Stuttgart, Univ., Diplomarb., 1996.

Zugl.: Kassel, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Hannover, Univ., Diss., 2009

Zugl.: Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2008

Zugl.: Hamburg, Helmut-Schmidt-Universiẗat, Diss., 2009.

Techn. Hochsch., Diss., 2005--Aachen.

Stimuli-sensitive hydrogels are polymeric materials, which are able to reversibly swell in water in response to evironmental changes. Relevant stimuli include variations of pH, temperature, concentration of specific ions etc. Stacked layers composed of multiple thin hydrogels - also referred to as hydrogel-layer composites - combine the distinct sensing properties of different hydrogels. This approach enables the development of sophisticated micro uidic devices such as bisensitive valves or uid-sensitive de ectors. In order to numerically simulate the swelling of a polyelectrolyte hydrogel in response to an ion concentration change the multifield theory is adopted. The set of partial differential equations - including the description of the chemical, the electrical and the mechanical field - are solved using the Finite Element Method. Simulations are carried out on a twodimensional domain in order to capture interactions between the different fields. In the present work, the ion transport is governed by diffusive and migrative uxes. The distribution of ions in the gel and the solution bath result in an osmotic pressure difference, which is responsible for the mechanical deformation of the hydrogel-layer composite. The realized numerical investigation gives an insight into the evolution of the displacement field, the distribution of ions and the electric potential within the bulk material and the interface between gel and solution bath. The predicted behavior of the relevant field variables is in excellent agreement with results available in the literature.

Nafion membranes, are polymeric thin films widely employed in micro-batteries and fuel cells. These devices are expected to play a key role in the next generation energy systems for use in vehicles as a replacement to combustion engines. In fact, a minimum environmental impact is guaranteed by reduced carbon dioxide emissions. It is usually complicated to investigate the behavior of thin membranes through experiments. Therefore, numerical simulations are carried out in order to enable a better understanding of the phenomena and of the multi-field couplings occurring in polymeric membranes. A continuum-based, three-dimensional and electro-chemo-mechanical (ECM) model for a hydrated polymer membrane is presented. Different effects are taken into account: (i) mechanics, (ii) water uptake, (iii) ion transport, and (iv) electrostatics. The dissipation inequality drives the choice of the suitable constitutive equations of the multi-physics theory. In the mechanical field, an additive decomposition of the deformation gradient in (i) a distortion part, related to the ion motion, and (ii) an elastic part, is assumed. The multi-field model is numerically solved within the finite element framework. Time-dependent simulations are performed by using the commercial tool COMSOL Multiphysics. Furthermore, two closed form solutions are obtained by using (i) a one-dimensional reduced model and (ii) an approach based on the bar theory with an electro-chemical distortion field.

