Kolloidpartikel die von zwei nicht mischbaren Fluiden benetzt werden, tendieren dazu sich an der fluiden Grenzfläche aufzuhalten um die Oberflächenspannung zu minimieren. Bei genügender Anzahl solcher Kolloide werden diese zusammengedrückt und lassen die fluide Grenzfläche erstarren. Das gesamte System aus Fluiden und Kolloiden bildet dann eine spezielle Emulsion mit interessanten Eigenschaften. In dieser Arbeit wird ein kontinuum Model für solche Systeme entwickelt, basierend auf den Prinzipien der Massenerhaltung und der themodynamischen Konsistenz. Dabei wird die makroskopische Zwei-Phasen-Strömung durch eine Navier-Stokes Cahn-Hilliard Gleichung modelliert und die mikroskopischen Partikel an der fluiden Grenzfläche durch einen Phase-Field-Crystal Ansatz beschrieben. Zur Evaluation des verwendeten Strömungsmodells wird ein Test verschiedener Navier-Stokes Cahn-Hilliard Modelle anhand eines bekannten Benchmark Szenarios durchgeführt. Die Ergebnisse werden mit denen von anderen Methoden zur Simulation von Zwei-Phasen-Strömungen verglichen. Desweiteren wird eine neue Methode zur Simulation von Zwei-Phasen-Strömungen in komplexen Gebieten vorgestellt. Dabei wird die komplexe Geometrie implizit durch eine Phasenfeldvariable beschrieben, welche die charakteristische Funktion des Gebietes approximiert. Die Strömungsgleichungen werden dementsprechend so umformuliert, dass sie in einem größeren und einfacheren Gebiet gelten, wobei die Randbedingungen implizit durch zusätzliche Quellterme eingebracht werden. Zur Einarbeitung der Oberflächenkolloide in das Strömungsmodell wird schließlich die Variation der freien Energie des Gesamtsystems betrachtet. Dabei wird die Energie der Partikel durch die Phase-Field-Crystal Energie approximiert und die Energie der Oberfläche durch die Ginzburg-Landau Energie. Eine Variation der Gesamtenergie liefert dann die Phase-Field-Crystal Gleichung und die Navier-Stokes Cahn-Hilliard Gleichungen mit zusätzlichen elastischen Spannunngen. Zur Validierung des Ansatzes wird auch eine sharp interface Version der Gleichungen hergeleitet und mit der zuvor hergeleiteten diffuse interface Version abgeglichen. Die Diskretisierung der erhaltenen Gleichungen erfolgt durch Finiten Elemente in Kombination mit einem semi-impliziten Euler Verfahren. Durch numerische Simulationen wird die Anwendbarkeit des Modells gezeigt und bestätigt, dass die oberflächenaktiven Kolloide die fluide Grenzfläche hinreichend steif machen können um externen Kräften entgegenzuwirken und das gesamte System zu stabilisieren. / Colloid particles that are partially wetted by two immiscible fluids can become confined to fluidfluid interfaces. At sufficiently high volume fractions, the colloids may jam and the interface may crystallize. The fluids together with the interfacial colloids compose an emulsion with interesting new properties and offer an important route to new soft materials. Based on the principles of mass conservation and thermodynamic consistency, we develop a continuum model for such systems which combines a Cahn-Hilliard-Navier-Stokes model for the macroscopic two-phase fluid system with a surface Phase-Field-Crystal model for the microscopic colloidal particles along the interface. We begin with validating the used flow model by testing different diffuse interface models on a benchmark configuration for a two-dimensional rising bubble and compare the results with reference solutions obtained by other two-phase flow models. Furthermore, we present a new method for simulating two-phase flows in complex geometries, taking into account contact lines separating immiscible incompressible components. In this approach, the complex geometry is described implicitly by introducing a new phase-field variable, which is a smooth approximation of the characteristic function of the complex domain. The fluid and component concentration equations are reformulated and solved in larger regular domain with the boundary conditions being implicitly modeled using source terms. Finally, we derive the thermodynamically consistent diffuse interface model for two-phase flow with interfacial particles by taking into account the surface energy and the energy associated with surface colloids from the surface PFC model. The resulting governing equations are the phase field crystal equations and Navier-Stokes Cahn-Hilliard equations with an additional elastic stress. To validate our approach, we derive a sharp interface model and show agreement with the diffuse interface model. We demonstrate the feasibility of the model and present numerical simulations that confirm the ability of the colloids to make the interface sufficiently rigid to resist external forces and to stabilize interfaces for long times.

