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  • Committer: Harish Narayanan
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9
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derived from general principles governing the behaviour of multiphase
10
10
mixtures. Specifically, Section~\ref{balance-laws} helps define the
11
11
system and formally introduces fundamental quantities characterising
12
 
it, before deriving the balance laws from fundamental
13
 
axioms. Section~\ref{kinematics-of-growth} presents the kinematics
14
 
associated with finite deformation growth. A fundamental axiom of
15
 
Thermodynamics, the entropy inequality, and the restrictions it places
16
 
on functional forms of constitutive relationships is the subject of
17
 
Section~\ref{entropy-inequality}. The chapter concludes with key
18
 
algorithmic considerations (Section~\ref{algorithmic-considerations})
19
 
which play an important role in the computational formulation
20
 
underlying the numerical experiments presented in
21
 
Chapter~\ref{numerical-simulations-1}.
 
12
it, before deriving the balance laws from fundamental axioms. Section%
 
13
~\ref{kinematics-of-growth} presents the kinematics associated with
 
14
finite deformation growth. A fundamental axiom of Thermodynamics, the
 
15
entropy inequality, and the restrictions it places on functional forms
 
16
of constitutive relationships is the subject of Section~\ref{entropy%
 
17
  -inequality}. The chapter concludes with key algorithmic
 
18
considerations (Section~\ref{algorithmic-considerations}) which play
 
19
an important role in the computational formulation underlying the
 
20
numerical experiments presented in Chapter~\ref{numerical-simulations%
 
21
  -1}.
22
22
 
23
23
\section{Balance laws for an open mixture}
24
24
\label{balance-laws}
57
57
 
58
58
The tissue consists of numerous species, of which the following
59
59
groupings are of importance for the models: A solid species,
60
 
consisting of solid \emph{collagen fibrils} and
61
 
\emph{cells},\footnote{At this point, the solid species is not
62
 
  differentiated any further. This is a good approximation to the
63
 
  physiological setting for tendons, which are relatively acellular
64
 
  and whose dry mass consists of up to 75\% collagen
65
 
  \citep{Nordinetal:2001}. When modelling tumour growth in a later
66
 
  chapter (Section~\ref{tumour-growth}), where cell mechanics and
67
 
  migration are significant \citep{namyetal:04}, the solid phase is
68
 
  further distinguished.} denoted by $\mathrm{c}$, an extra-cellular
69
 
\emph{fluid} species, denoted by $\mathrm{f}$, consisting primarily of
70
 
water, and \emph{solute} species, consisting of precursors to
71
 
reactions, byproducts, nutrients, and other regulatory chemicals. A
72
 
generic solute will be denoted by $\mathrm{s}$. In the treatment that
73
 
follows, an arbitrary species will be denoted by $\iota$, where $\iota
74
 
= \mathrm{c,f,s}$.
 
60
consisting of solid \emph{collagen fibrils} and \emph{cells},%
 
61
\footnote{At this point, the solid species is not differentiated any
 
62
  further. This is a good approximation to the physiological setting
 
63
  for tendons, which are relatively acellular and whose dry mass
 
64
  consists of up to 75\% collagen \citep{Nordinetal:2001}. When
 
65
  modelling tumour growth in a later chapter (Section~\ref{tumour%
 
66
    -growth}), where cell mechanics and migration are significant
 
67
  \citep{namyetal:04}, the solid phase is further distinguished.}
 
68
denoted by $\mathrm{c}$, an extra-cellular \emph{fluid} species,
 
69
denoted by $\mathrm{f}$, consisting primarily of water, and
 
70
\emph{solute} species, consisting of precursors to reactions,
 
71
byproducts, nutrients, and other regulatory chemicals. A generic
 
72
solute will be denoted by $\mathrm{s}$. In the treatment that follows,
 
73
an arbitrary species will be denoted by $\iota$, where $\iota =
 
74
\mathrm{c,f,s}$.
75
75
 
76
76
The fundamental quantities of interest are mass concentrations,
77
77
$\rho_0^\iota(\bX,t)$. These are the masses of each species per unit
108
108
\underbrace{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} \int\limits_{\Omega_0}
109
109
  \rho_0^\iota (\bX,t)\mathrm{d}V}_{\text{Rate of change of mass}} =
110
110
\underbrace{\int\limits_{\Omega_0} \Pi^\iota
111
 
  (\bX,t)\mathrm{d}V}_{\text{Mass being created}}
112
 
-\underbrace{\int\limits_{\partial\Omega_0}\bM^\iota(\bX,t)\cdot\bN
 
111
  (\bX,t)\mathrm{d}V}_{\text{Mass being created}} -
 
112
\underbrace{\int\limits_{\partial\Omega_0} \bM^\iota(\bX,t)\cdot\bN
113
113
  \mathrm{d}A}_{\text{Mass leaving the domain}},
114
114
\label{globalbalanceofmass}
115
115
\end{equation}
193
193
  \psfrag{I}{$\bn\cdot\bm^\iota$}
194
194
  \psfrag{J}{$\bg$}
195
195
  \psfrag{K}{$\bq^\iota$}
196
 
  \psfrag{L}{$\bP\bN$}
197
 
  \psfrag{O}{$\Bsigma\bn$}
 
196
  \psfrag{L}{$\bP^\iota\bN$}
 
197
  \psfrag{O}{$\Bsigma^\iota\bn$}
198
198
  \includegraphics[width=0.8\textwidth]{images/elucidation/%
199
199
    continuum-potato-momentum}
200
200
  \caption{Interaction forces, traction and body loads on the tissue.}
303
303
The final term with the gradient of total species velocity identifies
304
304
the contribution of the flux to the balance of momentum. In practise,
305
305
when the relative magnitude of the fluid mobility (and hence flux) is
306
 
small, the final term on the right hand-side of
307
 
Equation~(\ref{localbalanceofmomentum}) is negligible, resulting in a
308
 
more classical form of the balance of momentum. Furthermore, in the
309
 
absence of significant acceleration of the tissue during growth, the
310
 
left hand-side can also be neglected, reducing
311
 
(\ref{localbalanceofmomentum}) to the quasi-static balance of linear
312
 
momentum.
 
