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In dieser Arbeit werden neuartige methodische Erweiterungen der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) entwickelt, die effizientere Simulationen inkompressibler Wirbelströmungen ermöglichen. Diese Erweiterungen beheben zwei Hauptprobleme der Standard-LBM: ihre Instabilität in unteraufgelösten turbulenten Simulationen und ihre Beschränkung auf reguläre Rechengitter. Dazu wird zunächst eine Pseudo-Entropische Stabilisierung (PES) entwickelt. Diese kombiniert Ansätze der Multiple-Relaxation-Time (MRT)-Modelle und der Entropischen LBM zu einem expliziten, lokalen und flexiblen Stabilisierungsoperator. Diese Modifikation des Kollisionsschritts erlaubt selbst auf stark unteraufgelösten Gittern stabile und qualitativ korrekte Simulationen. Zur Erweiterung der LBM auf irreguläre Rechengitter wird zunächst eine moderne Discontinuous-Galerkin-LBM untersucht und um stabilere Zeitintegratoren ergänzt. Diese Studie demonstriert die drastischen Schwächen existierender LBMAnsätze auf irregulären Gittern. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen gelingt die Formulierung einer neuartigen Semi-Lagrangeschen LBM (SLLBM). Diese ermöglicht in einzigartigerWeise sowohl die Verwendung irregulärer Gitter und großer Zeitschritte als auch eine hohe räumliche Konvergenzordnung. Anhand von Beispielsimulationen wird demonstriert, wieso dieser Ansatz anderen aktuellen Off-Lattice-Boltzmann-Methoden (OLBMs) in Effizienz und Genauigkeit überlegen ist. Weitere neuartige Aspekte dieser Arbeit sind die Entwicklung eines modularen Off-Lattice-Boltzmann-Codes und die Erweiterung der LBM um implizite Mehrschrittverfahren, mit denen eine Erhöhung der zeitlichen Konvergenzordnung gelingt.
Automated parameterization of intermolecular pair potentials using global optimization techniques
(2014)
In this work, different global optimization techniques are assessed for the automated development of molecular force fields, as used in molecular dynamics and Monte Carlo simulations. The quest of finding suitable force field parameters is treated as a mathematical minimization problem. Intricate problem characteristics such as extremely costly and even abortive simulations, noisy simulation results, and especially multiple local minima naturally lead to the use of sophisticated global optimization algorithms. Five diverse algorithms (pure random search, recursive random search, CMA-ES, differential evolution, and taboo search) are compared to our own tailor-made solution named CoSMoS. CoSMoS is an automated workflow. It models the parameters’ influence on the simulation observables to detect a globally optimal set of parameters. It is shown how and why this approach is superior to other algorithms. Applied to suitable test functions and simulations for phosgene, CoSMoS effectively reduces the number of required simulations and real time for the optimization task.
Pseudopotential (PP)-basierte Lattice-Boltzmann-Methoden werden zunehmend für die Simulation von Mehrphasenströmungen eingesetzt. Da sie auf einem phänomenologischen Ansatz basieren, ist ihr Einsatz mit einem hohen Modellierungsaufwand verbunden. Zudem entstehen an den Phasengrenzen sogenannte Scheingeschwindigkeiten, welche Genauigkeit und numerische Stabilität beeinträchtigen. Daher werden PP-Modelle in dieser Arbeit um drei neue Aspekte erweitert. Erstens wird gezeigt, dass bei der Modellierung unterschiedlicher Kontaktwinkel mit gängigen Methoden in Kombination mit verbesserten Kräfteschemata Scheintröpfchen entstehen. Diese werden durch einen neuartigen Ansatz eliminiert, der auf zusätzlichen Randbedingungen für alle Wechselwirkungskräfte basiert. Diese Technik verhindert nicht nur das Auftreten der Scheintröpfchen, sondern erhöht auch die Stabilität in wandgebundenen Strömungen. Zweitens wird ein neuartiges Verfahren zur Reduktion von Scheingeschwindigkeiten eingeführt. Dabei wird die Diskretisierung der Interaktionskräfte erweitert und die zusätzlichen, freien Koeffizienten in Simulationen statischer Tropfen numerisch optimiert. Die resultierende Diskretisierung wurde in Simulationen stationärer und dynamischer Testfälle validiert, wobei Scheingeschwindigkeiten deutlich reduziert werden konnten. Drittens und letztens wurden die Diffusionseigenschaften in Mehrstoffsystemen detailliert untersucht, wobei eine kritische Abhängigkeit zwischen den makroskopischen Diffusionskoeffizienten und dem Kräfteschema aufgezeigt wird. Diese Analyse bildet die Grundlage für den Vergleich und die zukünftige Entwicklung neuer Potentialfunktionen (für Mehrstoffsysteme) und reduziert den Modellierungsaufwand.
Transition point prediction in a multicomponent lattice Boltzmann model: Forcing scheme dependencies
(2018)
Question Answering (QA) has gained significant attention in recent years, with transformer-based models improving natural language processing. However, issues of explainability remain, as it is difficult to determine whether an answer is based on a true fact or a hallucination. Knowledge-based question answering (KBQA) methods can address this problem by retrieving answers from a knowledge graph. This paper proposes a hybrid approach to KBQA called FRED, which combines pattern-based entity retrieval with a transformer-based question encoder. The method uses an evolutionary approach to learn SPARQL patterns, which retrieve candidate entities from a knowledge base. The transformer-based regressor is then trained to estimate each pattern’s expected F1 score for answering the question, resulting in a ranking ofcandidate entities. Unlike other approaches, FRED can attribute results to learned SPARQL patterns, making them more interpretable. The method is evaluated on two datasets and yields MAP scores of up to 73 percent, with the transformer-based interpretation falling only 4 pp short of an oracle run. Additionally, the learned patterns successfully complement manually generated ones and generalize well to novel questions.
The epithelial sodium channel (ENaC) is a key regulator of sodium homeostasis that contributes to blood pressure control. ENaC open probability is adjusted by extracellular sodium ions, a mechanism referred to as sodium self-inhibition (SSI). With a growing number of identified ENaC gene variants associated with hypertension, there is an increasing demand for medium- to high-throughput assays allowing the detection of alterations in ENaC activity and SSI. We evaluated a commercially available automated two-electrode voltage-clamp (TEVC) system that records transmembrane currents of ENaC-expressing Xenopus oocytes in 96-well microtiter plates. We employed guinea pig, human and Xenopus laevis ENaC orthologs that display specific magnitudes of SSI. While demonstrating some limitations over traditional TEVC systems with customized perfusion chambers, the automated TEVC system was able to detect the established SSI characteristics of the employed ENaC orthologs. We were able to confirm a reduced SSI in a gene variant, leading to C479R substitution in the human α-ENaC subunit that has been reported in Liddle syndrome. In conclusion, automated TEVC in Xenopus oocytes can detect SSI of ENaC orthologs and variants associated with hypertension. For precise mechanistic and kinetic analyses of SSI, optimization for faster solution exchange rates is recommended.