scholarly journals Advanced deterministic and stochastic kinetic modeling of gaseous microscale transport phenomena

2019 ◽  
Author(s):  
Γεώργιος Τάτσιος
Keyword(s):  
Monte Carlo ◽  
Kinetic Modeling ◽  
Transport Phenomena ◽  
Navier Stokes ◽  
Microscale Transport

Η θεωρητική και υπολογιστική μελέτη φαινομένων μεταφοράς μακριά από τη θερμοδυναμική ισορροπία σε καταστάσεις υψηλής αραιοποίησης είναι ένας από τους πιο ενδιαφέροντες και απαιτητικούς κλάδους της μηχανικής και της φυσικής. Αυτό το πεδίο έρευνας αποκτά όλο και περισσότερη προσοχή τα τελευταία χρόνια, καθώς τέτοιες καταστάσεις απαντώνται σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών, από μικροδιατάξεις όπως επιταχυνσιόμετρα και μικρό χρωματογράφους έως μεγάλης κλίμακας δίκτυα μεταφοράς αερίων σε αντιδραστήρες σύντηξης και επιταχυντές σωματιδίων. Η συμπεριφορά των αερίων σε καταστάσεις υψηλής αραιοποίησης δεν μπορεί να περιγραφεί από τις συμβατικές προσεγγίσεις της ρευστοδυναμικής που βασίζονται στις εξισώσεις Navier-Stokes-Fourier λόγω του περιορισμένου αριθμού των συγκρούσεων μεταξύ των μορίων του αερίου που οδηγεί σε μεγάλες αποκλίσεις από την θερμοδυναμική ισορροπία. Η μοντελοποίηση φαινομένων σε τέτοιες συνθήκες βασίζεται στην κινητική θεωρία των αερίων μέσω της εξίσωσης Boltzmann. Αυτό αυξάνει σημαντικά την πολυπλοκότητα και το υπολογιστικό κόστος αυτών των προσομοιώσεων. Στην παρούσα διατριβή, οι κινητικές προσομοιώσεις γίνονται χρησιμοποιώντας τις, πλέον καθιερωμένες ντετερμινιστικές και στοχαστικές μεθόδους, αυτές των διακριτών ταχυτήτων (DVM) και της απευθείας προσομοίωσης Monte Carlo (DSMC). Καινοτόμες επεκτάσεις εισάγονται και για τις δύο αυτές μεθοδολογίες και η ακρίβεια και αποδοτικότητά τους παρουσιάζονται λύνοντας κάποια πρότυπα προβλήματα του κλάδου της αραιοποιημένης θερμορευστοδυναμικής. Στη συνέχεια οι προσεγγίσεις αυτές εφαρμόζονται για την μελέτη και κατανόηση της φυσικής πίσω από κάποια απρόσμενα και παράδοξα φαινόμενα που παρατηρούνται σε διατάξεις ροής και μεταφοράς θερμότητας σε καταστάσεις υψηλής αραιοποίησης. Επιπλέον, κάνοντας χρήση αποδοτικών και πρωτοπόρων υπολογιστικών προσεγγίσεων γίνεται υπολογιστική μελέτη ροής και μεταφοράς θερμότητας σε διατάξεις που απαντώνται σε μικροηλεκτρομηχανολογικά εξαρτήματα και σε συσκευές που λειτουργούν σε περιβάλλον χαμηλής πίεσης. Οι καινοτομίες στις αριθμητικές μεθοδολογίες που χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με τη μέθοδο διακριτών ταχυτήτων περιλαμβάνουν την ανάπτυξη και εφαρμογή α) ενός ημι-αναλυτικού αριθμητικού σχήματος που βασίζεται στην μέθοδο των χαρακτηριστικών για την επίλυση των κινητικών εξισώσεων υπό την επίδραση εξωτερικών πεδίων δυνάμεων, β) ενός σχήματος προέλασης για την επίλυση των κινητικών εξισώσεων σε αδόμητα πλέγματα και περίπλοκες γεωμετρίες, γ) και ενός αριθμητικού σχήματος επιτάχυνσης της σύγκλισης της μεθόδου διακριτών ταχυτήτων που επιδρά και στους οριακούς κόμβους και βασίζεται σε ημιάπειρες ροπές. Η καινοτομία σε συνδυασμό με την μέθοδο απευθείας προσομοίωσης Monte Carlo περιλαμβάνει τη διάσπαση της λύσης σε δύο επιμέρους τμήματα που αντιστοιχούν στα σωματίδια που φτάνουν σε κάποιο σημείο του πεδίου με και χωρίς ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις. Γίνεται εφαρμογή της κινητικής θεωρίας στον σχεδιασμό συσκευών και διατάξεων που λειτουργούν σε συνθήκες υψηλής αραιοποίησης. Βρίσκεται το εύρος εφαρμογής, σε σχέση με τις παραμέτρους της ροής, των λεγόμενων πεπλεγμένων οριακών συνθηκών σε ροές λόγω κλίσης πίεσης. Γίνεται, επίσης, μία λεπτομερής παραμετρική ανάλυση διαφόρων διατάξεων που απαντώνται στον σχεδιασμό μικρο-αντλιών χωρίς κινούμενα μέρη. Τέλος, γίνεται ανάλυση αβεβαιότητας σε τυπικές διατάξεις ροής και μεταφοράς θερμότητας.

