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Motion of Inertial Particles in Gaussian Fields Driven by an Infinite-Dimensional Fractional Brownian Motion

Schöchtel, Georg (2013)
Motion of Inertial Particles in Gaussian Fields Driven by an Infinite-Dimensional Fractional Brownian Motion.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Motion of inertial (i.e. small heavy) particles in turbulent fluids occurs in natural phenomena as well as in technological processes and therefore has excited theoretical investigations. Examples for such processes are formation of raindrops, evolution of clouds and combusting of liquid fuel. The motion of the particle is described by Newton's second law, where the force is proportional to the difference between a background fluid velocity and the particle velocity. In this work we study the dynamics of the particles in the case where the fluid velocity satisfies a linear stochastic partial differential equation of Ornstein-Uhlenbeck type driven by an infinite-dimensional fractional Brownian motion with arbitrary Hurst parameter H in (0,1). The usefulness of such random velocity fields in simulations is that we can compute random velocity fields in an efficient way with desired statistical properties, thus generating artificial images of realistic turbulent flows. This model captures also the clustering phenomenon of preferential concentration, observed in real world and numerical experiments, i.e. particles cluster in regions of low vorticity and high strain rate. We prove almost sure existence and uniqueness of particle paths, give sufficient conditions to rewrite this system as a random dynamical system with a global random pullback attractor and derive some properties of a modified system which suggest a volume contraction in this system. Finally, we visualize the clustering of the particles depending on the parameters of the model through a numerical experiment.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2013
Autor(en): Schöchtel, Georg
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Motion of Inertial Particles in Gaussian Fields Driven by an Infinite-Dimensional Fractional Brownian Motion
Sprache: Englisch
Referenten: Stannat, Prof. Dr. Wilhelm ; Betz, Prof. Dr. Volker ; Stuart, Prof. Dr. Andrew ; Funaki, Prof. Dr. Tadahisa
Publikationsjahr: 2013
Datum der mündlichen Prüfung: 28 Januar 2013
URL / URN: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3322/
Kurzbeschreibung (Abstract):

Motion of inertial (i.e. small heavy) particles in turbulent fluids occurs in natural phenomena as well as in technological processes and therefore has excited theoretical investigations. Examples for such processes are formation of raindrops, evolution of clouds and combusting of liquid fuel. The motion of the particle is described by Newton's second law, where the force is proportional to the difference between a background fluid velocity and the particle velocity. In this work we study the dynamics of the particles in the case where the fluid velocity satisfies a linear stochastic partial differential equation of Ornstein-Uhlenbeck type driven by an infinite-dimensional fractional Brownian motion with arbitrary Hurst parameter H in (0,1). The usefulness of such random velocity fields in simulations is that we can compute random velocity fields in an efficient way with desired statistical properties, thus generating artificial images of realistic turbulent flows. This model captures also the clustering phenomenon of preferential concentration, observed in real world and numerical experiments, i.e. particles cluster in regions of low vorticity and high strain rate. We prove almost sure existence and uniqueness of particle paths, give sufficient conditions to rewrite this system as a random dynamical system with a global random pullback attractor and derive some properties of a modified system which suggest a volume contraction in this system. Finally, we visualize the clustering of the particles depending on the parameters of the model through a numerical experiment.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Die Dynamik von kleinen, trägen Partikeln, sogenannten „inertial particles“, in turbulenten Fluiden wie Luft oder Wasser bestimmt Naturphänomene wie Sandstürme oder technologische Vorgänge wie das Verbrennen von Treibstoffen und hat deshalb viele Naturwissenschaftler und Mathematiker bewogen, diese Prozesse näher zu untersuchen. Die Bewegung eines Partikels wird durch das zweite Newtonsche Gesetz beschrieben, wobei man annimmt, dass die Kraft proportional zur Differenz zwischen der Fluid- und der Partikelgeschwindigkeit ist. In dieser Arbeit studieren wir das Verhalten der Partikel unter der Annahme, dass das Fluidgeschwindigkeitsfeld Lösung einer stochastischen partiellen Differentialgleichung vom Ornstein-Uhlenbeck-Typ ist, die durch eine unendlich-dimensionale fraktionelle Brownsche Bewegung mit beliebigem Hurst-Parameter H in (0,1) angetrieben wird. Die Nützlichkeit dieses Ansatzes liegt darin, dass wir Geschwindigkeitszufallsfelder modellieren können, die gewünschte statistische Eigenschaften von turbulenten Fluiden, basierend auf bestimmten physikalischen Gesetzen, aufweisen und die man mit relativ geringem Rechenzeitaufwand simulieren kann. Solch ein Modell beschreibt sehr gut das sogenannte „preferential concentration“-Phänomen, welches man in numerischen und Laborexperimenten von turbulenten Fluiden beobachtet, d.h. die Partikel sammeln sich in Regionen mit schwacher Vortizität, was wir im Folgenden als Clusterbildung der Partikel bezeichnen. Wir beweisen die fast sichere Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen der Partikeltransportgleichung, geben hinreichende Bedingungen an, das Modell als zufälliges dynamisches System zu beschreiben, welches einen zufälligen Attraktor hat und leiten Eigenschaften eines modifizierten Systems her, die eine Volumenkontraktion im System nahelegen. Abschließend visualisieren und untersuchen wir in numerischen Experimenten die Clusterbildung der Partikel in Abhängigkeit von den Parametern im Modell.

Deutsch
Schlagworte:
Einzelne SchlagworteSprache
Gaussian fields, inertial particles, stochastic PDEs, fractional Brownian motion, stationary fractional Ornstein-Uhlenbeck process, random dynamical systems, random attractorEnglisch
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33227
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 510 Mathematik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 04 Fachbereich Mathematik > Stochastik
04 Fachbereich Mathematik
Hinterlegungsdatum: 18 Mär 2013 16:27
Letzte Änderung: 21 Mär 2013 10:30
PPN:
Referenten: Stannat, Prof. Dr. Wilhelm ; Betz, Prof. Dr. Volker ; Stuart, Prof. Dr. Andrew ; Funaki, Prof. Dr. Tadahisa
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 28 Januar 2013
Schlagworte:
Einzelne SchlagworteSprache
Gaussian fields, inertial particles, stochastic PDEs, fractional Brownian motion, stationary fractional Ornstein-Uhlenbeck process, random dynamical systems, random attractorEnglisch
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