306
small, the final term on the right hand-side of Equation~(\ref{local%
 
307
  balanceofmomentum}) is negligible, resulting in a more classical
 
308
form of the balance of momentum. Furthermore, in the absence of
 
309
significant acceleration of the tissue during growth, the left
 
310
hand-side can also be neglected, reducing (\ref{localbalanceofmoment%
 
311
  um}) to the quasi-static balance of linear momentum.
313
312
 
314
313
The interaction forces, $\bq^\iota$, satisfy a relation with the mass
315
314
sources, $\Pi^\iota$, that is elucidated by the following
358
357
\left(\bV+\bV^\iota\right) \mathrm{d}V = 0,\nonumber
359
358
\end{eqnarray}
360
359
 
361
 
\noindent which, upon localisation (recalling
362
 
Equation~(\ref{masssummationresult})) , leads to
 
360
\noindent which, upon localisation (recalling Equation~(\ref{masss%
 
361
  ummationresult})), leads to
363
362
 
364
363
\begin{eqnarray}
365
364
\sum\limits_{\iota}\left(\rho^\iota_0\bq^\iota +
422
421
\end{eqnarray}
423
422
 
424
423
\noindent where $\Bepsilon$ is the permutation symbol, and
425
 
$\Bepsilon\colon\bA$ is written as $\epsilon_{ijk}A_{jk}$ in indicial
426
 
form, for any second-order tensor $\bA$. Using the mass balance
427
 
equation (\ref{localbalanceofmass}), and balance of linear momentum
 
424
$\Bepsilon\colon\bA$ is written as $\epsilon_{ijk} A_{jk} \be_i$ in
 
425
indicial form for any second-order tensor $\bA$; $\be_i$ being the
 
426
$i^{\mathrm{th}}$ basis vector. Using the mass balance equation
 
427
(\ref{localbalanceofmass}), and balance of linear momentum
428
428
(\ref{localbalanceofmomentum}), we have
429
429
 
430
430
\begin{displaymath}
571
571
\rho^\iota_0\frac{\partial e^\iota}{\partial t} &=&
572
572
\bP^\iota\colon\mathrm{GRAD}\left[\bV+\bV^\iota\right]-
573
573
\mathrm{DIV}\left[\bQ^\iota\right] + \rho_0^\iota r^\iota
574
 
+\rho^\iota_0\tilde{e}^\iota\nonumber\\
575
 
& & - \mathrm{GRAD}\left[e^\iota\right]\cdot\bM^\iota,
576
 
\;\forall\,\iota.
 
574
+\rho^\iota_0\tilde{e}^\iota\nonumber\\ & & -
 
575
\mathrm{GRAD}\left[e^\iota\right]\cdot\bM^\iota, \;\forall\,\iota.
577
576
\label{localbalanceofenergy}
578
577
\end{eqnarray}
579
578
 
631
630
localisation that,
632
631
 
633
632
\begin{eqnarray}
634
 
\sum\limits_{\iota}\left(\rho_0^\iota\bq^\iota\cdot(\bV+\bV^\iota)
635
 
+ \Pi^\iota\left(e^\iota +
636
 
\frac{1}{2}\Vert\bV+\bV^\iota\Vert^2\right) +
637
 
\rho^\iota_0\tilde{e}^\iota\right) =
638
 
0. \label{energysummationresult}
 
633
\sum\limits_{\iota}\left(\rho_0^\iota\bq^\iota\cdot(\bV+\bV^\iota) +
 
634
\Pi^\iota\left(e^\iota + \frac{1}{2}\Vert\bV+\bV^\iota\Vert^2\right) +
 
635
\rho^\iota_0\tilde{e}^\iota\right) = 0. \label{energysummationresult}
639
636
\end{eqnarray}
640
637
 
641
 
This result, relating the interaction energies to interaction
642
 
forces between species, their sources and relative velocities, is
643
 
identical to that obtained from classical mixture theory
644
 
\citep{TruesdellNoll:65}, ensuring consistency of the present
645
 
formulation with mixture theory.
 
638
This result, relating the interaction energies to interaction forces
 
639
between species, their sources and relative velocities, is identical
 
640
to that obtained from classical mixture theory \citep{TruesdellNoll%
 
641
  :65}, ensuring consistency of the present formulation with mixture
 
642
theory.
646
643
 
647
644
\section{The kinematics of growth}
648
645
\label{kinematics-of-growth}
682
679
notion of the \emph{growth component} of the deformation
683
680
gradient. This observation has led to an active field of study within
684
681
the literature on biological growth \citep{Skalak:81, SkalakHoger:96,
685
 
  Klischetal:2001, TaberHumphrey:2001, LubardaHoger:02,
686
 
  AmbrosiMollica:2002}, and the treatment below follows in the same
687
 
vein.
 
682
  Klischetal:2001, TaberHumphrey:2001, LubardaHoger:02, AmbrosiMol%
 
683
  lica:2002}, and the treatment below follows in the same vein.
688
684
 
689
685
In the setting of finite strain kinematics, the total deformation
690
686
gradient, $\bF$, is decomposed into the growth component of the solid
691
 
collagen, $\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{c}}$, a
692
 
\emph{geometrically-necessitated elastic component} accompanying
693
 
growth, $\widetilde{\bF}^{\mathrm{e}^\mathrm{c}}$ and an
694
 
\emph{additional elastic component due to external stress},
695
 
$\overline{\bF}^{\mathrm{e}^\mathrm{c}}$. Later, we will write
696
 
$\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{c}} = \overline{\bF}^{\mathrm{e}^\mathrm{c}}
697
 
\widetilde{\bF}^{\mathrm{e}^\mathrm{c}}$. This elastic-growth
698
 
decomposition is visualised in
699
 
Figure~\ref{continuum-potato-growth-kinematics} and is elaborated upon
700
 
below.
 
687
collagen, $\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{c}}$, a \emph{geometrically-nece%
 
688
  ssitated elastic component} accompanying growth, $\widetilde{\bF} ^
 
689
{\mathrm{e}^\mathrm{c}}$ and an \emph{additional elastic component due
 
690
  to external stress}, $\overline{\bF} ^ {\mathrm{e}^\mathrm{c}}$.
 
