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Multiphysics Modeling and Feature Based Visualization

(MMV)

Prof. H.-J. Bart (Verfahrenstechnik)Prof. H. Hagen (Informatik)Prof. A. Klar (Mathematik)Dr. R. Wegener (ITWM)

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Projektbereiche Fadendynamik und Fadenablagemodellierung Tropfenpopulationsdynamik Innenraumakustik

Querschnittsthemen Feature-based Visualization Modellierungsaspekte: Strömung, Turbulenzmodellierung, etc. Anbindung an Web of Models

Themenbeschreibung

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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

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Projektziele

Entwicklung und Simulation verbesserter Fadenablagemodelle, ParameteridentifikationExperimentelle Untersuchung von Extraktionsvorgängen, numerische Untersuchung der assoziierten Tropfenpopulationsmodelle, Kopplung mit CFDInverse Probleme der Innenraumakustik (Parameteridentifikation, Akustikdesign), Einbettung in das audiovisuelle VR Darstellungssystem des ITWMBereichsübergreifende Entwicklung einer „Feature-based Visualization"

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Erfolge/Fortschritte: DrittmittelDFG: 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

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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)

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Beschreibung der Projektbereiche

Fadenablage (Klar)Populationsdynamik (Bart)Innenraumakustik und Visualisierung (Hagen)

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Fadenablage (Thematisches Umfeld)

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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

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Fadenablage (Aktuelle Inhalte)Vergleich der Pfade

Bestimmung der Flächengewichte

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Fadenablage (Aktuelle Publikationen)Grothaus, Klar. Ergodicity of non-coercive diffusions in textile production

processes, SIAM Math. Anal. 2008Klar, Reuterswaerd, Seaid. A Semi-Lagrangian method for a Fokker-Planck

equation describing fibre dynamics, J. Scientific Computing 2008Herty, Motsch, Klar, Olawsky. A smooth model for fibre lay-down processes

and its diffusion approximations, to appear in SIAM Appl. Math. 2009Panda, Marheineke, Wegener. Systematic derivation of an asymptotic

model for the dynamics of curved viscous fibers, MMAS 2008Götz, 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

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Verknüpfung von CFD & Populationsbilanzen

Liquid-liquid Extraction

M

Rührer

Solvent C

Organic Phase

Solute A + water B

Aqueous phaseC+A

B

organic droplets

breakage

coalescence

Droplet distribution Mean diameter d32

Volume fraction Holdup

Interfacial area ~ / d32

, , ,n V t n V t S V tt

u

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Design

Pilot Production

D = 0,4 m - 2,7mH = 4 m – 25 m

Lab

D = 32 mmH = 1 m

Factor:

4 x D

Factor:

3 - 20 x D

Scale-up of Agitated Extraction Columns

D = 150 mm H = 2.1 m

Virtual Laborator

y simulation

sIBM-kompatibel

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Solution of the PBMNew Models for the Solution of the Population Balance

•Sectional Quadrature Method of Moments (SQMOM)

•One Primary One Secondary

Particle Method

1/ 2id 1/ 2id 3/ 2id

1id

2id

3id 1

2id 1

1id i

Nqd 1

3id 1i

Nqd

1iw i

Nqw

1iw 1i

Nqw

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Coupled CFD-PBM simulations

Coupling between CFD and PBM: d32,out =

2.7 mm

d32,in =

2.2 mmd=2.5 mmd=1.8 mm

in Fluent :

in FPM :

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CFD & Populationsbilanzen (Aktuelle Publikationen)

Bart, Drumm, Attarakih. Process Intensification with reactive extraction columns, Chem. Eng. Process. 2008Drumm, Tiwari, Kuhnert, Bart. Verknüpfung von Populationsbilanzmodellen PBM und der Finite Pointset Methode FPM bei der Extraktion, Chemie Ingenieur Technik 2007Drumm, Tiwari, Kuhnert, Bart. Finite Pointset Method for Simulation of the Liquid-Liquid Flow Field in an Extractor, Comp. Chem. Eng. 2008Drumm, Attarakih, Bart.  Coupling of CFD with DPBM for a RDC Extractor, accepted in Chem. Eng. Sci. 2008C. Drumm, S. Tiwari, V.K. Sharma, J. Kuhnert, M. M. Attarakih, H.-J. Bart, A.Klar 4 joint proceedings (CFD 2008, ESCAPE)

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Innenraumakustik (Thematisches Umfeld)

Audiovisuelles VR-Darstellungssystem des ITWM

Phononenvisualisierung in VRML

Akustisches Rendering (Sound Tracing)

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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

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Feature-based Visualization

Kritische Punkte und Stromlinien imGradientenfeld des Drucks (Akustik) Stream Volumes in FPM-Simulation

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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

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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 KoaleszenzkernelsInnenraumakustik: Parameteridentifikation, Geometrierekonstruktion, akustisches DesignVisualisierung: komparative Visualisierung Tropfenpopulation, akustische Qualitätsmerkmale, topologiebasierte Visualisierung jeweils mit 2-3 Publikationen 2009/2010Anträge (Plan): Vorantrag SFB, DFG-Antrag Viskoelastische Fäden (Marheineke/Wegener), DFG Antrag Visualisierung FPM (Hagen/Hering-Bertram)

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Fahrplan ab 07/2009: Mittelbedarf

Geschätzte Kosten aus (CM)²-Mitteln für Periode 2009/2010: 200.000Verwendung:

AG Bart: Promotionsstipendien, Investitionen (40.000);AG Hagen: 2 Promotionsstipendien (Chen, NN, 30.000);AG Klar: Promotionsstipendien (Ohlbrandt, NN, 50.000);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)

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SFB Titel

Models, Simulation and Control in Industrial Mathematics

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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

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SFB Stellung

Mathematik in der Industrie

Industrial Mathematics

Angewandte Mathematik

Identifikation neuer Probleme

Mathematische Ideen, Analysis, Algorithmen

LösungsvorschlägeBeratung

ITWM SFB

Neue Modelle, Algorithmen, Lösungsansätze

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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‘sMathematik-Exzellenzcluster in Bonn und BerlinKeine Industriemathematik im engeren Sinne, nicht orientiert an Industrieprojekten.

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SFB ProjektleiterFB 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)

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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,…

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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/Computational Biology……

NN / NN / Prätzel-Wolters /Deitmer

Optimale Kontrolle PDE Modelle Stochastische Modelle /

PDE Numerik