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Doctor's Theses (authored and supervised):

S. Bocanski:
"Molecular dynamics simulations of polymeric drag reduction in nano-scale flows";
Supervisor, Reviewer: M. Gröschl, S. Braun, C. Dellago; Institut für Angewandte Physik (E134), 2016; oral examination: 06-30-2016.



German abstract:
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der kontrovers diskutierte Effekt der Reibminderung (DR) durch Polymeradditive in turbulenten Str ̈omungen untersucht. Verschwindend geringe Men- gen von Polymerstoffen sind in der Lage, den Reibungswiderstand in turbulenten Str ̈omungen erheblich zu verringern. Es wird eine neuartige, mikroskopische Methode vorgestellt, die es uns erlaubt, Reibminderung in Kanalstr ̈omungen mit Hilfe von Molekulardynamik (MD) Simulationen zu untersuchen. Ein wesentlicher Teil der Arbeit bestand darin, den mikroskopischen Mechanismus der Wechselwirkung zwischen Polymermoleku ̈len und extern induzierten Reynolds-Spannungen auf Nanoskalen zu reproduzieren, um folgende zwei Aspekte n ̈aher zu beleuchten. In erster Linie lag unser Hauptaugenmerk auf der Unterstu ̈tzung aktueller Theorien, wobei insbesondere die kor- relierte Natur von Turbulenz im Vordergrund stand. Zweitens, wurden Tr ̈agheitseffekte unter- sucht, die explizit an die Additivmasse gekoppelt sind. Durch Einfu ̈hrung externer, korrelativer Kr ̈afte wurden laminare, einphasige Str ̈omungen insofern ver ̈andert, als dass sich in allen physikalis- chen Gr ̈oßen qualitativ ̈ahnliches Verhalten zu makroskopischen, turbulenten Str ̈omungen einstellt. Durch Anwendung dieser Technik, der ku ̈nstlichen Erzeugung von sog. Nano-Turbulenz, werden selbst in molekularen Simulationen, also bei ungu ̈nstigen Reynolds- und Knudsenzahlen, deutliche Tendenzen typischer Charakteristika turbulenter Str ̈omungen beobachtbar. Auf diese Weise wurde gezielt eine Grundlage fu ̈r weitere Simulationen geschaffen, die unter Einbeziehung von bis zu vier Polymermoleku ̈len Wechselwirkungen zwischen den Additiven und reiner Geschwindigkeitskorre- lation erlauben. Unsere Ergebnisse stimmen mit aktuellen theoretischen Vorhersagen sehr gut u ̈berein. Weitere systematische Untersuchungen erlauben folgende Schlussfolgerungen. Erstens, s ̈amtliche Simulationen stimmen gut mit Lumley´s fundamentaler Hypothese u ̈berein, welche be- sagt, dass Reibminderung erst bei U ̈bereinstimmung charakteristischer Zeitskalen eintritt. Zweit- ens, unsere Simulationen erfu ̈llen quantitative Vorhersagen aktueller Theorien, z.B. die DR Per- formance als Funktion der Polymerl ̈ange und Konzentration, trotz der durch externe Kr ̈afte stark verzerrten Energie- und Impulsbilanz. Daru ̈berhinaus unterstu ̈tzen unsere Ergebnisse qualitativ aktuelle Modelle zum Mechanismus der Reibminderung durch Polymere. Unser einfaches Nano- Turbulenz Modell hebt die tats ̈achlich relevanten Aspekte von Turbulenz hervor, die fu ̈r Reib- minderung erforderlich sind. Dies sind zeitliche Aspekte, w ̈ahrend r ̈aumliche Strukturen, z.B. Wirbel, sich als weniger relevant erweisen, in U ̈bereinstimmung mit Lumley´s DR Bedingung. Tr ̈agheitseffekte, die mit der Polymermasse einhergehen, haben im Laufe unserer MD Simulatio- nen ihre bisher untersch ̈atzte Bedeutung aufgezeigt. Die DR Performance zeigt dabei eine starke Abh ̈angigkeit von der Additivmasse. Unsere Ergebnisse legen die Definition eines dimensionslosen, konstanten Onset-Massenparameters nahe, der den Einsatz von Reibminderung triggert. Diese Konstante, definiert als das Verh ̈altnis von Polymermasse zur molaren Fluidmasse, bel ̈auft sich auf ∼ 104. U ̈ber den gesamten untersuchten Massenbereich hat sich dieser Wert als konstant erwiesen, wobei sowohl die Fluid- als auch die Polymermasse u ̈ber mehrere Gr ̈oßenordnungen variiert wurde. Dieser Onset-Parameter kommt auch in makroskopischen DR Str ̈omungen zum Vorschein, sodass wir ihm universellen Charakter zuschreiben.

Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.