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Page 1 Multiphysics Modeling and Feature Based Visualization (MMV) Prof. H.-J. Bart (Verfahrenstechnik) Prof. H. Hagen (Informatik) Prof. A. Klar (Mathematik)

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1 page 1 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 page 2 Projektbereiche Fadendynamik und Fadenablagemodellierung Tropfenpopulationsdynamik Innenraumakustik Querschnittsthemen Feature-based Visualization Modellierungsaspekte: Strömung, Turbulenzmodellierung, etc. Anbindung an Web of Models Themenbeschreibung

3 page 3 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 Projektziele

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

8 page 8 Fadenablage (Thematisches Umfeld)

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

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

11 page 11 Fadenablage (Aktuelle Publikationen) Grothaus, Klar. Ergodicity of non-coercive diffusions in textile production processes, SIAM Math. Anal 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 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 page 12 Verknüpfung von CFD & Populationsbilanzen Liquid-liquid Extraction M Rührer Solvent C Organic Phase Solute A + water B Aqueous phase C+A B organic droplets breakage coalescence Droplet distribution Mean diameter d 32 Volume fraction Holdup Interfacial area ~ / d 32

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

14 page 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 page 15 Coupled CFD-PBM simulations Coupling between CFD and PBM: d 32,out = 2.7 mm d 32,in = 2.2 mm d=2.5 mm d=1.8 mm in Fluent : in FPM :

16 page 16 CFD & Populationsbilanzen (Aktuelle Publikationen) Bart, Drumm, Attarakih. Process Intensification with reactive extraction columns, Chem. Eng. Process 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 Drumm, Attarakih, Bart. Coupling of CFD with DPBM for a RDC Extractor, accepted in Chem. Eng. Sci C. Drumm, S. Tiwari, V.K. Sharma, J. Kuhnert, M. M. Attarakih, H.-J. Bart, A.Klar 4 joint proceedings (CFD 2008, ESCAPE)

17 page 17 Innenraumakustik (Thematisches Umfeld) Audiovisuelles VR- Darstellungssystem des ITWM Phononenvisualisierung in VRML Akustisches Rendering (Sound Tracing)

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

19 page 19 Feature-based Visualization Kritische Punkte und Stromlinien im Gradientenfeld des Drucks (Akustik) Stream Volumes in FPM-Simulation

20 page 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 page 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 page 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 page 23 SFB Titel Models, Simulation and Control in Industrial Mathematics

24 page 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 page 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 page 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 SFBs Mathematik-Exzellenzcluster in Bonn und Berlin Keine Industriemathematik im engeren Sinne, nicht orientiert an Industrieprojekten.

27 page 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) 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 page 28 SFB Projektleiter Fachbereich Informatik 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 page 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


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