In this thesis, we consider two models from physics, which are characterized by the interplay of thermodynamical and fluid mechanical phenomena: demixing (spinodal decomposition) and Rayleigh--Bénard convection. In both models, we investigate the dependencies of certain intrinsic quantities on the system parameters. The first model describes a thermodynamically driven demixing process of a binary viscous fluid. During the evolution, the two components of the mixture separate into two domains of the different equilibrium volume fractions. One observes a clear tendency: Larger domains grow at the expense of smaller ones, and thus, the average domain sizes increases --- a phenomenon called coarsening. It turns out that two mechanisms are relevant for the coarsening process. At an early stage of the evolution, material transport is essentially mediated by diffusion; at a later stage, when the typical domain size exceeds a certain value, due to the viscosity of the mixture, a fluid flow sets in and becomes the relevant transport mechanism. In both regimes, the growth rates of the typical domain size obey certain power laws. In this thesis, we rigorously establish one-sided bounds on these growth rates via a priori estimates. The second model, Rayleigh--Bénard convection, describes the behavior of a fluid between two rigid horizontal plates that is heated from below and cooled from above. There are two competing heat transfer mechanisms in the system: On the one hand, thermodynamics favors a state in which temperature variations are locally minimized. Thus, in our model, the thermodynamical equilibrium state is realized by a temperature with a linearly decreasing profile, corresponding to pure conduction. On the other hand, due to differences in the densities of hot and cold fluid parcels, buoyancy forces act on the fluid. This results in an upward motion of hot parcels and a downward motion of cold parcels. We study the dependence of the average upward heat flux, measured in the so-called Nusselt number, on the temperature forcing encoded by the container height. It turns out that the efficiency of the heat transport is independent of the height of the container, and thus, the Nusselt number is a constant function of height. Using a priori estimates, we prove an upper bound on the Nusselt number that displays this dependency --- up to logarithmic errors. Further investigations on the flow pattern in Rayleigh--Bénard convection show a clear separation of length scales: Along the horizontal top and bottom plates one observes thin boundary layers in which heat is essentially conducted, whereas the large bulk is characterized by a convective heat flow. We give first rigorous results in favor of linear temperature profiles in the boundary layers, which indicate that heat is indeed essentially conducted close to the boundaries.:1 Introduction 2 Coarsening rates in binary viscous fluids 2.1 Background from physics 2.2 Background from mathematics 2.3 The model 2.4 The gradient flow structure 2.5 Heuristics 2.6 Numerical simulations 2.7 Main results 2.8 Preliminaries 2.9 Proof of upper bounds on coarsening rates 2.10 Appendix: Well-posedness and regularity of solutions 3 Scaling of the Nusselt number 3.1 Background from physics 3.2 The model and the Nusselt number 3.3 Heuristics 3.4 Main results 3.5 Scaling law in the linear regime 3.6 Preliminaries and review 3.7 Upper bound using the background field method 3.8 Upper bound using the maximum principle 3.9 Appendix: Some elementary estimates 4 The laminar boundary layer 4.1 Background, model, and motivation 4.2 Main results 4.3 Preparation: Bounds on the velocity field 4.4 On the energy distribution 4.5 Bounds on the second order derivatives of the temperature field 4.6 Bounds on the third order derivatives of the temperature field

