Multi Skalen Modellierung von Abtragprozessen bei Biofilmen mit einem poroviskoelastischen Modell
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Zielstellung des Projekts war die Entwicklung eines numerischen Modells zur Vorhersage von Deformation, Abreissen und Wachstum von Biofilmen. Es baute auf der Dissertation des Antragstellers (Dr. Feng) auf, in der ein Wachstumsmodell für Biofilme entwickelt worden war. Dieses Projekt zielte auf Fluid-Struktur Interaktion (FSI) und den Abrissprozess ab. Zu diesem Zweck wurde ein neues Modellkonzept und ein multi-dimensionales, poroelastisches FSI Modell, basierend auf der schwach kompressiblen Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode entwickelt. Das Modell beschreibt den Biofilm als poröses Medium und beinhaltet damit zwei Phasen, die Festphase und das Fluid. Obwohl die poröse Struktur homogenisiert beschrieben wird, werden die beiden Materialien numerisch mit unterschiedlichen Partikeln diskretisiert, wodurch freie Strömung des Fluids in und aus dem Biofilm beschrieben werden kann. Das Modell erfasst damit auch eine lokale Änderung der Porosität des Biofilms. Das poroelastische FSI Modell sollte verwendet werden, um zu untersuchen welche Materialeigen schaften den Abrissprozess beeinflussen. Dafür wurde die Rolle des Spannungsfelds im Biofilm auf die Deformation und den Abriss eines Biofilms in einem mikrofluidischen Kanal betrachtet. Die Simulationsergebnisse konnten experimentelle Beobachtungen aus der Literatur gut reproduzieren. Durch die weitere Implementierung eines Schadensmodells ist es auch möglich mit dem Modell verschiedene Abrissmuster zu reproduzieren. Das Modell wurde weiterentwickelt um FSI mit einer heterogenen porösen Struktur, die mit einer Strömung mit freier Oberfläche interagiert, untersuchen zu können. Da hierfür keine Benchmark Testfälle mit Biofilmen bekannt sind, wurde das bekannte Benchmarkproblem eines Dammbruchs vor einer porösen deformierbaren Struktur untersucht. Obwohl dieses Problem viel größere Längenskalen involviert, umfasst es die relevanten Eigenschaften (poroelastisches FRI Modell) des Biofilms. Neben der Modellentwicklung für FSI Modellierung wurde im Projekt auch der Biofilmwachstum in heterogen verteilten Multi-Spezies Systemen zu unterschiedlichen Zeitskalen untersucht. Hierfür wurde ein Multi-Spezies Biofilm Wachstumsmodell entwickelt und anhand des Beispiels eines symbiotischen Veillonella-S.gordonii Systems untersucht, wie sich heterogene Verteilungen auf den Wachstum auswirken. In dem untersuchten System ergab sich nach einer bestimmten Zeit eine Homogenisierung des Systems. Weiterhin wurde durch Bakterien verursachter Kalkniederschlag in porösen Medien untersucht, der Modellierung von bakteriellem Wachstum involviert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Modeling of Symbiotic Bacterial Biofilm Growth with an Example of the Streptococcus–Veillonella sp. System. Bulletin of Mathematical Biology, 83(5).
Feng, Dianlei; Neuweiler, Insa; Nogueira, Regina & Nackenhorst, Udo
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Numerical methods for biofilm life cycle modeling at different time scales: from space-time finite element to SPH, ICCM2021 Meeting, 07/2021, Virtual conference.
Feng, D., Neuweiler, I. & Liu, M.
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Numerical modeling of the mechanical response of bacterial biofilm to flow by using an SPH poroviscoelastic model, 91st GAMM Meeting, 01/2021, Virtual conference
Feng, D., Neuweiler, I., Liu, M. & Nackenhorst, U.
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A comparative study of using two numerical strategies to simulate the biochemical processes in microbially induced calcite precipitation. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 14(2), 592-602.
Feng, Dianlei; Wang, Xuerui; Nackenhorst, Udo; Zhang, Xuming & Pan, Pengzhi
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Numerical modeling of wave-porous structure interaction process with an SPH model. SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica & Astronomica, 52(10), 104715.
FENG, Dianlei; NEUWEILER, Insa & HUANG, Yu
