Computational Simulation of Flow Control with the Immersed Boundary Method

Μουλίνος, Ιωσήφ; Moulinos, Iosif

dc.contributor.author	Μουλίνος, Ιωσήφ	el
dc.contributor.author	Moulinos, Iosif	en
dc.date.accessioned	2023-11-01T09:05:45Z
dc.date.available	2023-11-01T09:05:45Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58270
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.25966
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Computational Fluid Dynamics	en
dc.subject	Curvilinear Immersed Boundary Method	en
dc.subject	Fluid-Structure Interaction	en
dc.subject	Non-Newtonian Fluids	en
dc.subject	Biofluid Mechanics	en
dc.subject	Υπολογιστική Ρευστοδυναμική	el
dc.subject	Καμπυλόγραμμη Μέθοδος Εμβαπτισμένου Ορίου	el
dc.subject	Αλληλεπίδραση Ρευστού-Στερεού	el
dc.subject	Μη Νευτώνεια Ρευστά	el
dc.subject	Βιορευστομηχανική	el
dc.title	Computational Simulation of Flow Control with the Immersed Boundary Method	en
dc.title	Υπολογιστική προσομοίωση ελέγχου ροών με τη μέθοδο του εμβαπτισμένου ορίου	el
dc.contributor.department	Biofluid & BIomedical Engineering Laboratory	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Computational mechanics	en
heal.classification	Biomedical engineering	en
heal.classification	Υπολογιστική μηχανική	el
heal.classification	Βιοϊατρική τεχνολογία	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-12-22
heal.abstract	Flow control constitutes the utmost objective of fluid dynamics. In a multitude of techniques used for regulating the flow parameters and characteristics, moving solid parts are involved, either rigid or deformable. The computation of this kind of flows by means of the classical body fitted methods, demands the regeneration of the computational mesh for every new step in the discretized time domain. On the contrary, immersed boundary methods achieve integration of flow equations in time, even for time varying fluid domain geometry, using invariant underlying grid throughout the computation. In the structured grid setting, the class of geometrical domains in which a curvilinear grid can be fitted, strictly includes and is overwhelmingly larger of the class of domains discretizable by Cartesian grids. The adaptation of the underlying mesh to the steady part of the boundary of the fluid domain is a desired feature as it enables the direct imposition of the boundary conditions. Thus, leads to reduced complexity and increased accuracy for immersed boundary methods that implement approximation schemes on the immersed surfaces. In the present dissertation, a structured curvilinear immersed boundary method, extended with fluid-structure interaction features for deformable solid bodies, is employed for the analysis of flow control with several techniques: • Steady and unsteady separated flow by interaction with actively and passively moving surfaces • Peristaltic motion of generalized Newtonian fluids • Oscillating membrane pulsatile flow. The investigation is oriented in the direction of the questions: • How the streamwise length of the detached flow can be reduced by a moving portion of the surface over which the boundary layer is separated? • How efficient is the control of the recirculation by a passive membrane? • What is the effect of the speed, the amplitude and the modality of the peristaltic wave in transport efficiency? • How do shear thinning fluids behave under peristalsis in comparison with Newtonian fluids?• How does the membrane’s oscillation amplitude affect the outlet pressure of a balloon pump? • On which factors does the angle shift between the waves of balloon volume change rate and outflow pressure depend? The immersed boundary method (IBM) used, is recommended as adequate for the simulation of the flow manipulation methods studied, as shown by the agreement of its output with existing results by body fitted algorithms. Extended for generalized Newtonian fluids, the IBM estimations show high grade of coincidence with that of classical methods. The elastic membrane is introduced for the control of the confined detached flow and the fluid-structure interaction of the steady and the unsteady flow with the passive means is analyzed. Parametric investigation of the number of replicas of the wave of contraction for straight peristaltic pumps, highlights the advantages of the multi-cylinder setting. Many fluids of interest, such as blood, are non-Newtonian. Shear thinning behavior impact in the peristaltic pumping characteristics is also pointed out. Pressure performance and the time varying flow field is illustrated for balloon pumping in a straight artery.	en