691
Later, we will write $\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{c}} = \overline{\bF} ^
 
692
{\mathrm{e}^\mathrm{c}} \widetilde{\bF}^{\mathrm{e}^\mathrm{c}}$. This
 
693
elastic-growth decomposition is visualised in Figure~\ref{continuum%
 
694
  -potato-growth-kinematics} and is elaborated upon below.
701
695
 
702
696
This split of the total deformation gradient is analogous to the
703
 
classical decomposition of multiplicative plasticity
704
 
\citep{Bilbyetal:1956,Lee:1969}. As explained in Section
705
 
\ref{role-of-current-mass-balance}, we assume that the fluid-filled
706
 
pores also deform with $\bF$, and that a component,
707
 
$\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}$, of this total deformation gradient
708
 
tensor, determines the fluid stress. We also assume a fluid growth
709
 
component, $\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}}$, which is detailed below, and
710
 
that $\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}} =
711
 
\bF$. As with the solid collagen we admit $\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}
712
 
= \overline{\bF}^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}
713
 
\widetilde{\bF}^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}$, the sub-components carrying
714
 
the same interpretation as for the solid collagen. However, this last
715
 
decomposition is not explicitly used.
 
697
classical decomposition of multiplicative plasticity \citep{Bilb%
 
698
  yetal:1956,Lee:1969}. As explained in Section \ref{role-of-cur%
 
699
  rent-mass-balance}, we assume that the fluid-filled pores also
 
700
deform with $\bF$, and that a component, $\bF^{\mathrm{e} ^
 
701
  \mathrm{f}}$, of this total deformation gradient tensor, determines
 
702
the fluid stress. We also assume a fluid growth component,
 
703
$\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}}$, which is detailed below, and that
 
704
$\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}} = \bF$. As
 
705
with the solid collagen we admit $\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}} =
 
706
\overline{\bF}^{\mathrm{e}^\mathrm{f}} \widetilde{\bF}^{\mathrm{e} ^
 
707
  \mathrm{f}}$, the sub-components carrying the same interpretation as
 
708
for the solid collagen. However, this last decomposition is not
 
709
explicitly used.
716
710
 
717
711
Assuming that the volume changes associated with growth described
718
712
above are isotropic, a simple form for the growth part of the
786
780
It is worth emphasising that this argument holds for
787
781
$\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}}$, which is the local stress-free state of
788
782
deformation of the fluid-containing pores at a point. The actual
789
 
deformation gradient, $\bF =
790
 
\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}}$, also depends
791
 
on the the elastic part, $\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}$, which is
792
 
determined by the constitutive response of the fluid. Under stress, an
793
 
incompressible fluid will have
794
 
$\mathrm{det}(\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}) = 1$, where
795
 
$\mathrm{det}(\bullet)$ denotes the determinant of a second-order
796
 
tensor. Therefore, a fluid-saturated tissue will swell with fluid
797
 
influx, \mbox{$\mathrm{det}(\bF) =
798
 
  \mathrm{det}(\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}}) > 1$}. A compressible
799
 
fluid may have 
800
 
$\mathrm{det}(\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}) < 1$ allowing
801
 
$\mathrm{det}(\bF) < 1$ even with
802
 
$\mathrm{det}(\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}}) >1$. But, even in this case,
803
 
in the stress-free state there will be swelling.
 
783
deformation gradient, $\bF = \bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}} \bF ^
 
784
{\mathrm{g}^\mathrm{f}}$, also depends on the elastic part,
 
785
$\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}$, which is determined by the constitutive
 
786
response of the fluid. Under stress, an incompressible fluid will have
 
787
$\mathrm{det}(\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}) = 1$, where $\mathrm{det}(%
 
788
\bullet)$ denotes the determinant of a second-order tensor. Therefore,
 
789
a fluid-saturated tissue will swell with fluid influx, \mbox{$\mathrm%
 
790
  {det}(\bF) = \mathrm{det}(\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}}) > 1$}. A
 
791
compressible fluid may have $\mathrm{det}(\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}})
 
792
< 1$ allowing $\mathrm{det}(\bF) < 1$ even with $\mathrm{det}(\bF ^
 
793
{\mathrm{g}^\mathrm{f}}) >1$. But, even in this case, in the
 
794
stress-free state there will be swelling.
804
795
 
805
796
Thus, for the fluid phase, the isotropic swelling law can be extended
806
797
to the unsaturated case by introducing a degree of saturation,
811
802
intrinsic density in $\Omega_t$ and is given by $\tilde{\rho}^\iota =
812
803
\tilde{\rho}^\iota_0/\mathrm{det}(\bF)$. Note that the intrinsic
813
804
reference density, $\tilde{\rho}^\iota_0$, is a material
814
 
property. Upon solution of the mass balance equation
815
 
(\ref{current-mass-balance}) for $\rho^\iota$, the species volume
816
 
fractions, $\tilde{v}^\iota$, can be computed in a straightforward
817
 
fashion. The sum of these volume fractions is our required measure of
818
 
saturation defined in $\Omega_t$. We also recognise that for the
819
 
dilute solutions obtained with physiologically-relevant solute
820
 
concentrations, the saturation condition is very well approximated by
821
 
$\tilde{v}^\mathrm{f} + \tilde{v}^\mathrm{c} = 1$. So, we proceed to
822
 
redefine the fluid growth-induced component of the pore deformation
823
 
gradient tensor as follows:
 
805
property. Upon solution of the mass balance equation (\ref{current%
 
806
  -mass-balance}) for $\rho^\iota$, the species volume fractions,
 
807
$\tilde{v}^\iota$, can be computed in a straightforward fashion. The
 
808
sum of these volume fractions is our required measure of saturation
 
809
defined in $\Omega_t$. We also recognise that for the dilute solutions
 
810
obtained with physiologically-relevant solute concentrations, the
 
811
saturation condition is very well approximated by $\tilde{v} ^
 
812
\mathrm{f} + \tilde{v}^\mathrm{c} = 1$. So, we proceed to redefine the
 
813
fluid growth-induced component of the pore deformation gradient tensor
 
814
as follows:
824
815
 
825
816
\begin{equation}
826
817
\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}} = \left\{ \begin{array}{ll} \left(
841
832
non-physical. Saturation holds in the sense that $\tilde{v}^\mathrm{f}
842
833
+ \tilde{v}^\mathrm{c} = 1$. It has been common in soft tissue
843
834
literature to assume that, under normal physiological conditions, soft
844
 
tissues are fully saturated by the fluid and
845
 
\mbox{Equation~(\ref{isotropicgrowth})} is appropriate for $\iota =
846
 
\mathrm{f}$. However, this treatment of saturation and swelling
847
 
induced by the fluid phase is necessary background for Section
848
 
\ref{caviation-under-tension}, where we examine the response of the
849
 
fluid phase under tension. This approach also holds relevance for
850
 
partial drying, which \emph{ex vivo} or \emph{in vitro} tissue may be
851
 
subject to under certain laboratory conditions. It also significantly
852
 
expands the relevance of the formulation by making it applicable to
853
 
the mechanics of drained porous media other than biological tissue;
854
 
most prominently, soils.
 
