Directly to content
  1. Publishing |
  2. Search |
  3. Browse |
  4. Recent items rss |
  5. Open Access |
  6. Jur. Issues |
  7. DeutschClear Cookie - decide language by browser settings

Image Analysis of Microfluidic Flows Using Partial Differential Equations

Staack, Karsten

German Title: Bildauswertung von Mikrofluidströmungen unter Zuhilfenahme von Partiellen Differentialgleichungen

[img]
Preview
PDF, English - main document Print-on-Demand-Kopie (epubli)
Download (3MB) | Lizenz: Print on Demand

Citation of documents: Please do not cite the URL that is displayed in your browser location input, instead use the persistent URL or the URN below, as we can guarantee their long-time accessibility.

Abstract

This thesis deals with advanced models to characterize microfluidic flows from image sequences. The governing equations and boundary conditions for viscous flows are introduced as a global model in order to impose physically sound motion results. The connection between the computational fluid simulations and experimental measurement data is established by using constrained optimization. This framework also allows to introduce control variables, which are determined in agreement with the underlying data. In this context, the thesis focuses on the study of the influence of i) the image data, ii) the underlying motion and iii) the boundary conditions on the estimation of the control variables and the corresponding physical quantities. These questions are assessed by the application to synthetic images that allow to measure the induced errors. It is shown that the application of physically motivated differential equations as global motion models increase the robustness and accuracy of the motion estimation. Control variables are used to change the equations in a modeled manner, so that the solution describes the processes that are inherent in the images. The strength of global models lies in the combination with sparsely distributed information in the images, where common state-of- the-art methods have extreme difficulties to obtain reasonable results. It is demonstrated that the optimal control framework allows to relax the governing equations in order to model uncertainty of the measurement setting parameters, such as wall-slip. And finally, such a parameter model is extended to three dimensions and allows to estimate the pressure drop of the flow and the diffusion coefficient of the trace substance caged Q-rhodamine dextran in water.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit befasst sich mit der verbesserten Modellierungen von Mikrokanal- strömungen, die eine genauere Charakterisierung durch Bildsequenzen ermöglicht. Die geltenden Gesetzmäßigkeiten und Randbedingungen werden als globales Model verwendet, um physikalisch plausible Resultate des Bewegungsfeldes zu erzielen. Die Kombination von Strömungssimulationen und experimentellen Messdaten wird durch die Verwendung von Optimierungsmethoden unter Nebenbedingungen erreicht. Dieser Ansatz erlaubt die Einführung von Kontrolvariablen, die in Übereinstimmung zu den Messdaten bestimmt werden. In diesem Zusammenhang konzentriert sich diese Arbeit auf die Untersuchung der Einflüsse durch i) die Bilddaten, ii) das zugrunde liegende Bewegungsfeld und iii) die Randbedingungen auf die Kontrolvariablen und die dadurch bestimmten physikalischen Größen. Diese Fragenstellungen werden mit synthetischen Bilddaten quantitativ erfasst und erlauben somit eine Abschätzung der Genauigkeit. Es wird gezeigt, dass die Verwendung von Stömungsgleichungen als Bewegungsmodel die Robustheit und Genauigkeit der Geschwindigkeitsbestimmung aus Bildern verbessert. Kontrollvariablen werden verwendet um die Lösungen der Gleichungen in geeigneter Weise zu verändern, so dass diese die Prozesse in den Bildern beschreiben. Die Stärke von globalen Bewegungsmodellen beruht auf der Tatsache, dass wenige vereinzelte Bildinformationen für eine sinnvolle Bestimmung ausreichen, wogegen Methoden mit lokalen Bewegungsmodellen große Probleme haben. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe von optimaler Steuerung die physikalischen Gesetze abgeschwächt werden können, um Ungenauigkeiten der gegebenen Referenzeparameter zu modellieren. Und schließlich wird der Ansatz auf drei Dimensionen erweitert, was eine Bestimmung des Druckabfalls und des Diffusionskoeffizienten vom Farbstoff caged Q-rhodamine dextran in Wasser aus Fluoreszenzmessbilden ermöglicht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Garbe, Priv.-Doz. Dr. Christoph
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 6 November 2013
Date Deposited: 19 Nov 2013 10:41
Date: 2013
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
Controlled Keywords: Poiseuille-Strömung, Viskose Strömung, Optimale Kontrolle, Optischer Fluss, Optische Messtechnik, Bildverarbeitung
About | FAQ | Contact | Imprint |
OA-LogoDINI certificate 2013Logo der Open-Archives-Initiative