Multiphysics Modeling and Feature Based Visualization (MMV)

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1 Multiphysics Modeling and Feature Based Visualization (MMV)
Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM Multiphysics Modeling and Feature Based Visualization (MMV) Prof. H.-J. Bart (Verfahrenstechnik) Prof. H. Hagen (Informatik) Prof. A. Klar (Mathematik) Dr. R. Wegener (ITWM) TexPoint fonts used in EMF. Read the TexPoint manual before you delete this box.: AAAA

2 Themenbeschreibung Projektbereiche
Fadendynamik und Fadenablagemodellierung Tropfenpopulationsdynamik Innenraumakustik Querschnittsthemen Feature-based Visualization Modellierungsaspekte: Strömung, Turbulenzmodellierung, etc. Anbindung an Web of Models

3 Projektziele Projektbereiche
Fadendynamik und Fadenablagemodellierung: Hagen, Klar, Wegener Tropfenpopulationsdynamik: Bart, Hagen, Klar, Wegener Innenraumakustik: Hagen, Wegener Querschnittsthemen Feature-based Visualization: Hagen, Wegener Modellierungsaspekte: Bart, Hagen, Klar, Wegener Anbindung an Web of Models: Wegener

4 Projektziele Entwicklung und Simulation verbesserter Fadenablagemodelle, Parameteridentifikation Experimentelle Untersuchung von Extraktionsvorgängen, numerische Untersuchung der assoziierten Tropfenpopulationsmodelle, Kopplung mit CFD Inverse Probleme der Innenraumakustik (Parameteridentifikation, Akustikdesign), Einbettung in das audiovisuelle VR Darstellungssystem des ITWM Bereichsübergreifende Entwicklung einer „Feature-based Visualization"

5 Erfolge/Fortschritte: Drittmittel
DFG: Stochastische und partielle Differentialgleichungen für Fadenablageprozesse (Klar, Wegener - 2 volle Stellen) DFG: Verknüpfung von Tropfenpopulationsbilanzen und CFD bei der Extraktion (Bart, Kuhnert ITWM - 2 volle Stellen) BMBF: NABLO (Wegener, Steiner ITWM - 2 volle Stellen) DFG: Tropfenpopulationsbilanzen – Modellierung und Validierung (Bart – 1 volle Stelle) DFG: Tropfenkoaleszenz (Bart, Kenig Uni Paderborn - 2 volle Stellen) DFG – IRTG: Visualisierung großer unstrukturierter Datenmengen (Hagen – 5 Promotionsstipendien) Diverse Industrieprojekte

6 Erfolge/Fortschritte: Gestartete Promotionen
Fadenablage: Maringer (Klar, Wegener), Martin (Klar) Populationsdynamik: Drumm (Bart), Eiswirth (Barth), Jaradad (Bart), Hlawitschka (Bart), Sharma (Klar), Innenraumakustik: Obermaier (Hagen, Wegener) Visualisierung: Chen (Hagen) ), Weber (Hagen), Rajani (Hagen)

7 Beschreibung der Projektbereiche
Fadenablage (Klar) Populationsdynamik (Bart) Innenraumakustik und Visualisierung (Hagen)

8 Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
Fadenablage (Thematisches Umfeld)

9 Entwicklung und Untersuchung eines stochastischen Ersatzmodells
Fadenablage (Aktuelle Inhalte) Verbesserung des Detailmodells + stochastische Kräfte (Turbulenz), Strömung, Wechselwirkungen, …. Entwicklung und Untersuchung eines stochastischen Ersatzmodells Modellerweiterungen mit höherer Glattheit, …. Parameteridentifikation Bestimmung der Parameter des Ersatzmodels mit Hilfe einzelner Simulation des Detailmodels

10 Fadenablage (Aktuelle Inhalte)
Vergleich der Pfade Bestimmung der Flächengewichte

11 Fadenablage (Aktuelle Publikationen)
Grothaus, Klar. Ergodicity of non-coercive diffusions in textile production processes, SIAM Math. Anal. 2008 Klar, Reuterswaerd, Seaid. A Semi-Lagrangian method for a Fokker-Planck equation describing fibre dynamics, J. Scientific Computing 2008 Herty, Motsch, Klar, Olawsky. A smooth model for fibre lay-down processes and its diffusion approximations, to appear in SIAM Appl. Math. 2009 Panda, Marheineke, Wegener. Systematic derivation of an asymptotic model for the dynamics of curved viscous fibers, MMAS 2008 Götz, Klar, Unterreiter, Wegener. Numerical evidence for the non--existence of solutions to the equations describing rotational fiber spinning, MMMAS 2008 Marheineke, Wegener. Asymptotic model for the dynamics of curved viscous fibers with surface tension, JFM 2009