We present a discretization method of the Navier–Stokes Cahn–Hilliard equations which offers an impressing simplicity, making it easy to implement a scalable parallel code from scratch. The method is based on a special pressure projection scheme with incomplete pressure iterations. The resulting scheme admits solution by an explicit Euler method. Hence, all unknowns decouple, which enables a very simple implementation. This goes along with the opportunity of a straightforward parallelization, for example, by few lines of Open Multi-Processing (OpenMP) or Message Passing Interface (MPI) routines. Using a standard benchmark case of a rising bubble, we show that the method provides accurate results and good parallel scalability. / Wir stellen eine Diskretisierungsmethode der Navier-Stokes-Cahn-Hilliard-Gleichungen vor, welche es erlaubt, mit wenig Aufwand einen einfachen, skalierbar parallelen Code zu implementieren. Die Methode basiert auf einem Druckprojektionsschema mit unvollständigen Druckiterationen was eine Lösung durch eine explizite Euler-Methode erlaubt. Somit sind alle Unbekannten entkoppelt, was eine sehr einfache Implementierung mit einer unkomplizierten Parallelisierung ermöglicht, zum Beispiel durch Open Multi-Processing (OpenMP) oder Message Passing Interface (MPI) Routinen. Anhand eines Standard-Benchmark-Falls einer aufsteigenden Blase zeigen wir, dass die Methode genaue Ergebnisse und eine gute parallele Skalierbarkeit liefert.

Lors d'un hypothétique accident majeur dans un réacteur à eau sous pression, la dégradation du coeur peut produire un bain stratifié, traversé par un flux de bulles. Ce dernier influence grandement les transferts thermiques, dont l'intensité est déterminante dans le déroulement de l'accident. Dans ce contexte, ce travail porte sur une modélisation de type interface diffuse pour l'étude d'écoulements incompressibles, anisothermes, composés de trois constituants non miscibles, sans changement de phase. Dans les méthodes à interface diffuse, l'évolution du système est décrite à travers la minimisation d'une énergie libre. L'originalité de notre approche, inspirée du modèle de Cahn-Hilliard, réside dans la forme particulière de l'énergie que nous proposons, qui permet d'avoir un modèle algébriquement et dynamiquement consistant, au sens suivant : d'une part, l'énergie libre triphasique coïncide exactement avec celle du modèle de Cahn-Hilliard diphasique quand seulement deux des phases sont présentes ; d'autre part, si une phase est initialement absente alors elle n'apparaîtra pas au cours du temps, cette dernière propriété étant stable vis à vis des erreurs numériques. L'existence et l'unicité des solutions faibles et fortes sont démontrées en dimension 2 et 3 ainsi qu'un résultat de stabilité pour les états métastables.<br /><br />La modélisation d'un système ternaire en écoulement anisotherme est ensuite poursuivie par couplage des équations de Cahn-Hilliard avec celles du bilan d'énergie et de Navier-Stokes où les contraintes surfaciques sont prises en compte à travers des forces volumiques capillaires. L'ensemble est discrétisé en temps et en espace de façon à préserver les propriétés du problème continu (conservation du volume, estimation d'énergie). Différents résultats numériques sont présentés, depuis le cas de validation de l'étalement d'une lentille entre deux phases jusqu'à l'étude des transferts de masse et de chaleur à travers une interface liquide/liquide traversée par une bulle ou un train de bulles.

In this study, a computational approach to the solution of an inverse modeling problem is developed to reconstruct unknown material properties of a Li-ion battery. In-situ MRI measurements performed on a layered graphite electrode during charging are used in comparison with Stefan-Maxwell concentrated electrolyte theory, Butler-Volmer reaction kinetics, and multiphase porous electrode theory to explore the overall accuracy of models for Li transport processes in the active material. In particular, the main research goal here is to determine if the original Cahn-Hilliard formulation for phase-separation can be improved upon through extension to a periodic bilayer model (two-layer Cahn-Hilliard). The original model contains a pair of two stable phases at low and high concentrations that produces the ``shrinking core'' behavior for lithiated graphite. The comparative advantage of the periodic bilayer model stems from the capturing of a third stable phase of intermediate concentration as the average between one concentrated layer and one dilute layer. Calibration is done simultaneously on concentration and cell voltage profiles through multi-objective optimization where the accuracy of a model is assessed based on the quantification of agreement with experimental data. The periodic bilayer model is found to improve upon the least-squares error for fitting of concentration profiles by roughly 20%, while the voltage fittings are too similar to be conclusive. / Thesis / Master of Science (MSc)