835
tissues are fully saturated by the fluid and \mbox{Equation~(\ref%
 
836
  {isotropicgrowth})} is appropriate for $\iota = \mathrm{f}$.
 
837
However, this treatment of saturation and swelling induced by the
 
838
fluid phase is necessary background for Section \ref{caviation-under%
 
839
  -tension}, where we examine the response of the fluid phase under
 
840
tension. This approach also holds relevance for partial drying, which
 
841
\emph{ex vivo} or \emph{in vitro} tissue may be subject to under
 
842
certain laboratory conditions. It also significantly expands the
 
843
relevance of the formulation by making it applicable to the mechanics
 
844
of drained porous media other than biological tissue; most
 
845
prominently, soils.
855
846
 
856
847
\section{The entropy inequality and its restrictions on constitutive
857
848
  relations}
880
871
  \int\limits_{\Omega_0} \rho_0^\iota \eta^\iota
881
872
  \mathrm{d}V}_{\text{Rate of change of entropy}} &\geq&
882
873
\underbrace{\sum\limits_{\iota}\int\limits_{\Omega_0}
883
 
  \frac{\rho_0^\iota r^\iota}{\theta}
884
 
  \mathrm{d}V}_{\text{Entropy added through heat supply}}\nonumber\\ &
885
 
&- \underbrace{\sum\limits_{\iota}\int\limits_{\partial \Omega_0}
 
874
  \frac{\rho_0^\iota r^\iota}{\theta} \mathrm{d}V}_{\text{Entropy
 
875
    added through heat supply}}\nonumber\\ & &-
 
876
\underbrace{\sum\limits_{\iota}\int\limits_{\partial \Omega_0}
886
877
  \left(\bM^\iota \cdot \bN\eta^\iota + \frac{\bQ^\iota}{\theta} \cdot
887
878
  \bN \right)\mathrm{d}A}_{\text{Entropy lost through mass and heat
888
879
    flux}}.
896
887
 
897
888
\begin{eqnarray}
898
889
\sum\limits_{\iota}\left(\rho_0^\iota\frac{\partial\eta^\iota}{\partial
899
 
  t} + \Pi^{\iota}\eta^{\iota}
900
 
\right) & & \geq
901
 
\sum\limits_{\iota}\left(\frac{\rho_0^\iota 
902
 
r^\iota}{\theta} -\mathrm{GRAD}\left[\eta^\iota\right]\cdot\bM^\iota
903
 
\right) \nonumber \\ & & - \sum\limits_{\iota}\left(
 
890
  t} + \Pi^{\iota}\eta^{\iota} \right) & & \geq
 
891
\sum\limits_{\iota}\left(\frac{\rho_0^\iota r^\iota}{\theta}
 
892
-\mathrm{GRAD}\left[\eta^\iota\right]\cdot\bM^\iota \right) \nonumber
 
893
\\ & & - \sum\limits_{\iota}\left(
904
894
\frac{\mathrm{DIV}\left[\bQ^\iota\right]}{\theta} -
905
895
\frac{\mathrm{GRAD}\left[\theta\right]\cdot\bQ^\iota}{\theta^2}\right).
906
896
\label{localentropyinequality}
950
940
  the simplest possible (incorporating one field variable from each of
951
941
  the different kinds of physics considered: Mechanics, heat transfer
952
942
  and mass transport) and results in a restricted class of
953
 
  constitutive relationships. As seen in
954
 
  Section~\ref{eu-entropy-inequality}, mass-specific Helmholtz
955
 
  free energies of species dependent upon other variables, such as
956
 
  internal variables arising from mechanics, lead to a more general
957
 
  class of constitutive relationships, such as viscoelastic materials
958
 
  (Section~\ref{eu-viscoelastic-solid}).} $e^{\iota} =
959
 
\hat{e}^\iota(\bF^{\mathrm{e}^\iota}, \eta^{\iota}, \rho_0^\iota)$ and
960
 
substitute this into the Clausius-Duhem inequality. Upon applying the
961
 
chain rule of differentiation and regrouping some terms,
962
 
(\ref{clausiusduhemform}) becomes,
 
943
  constitutive relationships. As seen in Section~\ref{eu-entropy%
 
944
    -inequality}, mass-specific Helmholtz free energies of species
 
945
  dependent upon other variables, such as internal variables arising
 
946
  from mechanics, lead to a more general class of constitutive
 
947
  relationships, such as viscoelastic materials (Section~\ref{eu%
 
948
    -viscoelastic-solid}).} $e^{\iota} = \hat{e}^\iota(\bF^{\mathrm{e}
 
949
  ^ \iota}, \eta^{\iota}, \rho_0^\iota)$ and substitute this into the
 
950
Clausius-Duhem inequality. Upon applying the chain rule of
 
951
differentiation and regrouping some terms, (\ref{clausiusduhemform})
 
952
becomes,
963
953
 
964
 
\begin{eqnarray}
965
 
& &\sum\limits_{\iota}\left(\rho_{0}^{\iota}\frac{\partial
 
954
\begin{eqnarray} &
 
955
  &\sum\limits_{\iota}\left(\rho_{0}^{\iota}\frac{\partial
966
956
    e^\iota}{\partial\bF^{\mathrm{e}^\iota}} -
967
957
  \bP^\iota\bF^{\mathrm{g}^{\iota\mathrm{T}}}\right)
968
958
  \colon\dot{\bF}^{\mathrm{e}^\iota} +
975
965
  \mathrm{DIV}\left[\bP^\iota\right] +
976
966
  \mathrm{GRAD}\left[\bV+\bV^\iota\right]\bM^\iota\right)
977
967
  \cdot(\bV^\iota+\bV)\nonumber\\ &+&
978
 
  \sum\limits_{\iota}\left(\rho^\iota_0\bF^{-\mathrm{T}}  
 
968
  \sum\limits_{\iota}\left(\rho^\iota_0\bF^{-\mathrm{T}}
979
969
  \left(\mathrm{GRAD}\left[e^\iota\right] -
980
 
