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Lattice Boltzmann simulation of nucleation in binary fluids
Carina Karner
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Christoph Dellago
DOI
10.25365/thesis.14504
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29982.62733.846269-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Festkörper, Flüssigkeiten und Gase, welche aus zwei verschiedenen Arten von Molekülen, Kolloiden oder anderen Entitäten bestehen, werden unter dem Begriff binäre Materialen zusammengefasst.
Berühmte Beispiele für diese Klasse von Materialen sind binäre Legierungen, binäre Kolloide und Wasser-Öl-Mischungen.
Diese Diplomarbeit befasst sich mit binären Flüssigkeiten, die nur unter bestimmten Temperaturen und Stoffmengenanteilen vermischbar sind. Wird die vermischte binäre Flüssigkeit etwa durch Temperaturänderung in einen Phasendiagramm-Bereich jenseits dieser Bedingungen gebracht, entmischt sie sich entweder durch spinodale Entmischung oder durch Keimbildung.
Bei einer spinodalen Entmischung bilden sich gleich nach der
Temperaturänderung überall in der Flüssigkeit voneinander getrennte Bereiche der beiden Komponenten. Im Zuge des Phasenübergangs, wachsen diese getrennten Domänen weiter bis die Flüssigkeit vollständig separiert ist.
Bei einem Keimbildungsprozess hingegen, trennt eine Freie-Energie Barriere den aktuellen, metastabilen Zustand von dem entmischten Gleichgewichtszustand. Durch thermische Fluktuationen bilden sich kleine Keime der Komponente mit dem geringeren Stoffmengenanteil. Die meisten dieser Keime verschwinden allerdings wieder und nur wenn ein Keim die Größe erreicht, die notwendig ist um die Freie Energie Barriere zu überwinden, kann er weiterwachsen bis die binäre Flüssigkeit vollständig entmischt ist.
Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es ein Lattice-Boltzmann-Modell für den Keimbildungsprozess in binären Flüssigkeiten zu erstellen und zu analysieren.
Als Ausgangpunkt verwenden wir das Lattice-Boltzmann-Modell für spinodale Entmischung von Swift et al. Da Keimbildung ein Fluktuations-induzierter Phasenübergang erster Ordung ist, inkludieren wir thermische Fluktuationen nach dem Verfahren von Dünweg.
Die mit dem so veränderten Algorithmus erzielten Simulationsergebnisse zeigen dass es möglich ist, mit der mesoskopischen Lattice-Boltzmann-Methode Nukleationsprozesse von binären Flüssigkeiten zu modellieren.
Abstract
(Englisch)
Condensed matter materials, which are composed of two different species of molecules, colloids or other entities, are widely known as binary materials. Binary alloys, binary colloids and water-oil-mixtures are prominent examples for this class of materials.
In this thesis we deal with binary fluids that are miscible under certain temperatures and mole-fractions only.
Beyond those temperatures and mole-fractions, these fluids will unmix.
This phase separation transition then proceeds either via spinodal decomposition or via nucleation. When undergoing spinodal decomposition, the binary fluid exhibits a characteristic coarsening behaviour. Shortly after the finite temperature quench from the mixed state, distinct domains of the different species form. After this initial phase separation, the domains start to grow until the fluid is fully phase separated.
On the other hand, when undergoing a nucleation process, a free energy barrier separates the actual state of the fluid from the phase separated equilibrium state. We observe that, due to thermal fluctuations, small droplets of the species with the minor mole-fraction appear now and then. Most of them will vanish again. Only if one droplet manages to cross the free energy barrier, it starts to grow until the fluid is separated.
The aim of this thesis is to model the nucleation process of a binary fluid with the lattice Boltzmann method.
As starting point we use the lattice Boltzmann model of a binary fluid of Swift et al. . Since nucleation is a fluctuation induced process, thermal fluctuations need to be included into the binary fluid model.
This is done by implementing the fluctuating lattice Boltzmann algorithm introduced by Dünweg.
Having successfully included fluctuations into the binary fluid model, we could demonstrate that the new algorithm is able to qualitatively model a nucleation process.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Nucleation Binary Fluids Lattice Boltzmann Method Cahn-Hilliard Theory Ginzburg-Landau Functionals
Schlagwörter
(Deutsch)
Keimbildungsprozesse Binäre Flüssigkeiten Lattice-Boltzmann-Methode Cahn-Hilliard Theorie Ginzburg-Laundau Funktionale
Autor*innen
Carina Karner
Haupttitel (Englisch)
Lattice Boltzmann simulation of nucleation in binary fluids
Paralleltitel (Deutsch)
Lattice Boltzmann Simulation von Keimbildungsprozessen in Binären Flüssigkeiten
Publikationsjahr
2011
Umfangsangabe
98 S. : Ill.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christoph Dellago
AC Nummer
AC08819163
Utheses ID
13009
Studienkennzahl
UA | 411 | | |