12 Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
Verknüpfung von CFD & Populationsbilanzen M Rührer Solvent C Organic Phase Solute A + water B Aqueous phase C+A B organic droplets breakage coalescence Liquid-liquid Extraction Droplet distribution Mean diameter d32 Volume fraction Holdup a Interfacial area ~ a / d32 12

13 Scale-up of Agitated Extraction Columns Virtual Laboratory simulations
D = 0,4 m - 2,7m H = 4 m – 25 m D = 32 mm H = 1 m D = 150 mm H = 2.1 m Factor: 4 x D Factor: x D Lab Pilot Production Design Virtual Laboratory simulations

14 Solution of the PBM New Models for the Solution of the Population Balance Sectional Quadrature Method of Moments (SQMOM) One Primary One Secondary Particle Method

15 Coupled CFD-PBM simulations
Coupling between CFD and PBM: d32,out = 2.7 mm in Fluent : in FPM : d32,in = 2.2 mm d=1.8 mm d=2.5 mm

16 CFD & Populationsbilanzen (Aktuelle Publikationen)
Bart, Drumm, Attarakih. Process Intensification with reactive extraction columns, Chem. Eng. Process. 2008 Drumm, Tiwari, Kuhnert, Bart. Verknüpfung von Populationsbilanzmodellen PBM und der Finite Pointset Methode FPM bei der Extraktion, Chemie Ingenieur Technik 2007 Drumm, Tiwari, Kuhnert, Bart. Finite Pointset Method for Simulation of the Liquid- Liquid Flow Field in an Extractor, Comp. Chem. Eng. 2008 Drumm, Attarakih, Bart.  Coupling of CFD with DPBM for a RDC Extractor, accepted in Chem. Eng. Sci. 2008 C. Drumm, S. Tiwari, V.K. Sharma, J. Kuhnert, M. M. Attarakih, H.-J. Bart, A.Klar joint proceedings (CFD 2008, ESCAPE)

17 Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
Innenraumakustik (Thematisches Umfeld) Phononenvisualisierung in VRML Audiovisuelles VR- Darstellungssystem des ITWM Akustisches Rendering (Sound Tracing)

18 Akustisches Rendering
Innenraumakustik (Aktuelle Inhalte) Ausbau akustisches VR Darstellungssystem Phononensimulation als VRML-Animation Schallfeldsynthese Reflexionspfad eines Phonons Akustisches Rendering Sound-Tracing an Reflexionsflächen Visualisierung von Druckfeldern Isoflächen aus FEM-Simulation der Wellengleichung

19 Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
Feature-based Visualization Kritische Punkte und Stromlinien im Gradientenfeld des Drucks (Akustik) Stream Volumes in FPM-Simulation

20 Akustik/Visualisierung (Aktuelle Publikationen)
Bellmann, Michel, Deines, Hering-Bertram, Mohring, Hagen. Sound tracing: rendering listener specific acoustic room properties, CGF 2008 Deines, Michel, Obermaier, Hering-Bertram, Jegorovs, Mohring, Hagen. Visualizing low frequency sound in room acoustics using a reduced parametric state-space model, submitted to EuroVis 2009 Obermaier, Hering-Bertram, Kuhnert, Hagen. Volume deformations in grid-less flow simulations, submitted to EuroVis 2009 Obermaier, Kuhnert, Hering-Bertram, Hagen. Stream volume segmentation of grid- less flow simulation, accepted in TopoInVis 2009 Keller, Kreylos, Vanco, Hering-Bertram, Cowgill, Kelogg, Hamann, Hagen. Extracting and vizualizing structural features within enviromental point cloud LiDaR Data Sets , accepted in TopoInVis 2009

21 Fahrplan ab 07/2009: Meilensteine/Förderanträge
Fadenablage: Turbulente Luftkräfte, Parameteridentifikation (Verbindung der Modelle), Erweiterung der stochastischen Modelle, Visualisierung Populationsdynamik: Verknüpfung CFD & Populationsbilanz, schnellere Klassen-/ Momenten-Algorithmen, neue Koaleszenzkernels Innenraumakustik: Parameteridentifikation, Geometrierekonstruktion, akustisches Design Visualisierung: komparative Visualisierung Tropfenpopulation, akustische Qualitätsmerkmale, topologiebasierte Visualisierung jeweils mit 2-3 Publikationen 2009/2010 Anträge (Plan): Vorantrag SFB, DFG-Antrag Viskoelastische Fäden (Marheineke/Wegener), DFG Antrag Visualisierung FPM (Hagen/Hering-Bertram)

