation of development in exploration, production, reserves estimation, and research efforts for shale gas and oil

    Şeyl gazı ve petrolü için arama, üretim, rezerv kestirimive araştırma çalışmalarının incelenmesi ve değerlendirilmesi

    OSMAN MOHAMMED

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. İBRAHİM METİN MIHÇAKAN

  2. Tez No

    771753

    Computational modeling of airway closure

    Havayolu kapanmasının sayısal modellenmesi

    OĞUZHAN ERKEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN MURADOĞLU

  3. Tez No

    332898

    Oyuk genişlemesi probleminin sonlu elemanlar yöntemi ile iki boyutlu sayısal analizi

    Two dimensional numerical analysis of cavity expanison problem with finite element methods

    EMİN ŞENGÜN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METE İNCECİK

    DOÇ. DR. MEHMET BERİLGEN

  4. Tez No

    648514

    Computational growth modeling and surgical planning of arterial patch reconstructions

    Bilişimsel büyüme modellemesi ve cerrahi arteriel rekonstruksiyon planlaması

    SEYEDEH SAMANEH LASHKARINIA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    BiyomühendislikKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEREM PEKKAN

  5. Tez No

    853773

    Antenlerin hızlı ve doğru tasarımı için esnek hesaplamaya dayalı sayısal karma yöntemler

    Numerical hybrid methods based on soft computing for fast and accurate design of antennas

    MAHMUD ESAD YİĞİT

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT TAYFUN GÜNEL

Geri Dön