Multiphysics Modeling and Feature Based Visualization (MMV)

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. 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. Fadenablage (Thematisches Umfeld)

9. Entwicklung und Untersuchung eines stochastischen Ersatzmodells Fadenablage (Aktuelle Inhalte) Verbesserung des Detailmodells + stochastische Kräfte (Turbulenz), Strömung, Wechselwirkungen, …. 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. M Verknüpfung von CFD & Populationsbilanzen breakage Rührer Solute A + water B Aqueousphase C+A coalescence Liquid-liquid Extraction organicdroplets DropletdistributionMeandiameter d32 Interfacialarea ~ a / d32 Volume fractionHoldupa Solvent C Organic Phase B

13. Scale-up of Agitated Extraction Columns D = 0,4 m - 2,7mH= 4 m – 25 m D = 150 mm H= 2.1 m D=32 mmH= 1 m Factor: 4 x D Factor: 3-20 x D Pilot Lab 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=2.5 mm d=1.8 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 4 joint proceedings (CFD 2008, ESCAPE)

17. 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 • Sound-Tracing an Reflexionsflächen • Visualisierung von Druckfeldern Isoflächen aus FEM-Simulation der Wellengleichung

19. Feature-based Visualization Kritische Punkte und Stromlinien imGradientenfeld 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 2009/2010:200.000 • 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)

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

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 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) • 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)

28. SFB Projektleiter 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,… • 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

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