    \theta\ \mathrm{GRAD}\left[\eta^\iota\right]\right)
981
 
    \right)\cdot\bV^\iota\nonumber\\  
982
 
    &+&\sum\limits_{\iota}\Pi^\iota\left(\psi^\iota
983
 
    + \frac{1}{2}\Vert\bV+\bV^\iota\Vert^2\right) +
984
 
    \sum\limits_{\iota} \frac{\mathrm{GRAD}\left[\theta\right]
985
 
      \cdot\bQ^\iota}{\theta}\nonumber\\  &  & + 
986
 
    \sum\limits_{\iota}\rho^\iota_0\frac{\partial
987
 
      e^\iota}{\partial\rho^\iota_0}\frac{\partial
988
 
      \rho^\iota_0}{\partial t} -
989
 
    \sum\limits_{\iota}\bP^\iota
990
 
    \colon(\mathrm{GRAD}\left[\bV^\iota\right] + 
991
 
    \bF^{\mathrm{e}^\iota}\dot{\bF}^{\mathrm{g}^\iota}) \leq 0,
992
 
\label{reducedentropyinequality-1}
993
 
\end{eqnarray}
 
970
  \theta\ \mathrm{GRAD}\left[\eta^\iota\right]\right)
 
971
  \right)\cdot\bV^\iota\nonumber\\ &+&\sum\limits_{\iota}\Pi^\iota\left(\psi^\iota
 
972
  + \frac{1}{2}\Vert\bV+\bV^\iota\Vert^2\right) + \sum\limits_{\iota}
 
973
  \frac{\mathrm{GRAD}\left[\theta\right]
 
974
    \cdot\bQ^\iota}{\theta}\nonumber\\  &  & +
 
975
  \sum\limits_{\iota}\rho^\iota_0\frac{\partial
 
976
    e^\iota}{\partial\rho^\iota_0}\frac{\partial
 
977
    \rho^\iota_0}{\partial t} - \sum\limits_{\iota}\bP^\iota
 
978
  \colon(\mathrm{GRAD}\left[\bV^\iota\right] +
 
979
  \bF^{\mathrm{e}^\iota}\dot{\bF}^{\mathrm{g}^\iota}) \leq
 
980
  0, \label{reducedentropyinequality-1}
 
981
\end{eqnarray} 
994
982
 
995
983
\noindent which represents a fundamental restriction upon the physical
996
984
processes underlying biological growth. Any constitutive relationships
1025
1013
 
1026
1014
\begin{equation}
1027
1015
\begin{split}
1028
 
\rho^\iota_0\bV^\iota  = & -\frac{\tilde{\bD}^\iota}{\rho^\iota_0} \left(
1029
 
 \rho_0^\iota\bg - \mathrm{DIV}\left[\bP^\iota\right] +
1030
 
\mathrm{GRAD}\left[\bV\right]\bM^\iota\right)\\
1031
 
& -\frac{\tilde{\bD}^\iota}{\rho^\iota_0}\left(\rho^\iota_0
1032
 
\bF^{-\mathrm{T}}\left( \mathrm{GRAD}\left[ e^\iota\right]
1033
 
  - \theta\ \mathrm{GRAD}\left[\eta^\iota\right]\right)\right),
 
1016
\rho^\iota_0\bV^\iota = & -\frac{\tilde{\bD}^\iota}{\rho^\iota_0}
 
1017
\left( \rho_0^\iota\bg - \mathrm{DIV}\left[\bP^\iota\right] +
 
1018
\mathrm{GRAD}\left[\bV\right]\bM^\iota\right)\\ &
 
1019
-\frac{\tilde{\bD}^\iota}{\rho^\iota_0}\left(\rho^\iota_0
 
1020
\bF^{-\mathrm{T}}\left( \mathrm{GRAD}\left[ e^\iota\right] -
 
1021
\theta\ \mathrm{GRAD}\left[\eta^\iota\right]\right)\right),
1034
1022
\label{constitutive-relation-flux}
1035
1023
\end{split}
1036
1024
\end{equation}
1060
1048
conduction.
1061
1049
 
1062
1050
With these constitutive relations (\ref{constitutive-relation%
1063
 
-hyperelasticity}--\ref{constitutive-relation-heat-conduction})
 
1051
  -hyperelasticity}--\ref{constitutive-relation-heat-conduction})
1064
1052
ensuring that certain terms of the dissipation inequality vanish,
1065
1053
(\ref{reducedentropyinequality-1}) is further reduced to
1066
1054
 
1145
1133
\citet{LandLif} for a general formulation of statistical mechanics
1146
1134
models of long chain molecules. Fitting the WLC response function
1147
1135
derived by \citet{MarkoSiggia:95} to the collagen {\em fibril} data of
1148
 
\citet{Grahametal:2004} results in values of $A = 6$ nm and $L = 3480$
1149
 
nm. This is to be compared with $A=14.5$ nm and $L=309$ nm, reported
1150
 
by \citet{Sunetal:2002}, for a {\em single} collagen molecule. Taken
1151
 
together, these results demonstrate that the WLC analysis correctly
1152
 
predicts a collagen fibril to be longer and more compliant than its
1153
 
constituent molecule due to compliant intermolecular cross-links in
1154
 
fibrils.
 
1136
\citet{Grahametal:2004} results in values of $A = 6$~nm and $L =
 
1137
3480$~nm. This is to be compared with $A=14.5$~nm and $L=309$~nm,
 
1138
reported by \citet{Sunetal:2002}, for a {\em single} collagen
 
1139
molecule. Taken together, these results demonstrate that the WLC
 
1140
analysis correctly predicts a collagen fibril to be longer and more
 
1141
compliant than its constituent molecule due to compliant
 
1142
intermolecular cross-links in fibrils.
1155
1143
 
1156
1144
To model a collagen network structure, the WLC model has been embedded
1157
1145
as a single constituent chain of an eight-chain model
1167
1155
\begin{equation}
1168
1156
\begin{split}
1169
1157
\rho^\mathrm{c}_{0}\hat{e}^\mathrm{c}
1170
 
(\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{c}},\rho^\mathrm{c}_{0}) &= \frac{N k
1171
 