Cette thèse est consacrée à la modélisation, à l'analyse mathématique et à la simulation numérique d'écoulements de divers fluides complexes dans des domaines de faible épaisseur. En effet, les modèles de fluides newtoniens ne sont pas toujours suffisants pour décrire de manière réaliste les écoulements considérés. Plusieurs phénomènes peuvent être pris en compte :<br /> * le caractère complexe des fluides eux-mêmes, comme pour des fluides non-newtoniens ;<br /> * l'hétérogénéité de l'écoulement, dans le cas de mélanges de fluides par exemple.<br />Il est important d'analyser comment ces modèles peuvent être simplifiés dans le cas de domaines minces, et d'étudier rigoureusement les modèles approchés.<br />Dans une première partie, des écoulements de fluides non newtoniens visco-élastiques représentés par une loi de comportement de type Oldroyd-B couplée aux équations de Navier-Stokes sont étudiés. Dans le cas de géométries minces, un modèle approché a été proposé. On justifie la validité de cette approximation ; la démonstration repose sur des estimations et des résultats de régularité fins.<br />Dans une deuxième partie, on considère un modèle d'écoulement piezovisqueux utilisé en lubrification hydrodynamique. Ce modèle fait aussi intervenir la déformation élastohydrodynamique du domaine (déformation du type Hertz), et l'aspect diphasique de la cavitation, qui est décrit par le modèle d'Elrod-Adams (en pression-saturation). On montre l'existence d'une solution à ce problème pour des lois pression-viscosité réalistes.<br />Dans une troisième partie, on introduit un modèle diphasique à interface diffuse, permettant de rendre compte de phénomènes plus fins tels que les gouttes. Pour cela, un paramètre d'ordre est introduit (fraction volumique d'une phase dans le mélange), gouverné par le modèle de Cahn-Hilliard. Un système approché est obtenu de manière heuristique pour un domaine de faible épaisseur. On étudie les propriétés mathématiques de ce système, et on montre un résultat d'existence, avec prise en compte ou non de la tension de surface.<br />Dans la dernière partie, un schéma numérique est mis en place pour simuler le modèle décrit précédemment d'écoulements diphasiques en domaines minces. Il permet de prendre en compte différents phénomènes physiques, comme de grandes variations de la viscosité ou la présence de recirculations à l'intérieur d'une goutte, ainsi que de simuler des mélanges dans le cadre d'écoulements lubrifiés.

Ce travail est dédié à la mise en place de modèles d'écoulements de fluides complexes, à leur analyse théorique ainsi qu'au développement et à l'analyse de convergence de schémas numériques appropriés. <br /><br />Une première partie du travail concerne l'étude de modèles dits à interface diffuse pour les écoulements incompressibles multiphasiques. Après une étude assez précise du cadre diphasique, on propose la généralisation au cadre triphasique, ce qui nécessite d'introduire la notion importante de consistance des modèles. Des résultats numériques confirment la pertinence des modèles proposés. Ensuite, on s'intéresse au modèle plus classique de Navier-Stokes non-homogène incompressible pour lequel on établit le caractère bien posé du problème pour des conditions aux limites ouvertes non-linéaires en sortie d'un écoulement. Une brique essentielle de ce travail est l'étude détaillée du problème de traces pour l'équation de transport associée à un champ de vitesse peu régulier. Ce travail, dont l'intérêt dépasse le cadre applicatif décrit ci-dessus, fait l'objet d'un chapitre à part entière.<br /><br />Dans une seconde partie, on s'intéresse à l'approximation numérique par des méthodes de volumes finis des solutions de problèmes elliptiques non-linéaires monotones (du type p-laplacien). Un premier chapitre décrit un certain nombre de résultats obtenus dans le contexte de maillages cartésiens. Un second chapitre est consacré à l'étude d'un cadre géométrique plus général par le biais de méthodes dites en dualité discrète. Une attention particulière est portée au cas où les coefficients du problème présentent des discontinuités spatiales, ce qui mène à des problèmes de transmission non-linéaire entre deux milieux.<br /><br />Le mémoire s'achève par la description de quelques travaux connexes, d'une part sur une classe de schémas VF pour les équations elliptiques linéaires adaptés à des maillages non orthogonaux, et d'autre sur l'étude numérique de problèmes elliptiques couplés 2D/1D issus de la description asymptotique d'écoulements dans des milieux poreux fracturés.

