Transcript Multiphysics

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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Themenbeschreibung
Projektbereiche
Fadendynamik und Fadenablagemodellierung
Tropfenpopulationsdynamik
Innenraumakustik
Querschnittsthemen
Feature-based Visualization
Modellierungsaspekte: Strömung, Turbulenzmodellierung, etc.
Anbindung an Web of Models
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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
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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"
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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
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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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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
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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. 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
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Verknüpfung von CFD & Populationsbilanzen
Rührer
Solute A + water B
M
Aqueous phase
breakage
C+A
coalescence
Liquid-liquid
Extraction
organic droplets
Droplet distribution
Mean diameter d32
Solvent C
Organic Phase
B
Volume fraction
Holdup a
Interfacial area
~ a / d32

 n V , t      un V , t    S V , t 
t
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Scale-up of Agitated Extraction Columns
D = 0,4 m - 2,7m
H = 4 m – 25 m
D = 150 mm
H = 2.1 m
D = 32 mm
H= 1 m
Lab
Factor:
Factor:
4xD
3 - 20 x D
Pilot
Production
Virtual
Laboratory
simulations
IBM-kompatibel
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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
w1i
wNqi w1i
i 
i 1
i 
d1i d2i d3 dNq d1i 1 d2i 1 d3
di1/2
di1/2
wNqi1
d Nqi1
di3/ 2
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Coupled CFD-PBM simulations
Coupling between CFD and PBM:
d32,out =
2.7 mm
in Fluent :
in FPM :
d=1.8 mm
d=2.5 mm
d32,in =
2.2 mm
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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 LiquidLiquid 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
4 joint proceedings (CFD 2008, ESCAPE)
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Innenraumakustik (Thematisches Umfeld)
Phononenvisualisierung in VRML
Audiovisuelles VRDarstellungssystem des ITWM
Akustisches Rendering (Sound Tracing)
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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
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Feature-based Visualization
Kritische Punkte und Stromlinien im
Gradientenfeld 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 gridless 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 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)
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Fahrplan ab 07/2009: Mittelbedarf
Geschätzte Kosten aus (CM)²-Mitteln für Periode 2009/2010: 200.000
Verwendung:
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
Identifikation
neuer Probleme
Mathematik in
der Industrie
ITWM
Lösungsvorschläge
Beratung
Neue Modelle,
Algorithmen,
Lösungsansätze
Industrial
Mathematics
SFB
Angewandte
Mathematik
Mathematische
Ideen, Analysis,
Algorithmen
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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‘s
Mathematik-Exzellenzcluster in Bonn und Berlin
Keine Industriemathematik im engeren Sinne, nicht orientiert an Industrieprojekten.
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SFB Projektleiter
FB Mathematik
JunProf. Dr. T. Damm
Prof. Dr. Jürgen Franke (Statistik)
JunProf. Dr. N. Marheineke
Prof. Dr. Willi Freeden (Technomathematik)
JunProf. Dr. M. Frank
Prof. Dr. Martin Grothaus (Analysis)
JunProf. Dr. C. Kirch
Prof. Dr. Horst Hamacher (Optimierung)
JunProf. Dr. S. Ruzika
Prof. Dr. Axel Klar (Technomathematik)
NN (Computational Biology, Inverse Probleme)
Prof. Dr. Ralf Korn (Finanzmathematik)
NN (Bildverarbeitung)
Prof. Dr. Sven Krumke (Optimierung)
NN (Numerik, High performance computing)
Prof. Dr. Rene Pinnau (Technomathematik)
NN (Computational stochastic)
Prof. Dr. Dieter Prätzel-Wolters (Technomathematik)
NN (Differentialalgebraische System)
Prof. Dr. Saas (Finanzmathematik)
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
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,…
Prof. Dr.-Ing. Dietmar Eifler
Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bart
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SFB Teilprojektbereiche
Produktionsproz.
Numerik
Optimale Kontrolle
PDE Modelle
Netzwerke/System on
Chip/…
Optimierung, AG
Klar / Pinnau /
NN/Bart/Eifler/
Hagen
ITWM
Stochastische Modelle /
PDE Numerik
Finanzmathematik
Stochastik
Korn/Franke/Saas/NN/
Poetzsch Heffter
Hamacher /Krumke
/NN / Wehn /Kunz
Bildverarbeitung/Compu
tational Biology……
NN / NN / PrätzelWolters /Deitmer
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