Lattice boltzmann simulations of viscoelastic fluids in biofabrication and adjacent characterization

Titelangaben

Kellnberger, Richard:
Lattice boltzmann simulations of viscoelastic fluids in biofabrication and adjacent characterization.
Bayreuth , 2026 . - 397 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

This thesis provides a rigorous introduction into many concepts important to Lattice Boltzmann simulations for viscoelastic fluids. It does in fact provide the first such simulation, that is able to simulate realistic viscoelastic fluids. Many algorithms necessary to perform the Lattice Boltzmann simulations presented in this thesis are covered explicitly. This includes, the Lattice Boltzmann algorithm, the Immersed Boundary Method and a finite volume algorithm. Validations are provided for the algorithms. Instabilities and their mitigation are explored. The shuffling algorithm necessary for viscoelastic fluids, which was developed in this thesis is presented. Derivations are given for most theoretical concepts used in this thesis. Interpretations and definitions of important quantities are explored solely driven by usability and without regard for previous definitions. An altered derivation of the Reynolds number provides a better way to speed up the simulation using Reynolds scaling. A different definition of the Capillary number allows finding the relevant parameter range more easily. Defining the Weissenberg number for each fluid model allows for better comparisons between the models. Afterwards, parameters are extracted from real data using the theoretical concepts. These are the parameters used throughout the thesis. Applications from atomic force microscopy to bioprinting needles are discussed. The simulations are used to explain and quantify the altered tank-treading frequency, that can be observed in shear-flows. A rectangular Poiseuille flow is investigated to explore the visibility of the elastic effects in different deformation metric. Lookup tables are provided for Real-Time Deformability-Cytometry (RT-DC). RT-DC is also investigated to explore a curious local minimum of the deformation, which is present in current simulations but not in experimental data. Finally, channels used for evaluation of cells at constant extensional rate are explored. According to literature, these should be hyperbolic. However, this thesis demonstrates, that they are not, and provides adequate shapes for different fluids. All tools are provided for maximum reproducibility.

Abstract in weiterer Sprache

In dieser Arbeit werden viele Konzepte die für Lattice Boltzmann Simulationen von viskoelastischen Fluiden benötigt werden strikt eingeführt. In dieser Arbeit wird die erste derartige Simulation bereitgestellt, die in der Lage ist realistische viskoelastische Fluide zu simulieren. Viele Algorithmen, die zum Durchführen der Lattice Boltzmann Simulationen in dieser Arbeit benötigt werden, werden ausführlich besprochen. Dies beinhaltet, den Lattice Boltzmann Algorithmus selbst, die Immersed Boundary Methode und einen finite Volumen Algorithmus. Validierungen werden für die Algorithmen durchgeführt. Instabilitäten und deren Bekämpfung werden behandelt. Der shuffling Algorithmus, der für das Simulieren von viskoelastischen Fluiden notwendig ist und in dieser Arbeit entwickelt wurde, wird präsentiert. Herleitungen werden für die meisten theoretischen Konzepte dieser Arbeit bereitgestellt. Interpretationen und Definitionen wichtiger Größen werden ausschließlich an der Nützlichkeit ausgerichtet, ohne Rücksicht auf frühere Definitionen zu nehmen. Eine veränderte Herleitung der Reynolds Zahl ermöglicht einen besseren Weg die Simulationen mittels Reynolds Skalierung zu beschleunigen. Eine andere Definition der Kapillarzahl ermöglicht ein einfacheres Auffinden des relevanten Parameterbereichs. Die Weissenberg Zahl für jedes Fluidmodell individuell zu definieren erlaubt einfachere Vergleiche zwischen den Modellen. Später werden Parameter mittels der theoretischen Konzepte aus realen Daten extrahiert. Dies sind die Parameter, welche in der gesamten Arbeit verwendet werden. Anwendung vom Rasterkraftmikroskop bis hin zu Bio-Druck Nadeln werden diskutiert. Simulationen werden verwendet, um die veränderte Rotationsfrequenz von Zellen im Scherfluss zu beschreiben und zu quantifizieren. Ein rechteckiger Poiseuillefluss wird diskutiert, um die Sichtbarkeit elastischer Effekte in unterschiedlichen Deformationsmetriken zu zeigen. Lookup-Tabellen werden für Real-Time Deformability-Cytometry zur Verfügung gestellt. Dieses Experiment wird ebenfalls untersucht, um ein lokales Minimum der Deformation zu erklären, welches zwar in aktuellen Simulationen, nicht aber im Experiment sichtbar ist. Letztlich werden Kanäle mit konstanter Dehnrate untersucht. Diese sind laut der Literatur hyperbolisch. Diese Arbeit demonstriert hingegen, dass dies nicht der Fall ist und stellt adäquate Formen für unterschiedliche Fluide zur Verfügung. Alle verwendeten Programme werden im Namen der maximalen Reproduzierbarkeit bereitgestellt.