22 Fahrplan ab 07/2009: Mittelbedarf
Geschätzte Kosten aus (CM)²-Mitteln für Periode 2009/2010: Verwendung: AG Bart: Promotionsstipendien, Investitionen (40.000); AG Hagen: 2 Promotionsstipendien (Chen, NN, ); AG Klar: Promotionsstipendien (Ohlbrandt, NN, ); AG Wegener: Teilfinanzierung Mitarbeiter Mohring, Hering-Bertram (50.000), Hietel (15.000), Promotionsstipendium (Maringer) (15.000). Gesamtfinanzierung über Bart (40.000), Hagen (80.000) und Klar (80.000)

23 SFB Titel Models, Simulation and Control in Industrial Mathematics

24 SFB Grundprinzipien und Forschungsziele
die Identifikation von mathematisch spannenden Problemen aus echten Industrieprojekten die Modellierung komplexer technischer Systeme durch die Kopplung numerischer und stochastischer Methoden die Lösung mathematischer Problemstellungen zur dynamischen Simulation und Steuerung komplexer technischer Systeme wie zum Beispiel die Behandlung hochdimensionaler Systeme von stochastischen und partiellen Differentialgleichungen oder die Optimierung gekoppelter stochastisch-deterministischer System

25 SFB Stellung Mathematik in der Industrie Industrial Mathematics
Angewandte Mathematik Identifikation neuer Probleme Mathematische Ideen, Analysis, Algorithmen Lösungsvorschläge Beratung ITWM SFB Neue Modelle, Algorithmen, Lösungsansätze

26 SFB Stellung Stellung des geplanten Sonderforschungsbereichs in seinem weiteren Fachgebiet Mathematischer SFB (Angewandte Mathematik) in Bonn (Singuläre Phänomene und Skalierung in mathematischen Modellen) Diverse Beteiligungen von Mathematikern in ingenieurwissenschaftlichen SFB‘s Mathematik-Exzellenzcluster in Bonn und Berlin Keine Industriemathematik im engeren Sinne, nicht orientiert an Industrieprojekten.

27 SFB Projektleiter FB Mathematik Prof. Dr. Jürgen Franke (Statistik)
Prof. Dr. Willi Freeden (Technomathematik) Prof. Dr. Martin Grothaus (Analysis) Prof. Dr. Horst Hamacher (Optimierung) Prof. Dr. Axel Klar (Technomathematik) Prof. Dr. Ralf Korn (Finanzmathematik) Prof. Dr. Sven Krumke (Optimierung) Prof. Dr. Rene Pinnau (Technomathematik) Prof. Dr. Dieter Prätzel-Wolters (Technomathematik) Prof. Dr. Saas (Finanzmathematik) SFB Projektleiter JunProf. Dr. T. Damm JunProf. Dr. N. Marheineke JunProf. Dr. M. Frank JunProf. Dr. C. Kirch JunProf. Dr. S. Ruzika NN (Computational Biology, Inverse Probleme) NN (Bildverarbeitung) NN (Numerik, High performance computing) NN (Computational stochastic) NN (Differentialalgebraische System) NN (Algebraische Geometrie)

28 SFB Projektleiter Fachbereich Informatik Fraunhofer ITWM
Prof. Dr. Hans Hagen Prof. Dr. Arnd Poetzsch-Heffter Fachbereich Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Kunz Prof. Dr.-Ing. Norbert Wehn Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Dietmar Eifler Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bart Fraunhofer ITWM PD Dr. habil Oleg liev , Dr. K. Steiner (Abt. SMS) Dr. Raimund Wegener, Dr, J. Kuhnert (Abt. TV) PD Dr. habil. Karl-Heinz Küfer (Abt. OPT) Dr. P. Lang (Abt. SPR) Mögliche Erweiterung: Biologie Deitmer, Friauf,…

29 SFB Teilprojektbereiche
Netzwerke/System on Chip/… Optimierung, AG Hamacher /Krumke /NN / Wehn /Kunz ITWM Produktionsproz Numerik Klar / Pinnau / NN/Bart/Eifler/ Hagen Finanzmathematik Stochastik Korn/Franke/Saas/NN/ Poetzsch Heffter Bildverarbeitung/Compu tational Biology…… NN / NN / Prätzel- Wolters /Deitmer Optimale Kontrolle PDE Modelle Stochastische Modelle / PDE Numerik