SFB 438. Modellierung und Simulation von Mikropumpen. Miriam Mehl. Institut für Informatik V, TU München. München, 18. März 2003
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1 Modellierung und Simulation von Mikropumpen Miriam Mehl Institut für Informatik V, TU München
2 Ziel: Effiziente und schonende Trennung von Teilchen unterhalb der Mikrometerskala wichtig für Nanotechnologie und Lebenswissenschaften (Medizin) Brownsche Motoren/ Ratschen : asymmetrisches, periodisches Potential Zufallskräfte gerichteter Teilchentransport gegen äußere Kraft NEU im Teilprojekt A13: parallel geschaltete dreidimensionale Porengeometrien, Fluid als Nichtgleichgewichtsantrieb
3 Aufgabenbereiche der Arbeitsgruppen theoretische Modellierung Arbeitsgruppe Hänggi Modellierung der statistischen Mechanik des Nichtgleichgewichts numerische Simulation Arbeitsgruppe Zenger/Mehl numerische Strömungsmechanik in verschiedenen Anwendungen Realisierung und experimentelle Untersuchung externer Partner
4 Ausgangspunkt der physikalischen Modellierung Mikrofluidik: inkompressibles Newtonsches Fluid laminare Strömung proof of principle : vernachlässigt wurde: Rückwirkung der Teilchenbewegung auf die Strömung Einfluss der Strömung auf fluktuierende Kräfte Teilchendynamik: Advektion durch Strömung + Zufallskräfte: ẋ(t) = v(x, t)+ξ(t) Numerische Simulationen eines vereinfachten Modells zeigen Teilchentransport. Nachweis von gerichtetem Transport im Experiment
5 Verfahren zur numerischen Simulation Fluiddynamik: voxelbasierte, symmetrieerhaltende Diskretisierung adaptive Oktalbäume (auch zur verbesserten Randapproximation) konservative Mehrgitterverfahren für komplexe Geometrien Parallelisierung und Cacheoptimierung über raumfüllende Kurven modularer, objektorientierter Strömungslöser Nast++ äußere Schnittstellen: mikroskopische Aufnahmen Nast++ Visualisierung Blasensimulation Strukturlöser zellulärer Automat
6 Arbeitsplan: Grundlagen gekoppelte Modellierung der fluktuierenden Hydrodynamik mit der Teilchenbewegung Implementierung der Advektion der Teilchen, der Rückwirkung der Teilchenbewegung auf die Fluidströmung, der fluktuierenden Hydrodynamik Validierung der Modelle durch Vergleich Simulation Experiment Weiterentwicklung der Visualisierungs- und Auswertungstools Effizienzsteigerung der numerischen Simulationsprogramme
7 Schritte zur Optimierung des Teilchentransports Transporteigenschaften eines Partikels für verschiedene Porengeometrien, Pumpamplituden und -frequenzen, Teilchenradien und -formen verbessertes Verständnis der hydrodynamischen Wechselwirkungen in Anwesenheit von Fluktuationen, instationärer Strömung, nichttrivialer Geometrie Optimierung der Teilchentrennung (parallel und kontinuierlich!)
8 Verankerung im SFB A10: Effiziente numerische Verfahren zur Strömungssimulation, Modellierung der Brownschen Bewegung A11: Modellierung dielektrischer Brownscher Teilchen A14: Beschleunigung numerischer Module, effiziente Visualisierungsschnittstellen A13 E3 (alt): numerische Verfahren, Simulationsprogramme Z2: numerische Software, Visualisierung, Modell und Experiment Z4: Visualisierungswerkzeuge
9 Externe Kooperationen MPI Mikrostrukturphysik Halle: experimentelle Arbeit Universität Bielefeld: Theorie Brownscher Motoren Universidad Autonoma de Barcelona: fluktuierende Hydrodynamik Universität Stuttgart: numerische Strömungsmechanik TU Prag/Los Alamos National Laboratories: mimetische numerische Verfahren Selçuk Universität Konya: mimetische numerische Verfahren
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