scholarly journals A Novel Kinetic Modeling Framework for the Polycondensation of Sugars Using Monte Carlo and the Method of Moments

Processes ◽  
2021 ◽  
Vol 9 (5) ◽  
pp. 745
Author(s):  
Dimitrios Meimaroglou ◽  
Sandrine Hoppe ◽  
Baptiste Boit
Keyword(s):  
Monte Carlo ◽  
Kinetic Modeling ◽  
Method Of Moments ◽  
Kinetic Monte Carlo ◽  
Kinetic Scheme ◽  
Modeling Framework ◽  
Industrial Sectors ◽  
The Monte Carlo Method ◽  
Reacting Systems ◽  
High Degree

The kinetics of the hydrolysis and polycondensation reactions of saccharides have made the subject of numerous studies, due to their importance in several industrial sectors. The present work, presents a novel kinetic modeling framework that is specifically well-suited to reacting systems under strict moisture control that favor the polycondensation reactions towards the formation of high-degree polysaccharides. The proposed model is based on an extended and generalized kinetic scheme, including also the presence of polyols, and is formulated using two different numerical approaches, namely a deterministic one in terms of the method of moments and a stochastic kinetic Monte Carlo approach. Accordingly, the most significant advantages and drawbacks of each technique are clearly demonstrated and the most fitted one (i.e., the Monte Carlo method) is implemented for the modeling of the system under different conditions, for which experimental data were available. Through these comparisons it is shown that the model can successfully follow the evolution of the reactions up to the formation of polysaccharides of very high degrees of polymerization.

Monte Carlo Simulation for Radiative Transfer in a High-Pressure Industrial Gas Turbine Combustion Chamber

2017 ◽  
Author(s):  
Tao Ren ◽  
Michael F. Modest ◽  
Somesh Roy
Keyword(s):  
Monte Carlo ◽  
Gas Turbine ◽  
Radiation Effects ◽  
Swirling Flow ◽  
Calculation Model ◽  
Navier Stokes ◽  
Combustion Model ◽  
Stirred Reactor ◽  
Industrial Gas Turbine ◽  
Gas Turbine Burner

Radiative heat transfer is studied numerically for reacting swirling flow in an industrial gas turbine burner operating at a pressure of 15 bar. The reacting field characteristics are computed by Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations using the k-ε model with the partially stirred reactor (PaSR) combustion model. The GRI-Mech 2.11 mechanism, which includes nitrogen chemistry, is used to demonstrate the the ability of reducing NOx emissions of the combustion system. A Photon Monte Carlo (PMC) method coupled with a line-by-line spectral model is employed to accurately account for the radiation effects. CO2, H2O and CO are assumed to be the only radiatively participating species and wall radiation is considered as well. Optically thin and PMC-gray models are also employed to show the differences between the simplest radiative calculation models and the most accurate radiative calculation model, i.e., PMC-LBL, for the gas turbine burner. It was found that radiation does not significantly alter the temperature level as well as CO2 and H2O concentrations. However, it has significant impacts on the NOx levels at downstream locations.