Die Dynamik von elastischen Membranen, Kapseln und Schalen hat sich zu einem aktiven Forschungsgebiet in der simulationsgestützten Physik und Biologie entwickelt. Die dünne Oberfläche dieser elastischen Materialien ermöglicht es, sie effizient als Hyperfläche zu approximieren. Solche Oberflächen reagieren auf Dehnungen in Oberflächenrichtung und Verformungen in Normalenrichtung mit einer elastischen Kraft. Zusätzlich können Oberflächenspannungskräfte auftreten. In dieser Arbeit präsentieren wir eine neuartige Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) Methode um solche in (Navier-Stokes) Fluiden eingebetteten elastischen Schalen zu simulieren. Dadurch, dass das Gitter an die elastische Oberfläche angepasst ist, kombiniert die vorgeschlagene Methode hohe Genauigkeit mit Effizienz in der Berechnung der Lösungen. Folglich kann man die Simulationen mit einer verhältnismäßig geringen Gitterauflösung durchführen. Der Fokus dieser Arbeit liegt bei achsensymmetrischen Formen und Strömungen, wie sie bei vielen biophysikalischen Anwendungen zu finden sind. Neben einer allgemeinen dreidimensionalen Beschreibung formulieren wir achsensymmetrische Kräfte auf der Oberfläche, für welche wir eine Diskretisierung mit der Finite Differenzen Methode vorschlagen, welche an eine Finite-Elemente Methode für die umgebenden Fluide gekoppelt ist. Weiterhin entwickeln wir eine Strategie zur impliziten Kopplung der Kräfte, um Zeitschrittrestriktionen zu reduzieren. In verschiedenen numerischen Tests werden wir zeigen, dass akkurate Ergebnisse schon in einer Größenordnung von Minuten auf einer Single-Core CPU erreicht werden können. Die Methode wurde in drei aktuellen Anwendungen verwendet, wobei mindestens zwei davon nach unserer Kenntnis im Moment mit keiner anderen numerischen Methode simuliert werden können: Zunächst präsentieren wir Simulationen von biologischen Zellen, die im Zuge eines RT-DC (Real-Time Deformability Cytometry) Experiments durch einen schmalen mikrofluidischen Kanal advektiert und dabei verformt werden. Danach zeigen wir die Ergebnisse erster Simulationen der uniaxialen Kompression biologischer Zellen zwischen zwei parallelen Platten im Zuge eines AFM Experiments. Schließlich präsentieren wir Resultate erster Simulationen von neuartigen mikroschwimmenden Schalen, welche lediglich durch äußere Einflüsse (wie z.B. Ultraschall), zum Schwimmen angeregt werden können. / The dynamics of membranes, shells, and capsules in fluid flow has become an active research area in computational physics and computational biology. The small thickness of these elastic materials enables their efficient approximation as a hypersurface, which exhibits an elastic response to in-plane stretching and out-of-plane bending, possibly accompanied by a surface tension force. In this work, we present a novel arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method to simulate such elastic surfaces immersed in Navier-Stokes fluids. The method combines high accuracy with computational efficiency, since the grid is matched to the elastic surface and can therefore be resolved with relatively few grid points. The focus of this work is on axisymmetric shapes and flow conditions, which are present in a wide range of biophysical problems. Next to a general three-dimensional description, we formulate axisymmetric elastic surface forces and propose a discretization with surface finite-differences coupled to evolving finite elements. We further develop an implicit coupling strategy to reduce time step restrictions. Several numerical test cases show that accurate results can be achieved at computational times on the order of minutes on a single core CPU. Three state-of-the-art applications are demonstrated, where to our knowledge at least two of them cannot be simulated with any other numerical method so far. First, simulations of biological cells being advected through a microfluidic channel and therefore being deformed during an RT-DC (Real-Time Deformability Cytometry) experiment are presented. Then, the uniaxial compression of the cortex of a biological cell during an AFM experiment is investigated. Finally, we present the results of first simulations of the observed shape oscillations of novel microswimming shells which can be locomoted by exterior influences (e.g. ultrasound waves) only.

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Randwertprobleme zur Beschreibung der Ausbreitung magnetotellurischer Felder mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode numerisch gelöst. Die zwei- und dreidimensionalen Randwertprobleme zur Simulation des elektrischen oder des magnetischen Feldes, des magnetischen Vektorpotentials und des elektrischen Skalarpotentials, des magnetischen Vektorpotentials allein oder des anomalen magnetischen Vektorpotentials werden aus den Maxwell-Gleichungen hergeleitet. Auf Grundlage von Anwendung der Konvergenztheorie auf die Finite-Elemente-Lösung werden Konvergenzstudien für zweidimensionale Modelle des homogenen und des geschichteten Halbraums sowie für das dreidimensionale COMMEMI 3-D-2-Modell durchgeführt. Diese werden genutzt, um die Randwertprobleme hinsichtlich ihrer Effizienz zu bewerten. Außerdem liefern Konvergenzstudien eine Abschätzung des lokalen Fehlers der numerischen Lösung für ein realitätsnahes Modell des Vulkans Stromboli und seiner Umgebung, welches digitale Geländedaten enthält. / This thesis presents the numerical finite-element solution of different formulations of the magnetotelluric boundary value problem. Based on Maxwell\'s equations, the two-dimensional and three-dimensional boundary value problems are derived in terms of the electric or the magnetic field, the magnetic vector and the electric scalar potential, the magnetic vector potential only, or the anomalous magnetic vector potential. To evaluate their efficiency, convergence studies are performed for the two-dimensional models of the homogeneous and the layered halfspace as well as for the COMMEMI-3-D-2 model. Moreover, convergence studies yield estimates of the local error of the numerical solution for a close-to-reality model of Stromboli volcano incorporating digital terrain data.