  \theta L}{4 A}\left(\frac{2 r^2}{L^2} + \frac{1}{1-r/L} -
 
1158
(\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{c}},\rho^\mathrm{c}_{0}) &= \frac{N k \theta
 
1159
  L}{4 A}\left(\frac{2 r^2}{L^2} + \frac{1}{1-r/L} -
1172
1160
\frac{r}{L}\right)\\ & +
1173
1161
\frac{\gamma}{\beta}({J^{\mathrm{e}^{\mathrm{c}^{-2\beta}}}} -1) +
1174
1162
\gamma{\bf 1}\colon(\bC^{\mathrm{e}^{\mathrm{c}}}-{\bf 1})\\ &-\frac{N
1206
1194
\sqrt{\bN_I\cdot\bC ^ {\mathrm{e}^{\mathrm{c}}}\bN_I}$, and $\bN_I,\,I
1207
1195
= 1,2,3$ are the unit vectors along the three unit cell axes,
1208
1196
respectively. Since the quantities $L$, $A$ and $r$ occur only as the
1209
 
ratios $L/A$ and $r/L$ in this model~(\ref{eight-chain-model}),
 
1197
ratios $L/A$ and $r/L$ in this model~(\ref{wlcm-energy}),
1210
1198
Table~\ref{parameters} lists the lengths $L,\ A,\ a,\ b,\ c$ used in
1211
1199
the computations in a non-dimensionalised manner.
1212
1200
 
1260
1248
\ref{saturation-and-tissue-swelling}, we have $\tilde{v}^\mathrm{f} +
1261
1249
\tilde{v}^\mathrm{c} = 1$ at $t = 0$, the saturation condition in
1262
1250
$\Omega_t$ when solutes are at low concentrations. At later times,
1263
 
Equation (\ref{saturation}) holds for
1264
 
$\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}}$. If $\mathrm{det}(\bF(\bF ^
1265
 
{\mathrm{g}^\mathrm{f}})^{-1}) \le 1$ we set $\bF^{\mathrm{e} ^
1266
 
  \mathrm{f}} = \bF(\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}})^{-1}$ and
1267
 
$\bF^{\mathrm{v}} = {\bf 1}$ for no cavitation. Otherwise, since
1268
 
$\mathrm{det}(\bF(\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}})^{-1}) > 1$, we specify
1269
 
$\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}} = \mathrm{det}(\bF(\bF^{\mathrm{g} ^
1270
 
  \mathrm{f}})^{-1})^{-1/3}\bF (\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}})^{-1}$,
1271
 
thus restricting $\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}$ to be unimodular and
1272
 
allow cavitation by writing $\bF^{\mathrm{v}} =
 
1251
Equation (\ref{saturation}) holds for $\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}}$.
 
1252
If $\mathrm{det}(\bF(\bF ^ {\mathrm{g}^\mathrm{f}})^{-1}) \le 1$ we
 
1253
set $\bF^{\mathrm{e} ^ \mathrm{f}} = \bF(\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}})
 
1254
^ {-1}$ and $\bF^{\mathrm{v}} = {\bf 1}$ for no cavitation. Otherwise,
 
1255
since $\mathrm{det}(\bF(\bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}})^{-1}) > 1$, we
 
1256
specify $\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}} = \mathrm{det}(\bF(\bF ^
 
1257
{\mathrm{g} ^ \mathrm{f}})^{-1})^{-1/3}\bF (\bF^{\mathrm{g} ^
 
1258
  \mathrm{f}})^{-1}$, thus restricting $\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}}$
 
1259
to be unimodular and allow cavitation by writing $\bF^{\mathrm{v}} =
1273
1260
\bF(\bF^{\mathrm{e}^\mathrm{f}} \bF^{\mathrm{g}^\mathrm{f}}) ^
1274
1261
   {-1}$.\\ % Hack
1275
1262
 
1276
 
 
1277
1263
These conditional relations are summarised as:
1278
1264
 
1279
1265
\begin{equation}
1350
1336
  potential.}
1351
1337
 
1352
1338
Experimentally determined transport coefficients (e.g. for mouse tail
1353
 
skin \citep{Swartzetal:99} and rabbit Achilles tendons
1354
 
\citep{Hanetal:2000}) are used for the fluid mobility values. Recall
1355
 
that the terms in the parenthesis on the right hand-side of
1356
 
\mbox{Equation (\ref{fluidflux})} sum to give the total driving force
1357
 
for transport. The first term is the contribution due to gravitational
 
1339
skin \citep{Swartzetal:99} and rabbit Achilles tendons \citep{Hanetal%
 
1340
  :2000}) are used for the fluid mobility values. Recall that the
 
1341
terms in the parenthesis on the right hand-side of \mbox {Equation
 
1342
  (\ref{fluidflux})} sum to give the total driving force for
 
1343
transport. The first term is the contribution due to gravitational
1358
1344
acceleration. In order to maintain physiological relevance, this term
1359
1345
has been neglected in the following treatment. The second term arises
1360
1346
from stress divergence. In the case of a non-uniform partial stress,
1516
1502
produced.
1517
1503
 
1518
1504
(\romannumeral 2) {\em Michaelis-Menten} enzyme kinetics (see, for
1519
 
e.g., \cite{Sengersetal:2004}), which involves a two-step reaction, 
 
1505
e.g., \cite{Sengersetal:2004}), which involves a two-step reaction,
1520
1506
introduces collagen and solute source terms given by
1521
1507
 
1522
1508
\begin{equation}
1523
 
\Pi^\mathrm{s} =
1524
 
    \frac{-(k_{\mathrm{max}}\rho^{\mathrm{s}})}
1525
 
    {(\rho^{\mathrm{s}}_m+\rho^{\mathrm{s}})}
1526
 
    \rho_{\mathrm{cell}}, \quad\Pi^\mathrm{c} = -\Pi^\mathrm{s},
 
1509
\Pi^\mathrm{s} = \frac{-(k_{\mathrm{max}}\rho^{\mathrm{s}})}
 
1510
   {(\rho^{\mathrm{s}}_m+\rho^{\mathrm{s}})} \rho_{\mathrm{cell}},
 
1511
   \quad\Pi^\mathrm{c} = -\Pi^\mathrm{s},
1527
1512
\label{enzyme-kinetics-source}
1528
1513
\end{equation}
1529
1514
 
1549
1534
mechanical influences on the strengths and stiffnesses of tendons by
1550
1535
comparing the stress-strain responses of unloaded control specimens
1551
1536
with those subjected to two different load cases (denoted {\em delay}
1552
 
and {\em no delay}) on the figure.
 