heal.abstract	Ο έλεγχος ροής αποτελεί την απώτερη εφαρμογή της ρευστοδυναμικής. Μη παραμορφώσιμα και παραμορφώσιμα κινούμενα στερεά μέρη χρησιμοποιούνται σε πληθώρα τεχνικών ρύθμισης των παραμέτρων και των χαρακτηριστικών της ροής. Η υπολογιστική πρόλεξη ροών που εμπίπτουν σε αυτή την κατηγορία, μέσω κλασσικών μεθόδων με προσαρμογή στο σώμα, απαιτεί την επαναγένεση του υπολογιστικού πλέγματος για κάθε νέο βήμα στο πεδίο του διακριτού χρόνου. Στον αντίποδα, οι μέθοδοι εμβαπτισμένου ορίου επιτυγχάνουν ολοκλήρωση στο χρόνο των εξισώσεων ροής για μεταβαλλόμενη στον χρόνο γεωμετρία χωρίου ρευστού, χρησιμοποιώντας αμετάβλητο υποκείμενο πλέγμα κατά τον υπολογισμό. Στην προσέγγιση δομημένου πλέγματος, η κλάση των γεωμετρικών πεδίων στα οποία το πλέγμα είναι προσαρμόσιμο, επεκτείνεται σημαντικά για την οικογένεια των καμπυλόγραμμων πλεγμάτων εν συγκρίσει με εκείνη των Καρτεσιανών. Η προσαρμογή του υποκείμενου πλέγματος στο σταθερό τμήμα του ορίου του πεδίου ρευστού είναι επιθυμητό χαρακτηριστικό καθώς επιτρέπει την άμεση επιβολή των οριακών συνθηκών, επιτυγχάνοντας μειωμένη πολυπλοκότητα της διαδικασίας. Το προκύπτον σχήμα σε αυτή την περίπτωση παρουσιάζει επίσης αυξημένη ακρίβεια για μεθόδους εμβαπτισμένου ορίου που εφαρμόζουν σχήματα προσέγγισης στις εμβαπτισμένες επιφάνειες. Στην παρούσα διατριβή εφαρμόζεται δομημένη, καμπυλόγραμμη μέθοδος εμβαπτισμένου ορίου, επεκτεταμένη με χαρακτηριστικά αλληλεπίδρασης ρευστού-παραμορφώσιμου στερεού, για την ανάλυση του ελέγχου ροής με μία πλειάδα τεχνικών: • Μόνιμη και μη μόνιμη αποκολλημένη ροή σε αλληλεπίδραση με ενεργά και παθητικά κινούμενες επιφάνειες • Περισταλτική κίνηση γενικευμένων Νευτώνειων ρευστών • Παλμική ροή από διογκούμενο - συρρικνούμενο μπαλόνι. Η έρευνα προσανατολίζεται στην κατεύθυνση των ερωτήσεων: • Πώς μπορεί να μειωθεί το μήκος της αποκολλημένης ροής, μέσω ενός κινούμενου τμήματος της επιφάνειας πάνω από την οποία το οριακό στρώμα είναι αποκολλημένο; • Πόσο αποδοτικός είναι ο έλεγχος της ανακυκλοφορίας μέσω παθητικής μεμβράνης; • Ποια είναι η επίδραση της ταχύτητας, του πλάτους και του πλήθους κορυφών του περισταλτικού κύματος στην αποδοτικότητα μεταφοράς; • Πώς συμπεριφέρονται κατά την περίσταλση τα διατμητικά λεπτυνόμενα ρευστά σε σύγκριση με τα Νευτώνεια ρευστά; • Πώς επηρεάζει το πλάτος ταλάντωσης της μεμβράνης την πίεση εξόδου αντλίας μπαλονιού; • Ποιοι παράγοντες καθορίζουν την διαφορά φάσης μεταξύ των κυμάτων ρυθμού αλλαγής όγκου του μπαλονιού και πίεσης εξόδου; Η μέθοδος εμβαπτισμένου ορίου που χρησιμοποιήθηκε προτείνεται ως κατάλληλη για την προσομοίωση των μεθόδων χειραγώγησης της ροής που μελετώνται. Η πρόλεξη με την μέθοδο εμβαπτισμένου ορίου, κατόπιν επέκτασης για γενικευμένα Νευτώνεια ρευστά, εμφανίζει υψηλό βαθμό σύμπτωσης με τααποτελέσματα που λαμβάνονται από προσομοίωση με τις κλασσικές μεθόδους. Εισάγεται η ελαστική μεμβράνη για τον έλεγχο της αποκολλημένης ροής και αναλύεται η αλληλεπίδραση ρευστού - στερεού της μόνιμης και της μη μόνιμης ροής με το παθητικό μέσο. Παραμετρική διερεύνηση του πλήθους των αντιγράφων του κύματος συστολής για ευθύγραμμη περισταλτική αντλία αναδεικνύει τα πλεονεκτήματα της πολυκύλινδρης διάταξης. Ευάριθμα ρευστά ενδιαφέροντος, όπως το αίμα είναι μη Νευτώνεια. Ερευνάται η επίδραση της συμπεριφοράς διατμητικής λέπτυνσης στις χαρακτηριστικές άντλησης. Παρουσιάζεται η απόδοση ως προς την πίεση εξόδου και το χρονομεταβλητό πεδίο ροής για άντληση μέσω μπαλονιού σε ευθύγραμμη αρτηρία.	el
heal.advisorName	Τσαγγάρης, Σωκράτης	en
heal.advisorName	Tsangaris, Sokrates	el
heal.committeeMemberName	Voutsinas, Spyridon	en
heal.committeeMemberName	Anagnostopoulos, Ioannis	en
heal.committeeMemberName	Mathioulakis, Dimitrios	en
heal.committeeMemberName	Giannakoglou, Kyriakos	en
heal.committeeMemberName	Bouris, Demetrios	en
heal.committeeMemberName	Riziotis, Vasilis	en
heal.committeeMemberName	Manopoulos, Christos	en
heal.committeeMemberName	Βουτσινάς, Σπυρίδων	el
heal.committeeMemberName	Αναγνωστόπουλος, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Μαθιουλάκης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος	el
heal.committeeMemberName	Μπούρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Ριζιώτης, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Μανόπουλος, Χρήστος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	198 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false