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Massively parallel simulations of chemical dissolution in porous media based on advanced lattice Boltzmann models

ORCID
0000-0003-3656-7028
Affiliation/Institute
Institut für Rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
Alihussein, Hussein

Civil engineering structures are designed and built to serve for a minimum usage- and life-time. Yet, the state of materials and the resulting structural properties of buildings are subject to change depending on outer conditions and eventually lead to degradation of reliability and safety for the intended loads and usage. The evolution of the properties of building materials and structures may be caused by physical or chemical processes occurring on different spatial and temporal scales.
In this thesis the focus is on modeling and simulation of a subset of these processes in cement based materials which are related to the chemical dissolution due to the leaching of calcium. While often the results of such processes are visible on a macroscopic scale after very long times only, its genesis typically has a long history which is only detectable on the pore scale. In order to improve our understanding of such processes on multiple spatio-temporal scales, small scale simulations of multi-species transport and reaction are of vital importance. Due to the geometric complexity of the pore space and the need to consider a representative elementary volume, such simulations require substantial numerical resolutions leading to huge computation times. Thus, an efficient parallelization of such numerical methods is vital to obtain results in acceptable wall-clock time. The goal of this thesis is to improve available approaches based on Lattice Boltzmann methods to reliably and accurately predict the combined effects of mass transport and reaction in porous media. To this end, we will rely on the recently developed cumulant LBM  for the momentum equations and the factorized central moment LBM of the second-order accurate approach for describing transport. To include morphology change due to dissolution of the hydrated cement solid phases the volume of fluid method with piecewise linear interface construction algorithm is employed. These developments will be integrated into the LBM research code VirtualFluids.
After verification and validation of our developments for simplified problems, results obtained for realistic 3D ct images of hydrated cement pastes are discussed and an outlook to future applications and extensions of the developed methods is given.

Bauwerke werden so konzipiert und gebaut, dass sie nach Möglichkeit eine minimale Gebrauchs- und Lebensdauer erreichen. Der Materialzustand und die daraus resultierenden statischen Eigenschaften von Gebäuden unterliegen jedoch je nach äußeren Bedingungen einer Veränderung und führen schließlich zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit und Sicherheit für die vorgesehenen Lasten und Nutzungen. Die Entwicklung der Eigenschaften von Baustoffen und Bauwerken kann durch physikalische oder chemische Prozesse verursacht werden, die auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen stattfinden.
In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die Modellierung und Simulation einer Teilmenge der mechanischen und chemischen Prozesse im Zement, die mit der chemischen Auflösung und Fällung verbunden sind. Während die Ergebnisse solcher Prozesse oft erst nach langer Zeit auf makroskopischer Ebene sichtbar werden, hat ihre Entstehung typischerweise eine lange Vorgeschichte, die nur auf der Porenskala nachweisbar ist. Um das Verständnis solcher Prozesse auf mehreren räumlich-zeitlichen Skalen zu verbessern, sind kleinskalige Simulationen von Transport und Reaktion mehrerer Komponenten von entscheidender Bedeutung. Aufgrund der geometrischen Komplexität des Porenraums und der Notwendigkeit, ein repräsentatives elementares Volumen zu berücksichtigen, erfordern solche Simulationen erhebliche numerische Auflösungen, die zu enormen Rechenzeiten führen. Daher ist eine effiziente Parallelisierung solcher numerischen Methoden unerlässlich, um Ergebnisse in akzeptabler Zeit zu erhalten. Ziel dieser Arbeit ist es, die verfügbaren Ansätze auf der Grundlage von Lattice Boltzmann-Methoden zu verbessern, um die kombinierten Effekte von Mehrkomponententransport und -reaktion in porösen Medien zuverlässig und genau vorherzusagen. Zu diesem Zweck basieren die hier erarbeiteten Ansätze auf dem kürzlich entwickelten Kumulanten LBM-Ansatz für die Impulsgleichungen und einen genauen Ansatz zweiter Ordnung zur Beschreibung des Transports einschließlich der Auflösung und Fällung der Festphase. Diese Entwicklungen werden in den LBM-Forschungscode VirtualFluids integriert.
Nach der Verifizierung und Validierung unserer Entwicklungen für vereinfachte Probleme werden wir die erzielten Ergebnisse für realistische 3D-Beispiele diskutieren und einen Ausblick auf zukünftige Anwendungen und Erweiterungen der entwickelten Methoden geben.

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