L'objet de ce mémoire est de rendre compte de travaux portant sur les phases spatialement modulées ou phases lamellaires, leur thermodynamique (diagramme de phases, profi l des interfaces) et la dynamique des transitions de phase qui les font apparaître. En particulier, je me suis intéressé aux non-linéarités de cette dynamique de transition de phase particulière en me basant sur les modèles de Swift-Hohenberg, Cahn-Hilliard et Oono, d'après les noms de leurs auteurs.

The development, analysis, and implementation of efficient methods to solve algebraic systems of equations are main research directions in the field of numerical simulation and are the focus of this thesis. Due to their lesser demands for computer resources, iterative solution methods are the choice to make, when very large scale simulations have to be performed. To improve their efficiency, iterative methods are combined with proper techniques to accelerate convergence. A general technique to do this is to use a so-called preconditioner. Constructing and analysing various preconditioning methods has been an active field of research already for decades. Special attention is devoted to the class of the so-called optimal order preconditioners, that possess both optimal convergence rate and optimal computational complexity. The preconditioning techniques, proposed and studied in this thesis, utilise the block structure of the underlying matrices, and lead to methods that are of optimal order. In the first part of the thesis, we construct an Algebraic MultiLevel Iteration (AMLI) method for systems arising from discretizations of parabolic problems, using Crouzeix-Raviart finite elements. The developed AMLI method is based on an approximated block factorization of the original system matrix, where the partitioning is associated with a sequence of nested discretization meshes. In the second part of the thesis we develop solution methods for the numerical simulation of multiphase flow problems, modelled by the Cahn-Hilliard (C-H) equation. We consider the discrete C-H problem, obtained via finite element discretization in space and implicit schemes in time. We propose techniques to precondition the Jacobian of the discrete nonlinear system, based on its natural two-by-two block structure. The preconditioners are used in the framework of inexact Newton methods. We develop two nonlinear solution algorithms for the Cahn-Hilliard problem. Both lead to efficient optimal order methods. One of the main advantages of the proposed methods is that they are implemented using available software toolboxes for both sequential and distributed execution. The theoretical analysis of the solution methods presented in this thesis is combined with numerical studies that confirm their efficiency.

Fluid flows mainly driven by capillary forces are presented in this thesis. By means of modeling and simulations, interesting dynamics in capillary-driven flows are revealed such as coalescences, breakups, precursor films, flow instabilities, rapid spreading, rigid body motions, and reactive wetting. Diffuse-interface methods model a fluid interface as having a finite thickness endowed with physical properties such as surface tension. Two diffuse-interface models that are based on the free energy of the system are presented. The binary model, more specifically the coupled Navier-Stokes/Cahn-Hilliard equations, was used to study different two-phase flows including problems related to microfluidics. Numerical issues using this model have been addressed such as the need for mesh adaptivity and time-step restrictions. Moreover, the flexibility of this model to simulate 2D, axisymmetric, and 3D flows has been demonstrated. The factors affecting reproducibility of microdroplet depositions performed under a liquid medium are investigated. In the deposition procedure, sample solution is dispensed from the end of a capillary by the aid of a pressure pulse onto a substrate with pillar-shaped sample anchors. In both the experimental and numerical study it was shown that the deposited volume mainly depends on the capillary-substrate distance and anchor surface wettability. Furthermore, a critical equilibrium contact angle has been identified below which reproducible depositions are facilitated. The ternary model is developed for more complicated flows such as liquid phase sintering. With the introduction of a Gibbs energy functional, the governing equations are derived, consisting of convective concentration and phase-field equations which are coupled to the Navier-Stokes equations with surface tension forces. Arbitrary phase diagrams, surface energies, and typical dimensionless numbers are some input parameters into the model. Detailed analysis of the important capillary phenomena in liquid phase sintering such as reactive and nonreactive wetting and motion of two particles connected by a liquid bridge are presented. The dynamics of the wetting is found to match with a known hydrodynamic theory for spreading liquids. Factors affecting the equilibrium configuration of the particles such as equilibrium contact angles and volume ratios are also investigated. / QC 20100823