1537
and {\em no delay} in the figure).
1553
1538
 
1554
1539
An example of source terms of this form was originally proposed in the
1555
1540
context of bone growth \citep{HarriganHamilton:93}. I am not aware of
1620
1605
  \begin{center}
1621
1606
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{images/elucidation/%
1622
1607
      concentration}
1623
 
    \caption{Pore structure at the boundary deforming with the tissue.} 
 
1608
    \caption{Pore structure at the boundary deforming with the
 
1609
      tissue.}
1624
1610
    \label{current-conc-fluid-bc}
1625
1611
  \end{center}
1626
1612
      {If the pore structure at the boundary deforms with the tissue
1707
1693
 
1708
1694
From \mbox{Equation (\ref{current-mass-balance})}, the local form of
1709
1695
the balance of mass for the fluid species (assuming that the fluid
1710
 
species does not take part in reactions, i.e. $\Pi^\mathrm{f}=0$) in
 
1696
species does not take part in reactions, i.e. $\pi^\mathrm{f}=0$) in
1711
1697
the current configuration is
1712
1698
 
1713
1699
\begin{equation}
1714
 
\frac{\mathrm{d}\rho^f}{\mathrm{d}t} = - \mathrm{div}\left[\bm^f\right]
1715
 
- \rho^f \mathrm{div}\left[\bv\right].
 
1700
\frac{\mathrm{d}\rho^f}{\mathrm{d}t} = -
 
1701
\mathrm{div}\left[\bm^f\right] - \rho^f \mathrm{div}\left[\bv\right].
1716
1702
\label{fluidtransporteqn}
1717
1703
\end{equation}
1718
1704
 
1727
1713
\begin{equation}
1728
1714
\begin{split}
1729
1715
\rho_{0}^{\mathrm{f}}(\bX,0)
1730
 
                   &=:\rho_{0_{\mathrm{ini}}}^{\mathrm{f}}(\bX)\\ 
1731
 
                   &=\rho_{\mathrm{ini}}^{\mathrm{f}}(\bx\circ\Bvarphi)
1732
 
                   J(\bX, t)\\ &=\frac{\rho^{\mathrm{f}}
1733
 
                   (\bx\circ\Bvarphi,t)} {J^{f_\mathrm{g}}(\bX,t)}
1734
 
                   J(\bX,t)\\ &=\rho^{\mathrm{f}} (\bx\circ\Bvarphi,t)
1735
 
                   \cancelto{\approx 1\ \forall\ t}
1736
 
                   {J^{f_\mathrm{e}}}(\bX,t).\\
 
1716
&=:\rho_{0_{\mathrm{ini}}}^{\mathrm{f}}(\bX)\\ &=\rho_{\mathrm{ini}}
 
1717
^{\mathrm{f}} (\bx\circ\Bvarphi) J(\bX, t)\\ &=\frac{\rho^{\mathrm{f}}
 
1718
  (\bx \circ \Bvarphi,t)} {J^{f_\mathrm{g}}(\bX,t)} J(\bX,t)
 
1719
\\ &=\rho^{\mathrm{f}} (\bx\circ\Bvarphi,t) \cancelto{\approx
 
1720
  1\ \forall\ t} {J^{f_\mathrm{e}}}(\bX,t).\\
1737
1721
\label{incompderiv}
1738
1722
\end{split}
1739
1723
\end{equation}
1740
1724
 
1741
 
In (\ref{incompderiv}), $J := \mathrm{det}(\bF)$ and $J^{f_\mathrm{g}} :=
1742
 
\mathrm{det}(\bF^{\mathrm{g}^{\mathrm{f}}})$. The quantity
1743
 
$\rho_{\mathrm{ini}}^{\mathrm{f}}$ is defined by the right hand-sides
1744
 
of the first and second lines of (\ref{incompderiv}). To follow the
 
1725
In (\ref{incompderiv}), $J := \mathrm{det}(\bF)$ and $J^{f_\mathrm{g}}
 
1726
:= \mathrm{det}(\bF^{\mathrm{g}^{\mathrm{f}}})$. The quantity $\rho%
 
1727
_{\mathrm{ini}} ^ {\mathrm{f}}$ is defined by the right hand-sides of
 
1728
the first and second lines of (\ref{incompderiv}). To follow the
1745
1729
argument, consider, momentarily, a \emph{compressible} fluid. If the
1746
1730
current concentration, $\rho^\mathrm{f}$, changes due to elastic
1747
 
deformation of the fluid and by transport, then
1748
 
$\rho_{\mathrm{ini}}^{\mathrm{f}}$ as defined is not a
1749
 
physically-realised fluid concentration. It bears a purely
1750
 
mathematical relation to the current concentration, $\rho^\mathrm{f}$,
1751
 
since the latter quantity represents the effect of deformation of a
1752
 
tissue point as well as change in mass due to transport at that
1753
 
point.
 
1731
deformation of the fluid and by transport, then $\rho_{%
 
1732
  \mathrm{ini}}^{\mathrm{f}}$ as defined is not a physically-realised
 
1733
fluid concentration. It bears a purely mathematical relation to the
 
1734
current concentration, $\rho^\mathrm{f}$, since the latter quantity
 
1735
represents the effect of deformation of a tissue point as well as
 
1736
change in mass due to transport at that point.
1754
1737
 
1755
1738
If the contribution due to mass change at a point is scaled out of
1756
1739
$\rho^\mathrm{f}$ the quotient is identical to the result of dividing
1757
1740
$\rho_{0_{\mathrm{ini}}}^{\mathrm{f}}$ by the deformation only. This
1758
1741
is expressed in the relation between the right hand-sides of the
1759
1742
second and third lines of (\ref{incompderiv}). The elastic component
1760
 