scholarly journals $hp$-Multilevel Monte Carlo Methods for Uncertainty Quantification of Compressible Navier--Stokes Equations

2020 ◽  
Vol 42 (4) ◽  
pp. B1067-B1091
Author(s):  
Andrea Beck ◽  
Jakob Dürrwächter ◽  
Thomas Kuhn ◽  
Fabian Meyer ◽  
Claus-Dieter Munz ◽  
...  
Keyword(s):  
Monte Carlo ◽  
Uncertainty Quantification ◽  
Monte Carlo Methods ◽  
Stokes Equations ◽  
Navier Stokes ◽  
Multilevel Monte Carlo ◽  
Navier Stokes Equations

scholarly journals A Generalized Monte Carlo Approach for the Analysis of Quantum-Transport Phenomena in Mesoscopic Systems: Interplay Between Coherence and Relaxation

VLSI Design ◽  
1998 ◽  
Vol 8 (1-4) ◽  
pp. 197-202
Author(s):  
Fausto Rossi ◽  
Stefano Ragazzi ◽  
Aldo Di Carlo ◽  
Paolo Lugli
Keyword(s):  
Monte Carlo ◽  
Quantum Transport ◽  
Open Systems ◽  
Transport Phenomena ◽  
Kinetic Equations ◽  
Numerical Approach ◽  
Mesoscopic Systems ◽  
Bloch Oscillations ◽  
Self Energy ◽  
Spatial Boundary

A theoretical investigation of quantum-transport phenomena in mesoscopic systems is presented. In particular, a generalization to “open systems” of the well-known Semiconductor Bloch equations is proposed. Compared to the conventional Bloch theory, the presence of spatial boundary conditions manifest itself through self-energy corrections and additional source terms in the kinetic equations, which are solved by means of a generalized Monte Carlo simulation.The proposed numerical approach is applied to the study of the scattering-induced suppression of Bloch oscillations in semiconductor superlattices as well as to the analysis of quantum-transport phenomena in double-barrier structures.

Surface Roughness Effects on Heat Transfer in Microscale Single Phase Flow: A Critical Review

2008 ◽  
Author(s):  
Perry L. Young ◽  
Satish G. Kandlikar
Keyword(s):  
Heat Transfer ◽  
Surface Roughness ◽  
Critical Review ◽  
Heat Dissipation ◽  
Transport Phenomena ◽  
Volume Ratio ◽  
Heat Transfer Characteristics ◽  
Roughness Effects ◽  
Transfer Characteristics ◽  
Microscale Transport

There has been increasing interest in research regarding microscale transport phenomena over the past decade. The increased surface area to volume ratio of a microchannel presents enhanced heat transfer characteristics when compared to conventional channels. For this reason, there has been heightened interest in the use of microchannels to meet the high heat dissipation demands of electronics. The fundamental understanding of microscale transport phenomena is an increasingly important area of research, and one area where such understanding is lacking is the effects of surface roughness on transport phenomena. There is very little published literature discussing the effects of surface roughness on the heat transfer characteristics of microchannels, and what literature exists exhibits discrepancies between experimental results. This paper serves as a critical review of literature from 2000 to the present, both experimental and theoretical, involving surface roughness effects on heat transfer in microscale transport phenomena.

Non-equilibrium Monte Carlo simulation of decaying Navier–Stokes turbulence

1999 ◽  
Vol 256 (2-3) ◽  
pp. 147-152 ◽  
Author(s):  
Peter Biechele ◽  
Heinz-Peter Breuer ◽  
Francesco Petruccione
Keyword(s):  
Monte Carlo Simulation ◽  
Monte Carlo ◽  
Navier Stokes ◽  
Non Equilibrium
Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document