of fluid volume change in a pore is $J^{f_\mathrm{e}} :=
1761
 
\mathrm{det}(\bF^{\mathrm{e}^{\mathrm{f}}})$, which appears in the
1762
 
third line of (\ref{incompderiv}) via the preceding arguments. Clearly
1763
 
then, for a fluid demonstrating near incompressibility intrinsically
1764
 
(i.e., the true density is nearly constant), we have $J^{f_\mathrm{e}}
1765
 
\approx 1$ as indicated. Equation (\ref{incompderiv}) therefore shows
1766
 
that for a nearly incompressible fluid occupying the pores of a
1767
 
tissue, if we further assume that the pore structure deforms as the
1768
 
solid collagenous skeleton, $\rho_0^\mathrm{f}(\bX,0) \approx
1769
 
\rho^\mathrm{f}(\bx\circ\Bvarphi,t)$; i.e., the fluid concentration as
 
1743
of fluid volume change in a pore is $J^{f_\mathrm{e}} := \mathrm{det}
 
1744
(\bF^{\mathrm{e}^{\mathrm{f}}})$, which appears in the third line of
 
1745
(\ref{incompderiv}) via the preceding arguments. Clearly then, for a
 
1746
fluid demonstrating near incompressibility intrinsically (i.e., the
 
1747
true density is nearly constant), we have $J^{f_\mathrm{e}} \approx 1$
 
1748
as indicated. Equation (\ref{incompderiv}) therefore shows that for a
 
1749
nearly incompressible fluid occupying the pores of a tissue, if we
 
1750
further assume that the pore structure deforms as the solid
 
1751
collagenous skeleton, $\rho_0^\mathrm{f}(\bX,0) \approx \rho ^
 
1752
\mathrm{f} (\bx\circ\Bvarphi,t)$; i.e., the fluid concentration as
1770
1753
measured in the current configuration is approximately constant in
1771
1754
space and time. This allows us to write,
1772
1755
 
1773
1756
\vspace{-0.5cm} %Hack
1774
1757
 
1775
1758
\begin{equation}
1776
 
\frac{\partial} {\partial t}\left(
1777
 
\rho_{0_{\mathrm{ini}}}^{f}(\bX) \right) \equiv 0 \Rightarrow
1778
 
\frac{\partial} {\partial t}\left(\rho^{f} (\bx\circ\Bvarphi,t)
1779
 
\right)\Big\vert_{\bX} = 0,
 
1759
\frac{\partial} {\partial t}\left( \rho_{0_{\mathrm{ini}}}^{f}(\bX)
 
1760
\right) \equiv 0 \Rightarrow \frac{\partial} {\partial
 
1761
  t}\left(\rho^{f} (\bx\circ\Bvarphi,t) \right)\Big\vert_{\bX} = 0,
1780
1762
\end{equation}
1781
1763
 
1782
1764
\noindent which is a hidden implication of our assumption of a
1808
1790
\begin{split}
1809
1791
\frac{\mathrm{d}\rho^\mathrm{s}}{\mathrm{d}t} &= \pi^\mathrm{s}-
1810
1792
\mathrm{div} \left[\widetilde{\bm^\mathrm{s}}+
1811
 
\frac{\rho^\mathrm{s}}{\rho^f}\bm^f\right] - \rho^\mathrm{s}
1812
 
\mathrm{div}[\bv]\\ &= \frac{\rho^\mathrm{s}}{\rho^f}\left(\cancelto{0}
1813
 
{-\mathrm{div}\left[\rho^f \bv^{f}\right] - \rho^f
1814
 
\mathrm{div}[\bv]}\right)\\ &\quad{} + \pi^\mathrm{s} -
1815
 
\mathrm{div}\left[\widetilde{\bm^\mathrm{s}}\right]
1816
 
-\bm^f\cdot\mathrm{grad}\left[\frac{ \rho^\mathrm{s}}{\rho^f}\right].\\
 
1793
  \frac{\rho^\mathrm{s}}{\rho^f}\bm^f\right] - \rho^\mathrm{s}
 
1794
\mathrm{div}[\bv]\\ &=
 
1795
\frac{\rho^\mathrm{s}}{\rho^f}\left(\cancelto{0}
 
1796
     {-\mathrm{div}\left[\rho^f \bv^{f}\right] - \rho^f
 
1797
       \mathrm{div}[\bv]}\right)\\ &\quad{} + \pi^\mathrm{s} -
 
1798
     \mathrm{div}\left[\widetilde{\bm^\mathrm{s}}\right]
 
1799
     -\bm^f\cdot\mathrm{grad}\left[\frac{
 
1800
         \rho^\mathrm{s}}{\rho^f}\right].\\
1817
1801
\end{split}
1818
1802
\end{equation}
1819
1803
 
1826
1810
\mathrm{div}\left[\widetilde{\bm^\mathrm{s}}\right] -
1827
1811
\frac{\bm^f\cdot\mathrm{grad}\left[\rho^\mathrm{s}\right]}{\rho^f} +
1828
1812
\frac{\rho^\mathrm{s} \bm^f \cdot \mathrm{grad}\left[\rho^f\right]}
1829
 
{\rho^{f^2}}.
 
1813
     {\rho^{f^2}}.
1830
1814
\label{stdform}
1831
1815
\end{equation}
1832
1816
 
1866
1850
diffusivity, $\bm^{f}/\rho^{f}$ is the advective velocity, and
1867
1851
$\pi^\mathrm{s}$ is the volumetric source term. This form is well
1868
1852
suited for stabilisation schemes such as the streamline upwind
1869
 
Petrov-Galerkin (SUPG)
1870
 
method\footnote{Appendix~\ref{stabilisation-solute-transport}
1871
 
  provides, in weak form, the SUPG-stabilised method for
1872
 
  Equation~(\ref{morestdform}).} (see, for e.g., \cite{Paper6}), which
1873
 
limit spatial oscillations otherwise observed when the element
1874
 
P\'eclet number is large. Figure~\ref{stable-solution} shows the
1875
 
SUPG-stabilised solution for the simple advection-diffusion problem
1876
 
considered previously at an identical P\'eclet number.
 
1853
Petrov-Galerkin (SUPG) method\footnote{Appendix~\ref{stabilisation%
 
1854
    -solute-transport} provides, in weak form, the SUPG-stabilised
 
1855
  method for Equation~(\ref{morestdform}).} (see, for e.g.,
 
1856
\cite{Paper6}), which limit spatial oscillations otherwise observed
 
1857
when the element P\'eclet number is large. Figure~\ref{stable-solu%
 
1858
  tion} shows the SUPG-stabilised solution for the simple advection%
 
1859
-diffusion problem considered previously at an identical P\'eclet
 
1860
number.
1877
1861
 
1878
1862
%
1879
1863