Alles ist im Fluss

Mehrphasen- und Multiphysikmodellierungen

Um vielseitige Probleme in Natur und Technik zu lösen und verlässliche Prognosen zu geben, verbessern wir die Simulation von Strömungs- und Transportprozessen.

Strömung und Transport verstehen

Möchte man das Wetter vorhersagen, oder untersuchen, wie sich bestimmte Stoffe im Erduntergrund verhalten – zum Beispiel wenn man das Einsickern schädlicher Stoffe ins Grundwasser verhindern möchte – hat man es mit Strömungs- und Transportprozessen von Stoffen zu tun. Auch im menschlichen Organismus sind solche Prozesse am Werk: Medikamente müssen in unseren Blutbahnen transportiert werden und vieles mehr. Aber auch in Industrie und Entwicklung spielen Strömungs- und Transportprozesse eine wichtige Rolle – häufig werden sie hier sogar gezielt genutzt. Zum Beispiel beim sogenannten cw-Wert für die Windschnittigkeit bei Fahrzeugen..

 (c) SimTech / VISUS / IWS
Simulation des Austauschprozesses zwischen Pflanzen und Boden im Untergrund, um Erdrutsche zu vermeiden. Hier werden verschiedene Skalen berücksichtigt.

Blick in die Zukunft

Oft möchte man bei der Erforschung von Strömungs- und Transportprozessen Fragen über Ereignisse in der Zukunft beantworten. Damit man Strömungs- und Transportprozesse verlässlich vorhersagen und möglicherweise sogar beeinflussen kann, sind Simulation und mathematische Modellierung das Mittel der Wahl. Das Ziel der Forscherinnen und Forscher aus den unterschiedlichen Disziplinen in PN 5 ist es, die verwendeten Methoden und damit die Vorhersagen verlässlicher zu machen

Komplexe Modellierung: Skalen, Phasen und Schnittstellen

Strömungs- und Transportprozesse müssen oft im Detail und auch im großen Ganzen betrachtet werden, also über mehrere Skalen hinweg. Das Verhalten der Strömungen soll auf der Nano,- Mikro-, Meso-, und Makroskala verstanden und abgebildet werden. Wir müssen Simulationen in diesem Bereich also mehrskalig durchgeführen. Auf den verschiedenen Skalen gelten allerdings unterschiedliche Bedingungen. Für jede Skala werden unterschiedliche physikalische und mathematische Näherungsmethoden benötigt. Diese Methoden müssen je nach Anwendungsfall in passender Weise kombiniert werden – eine komplexe Aufgabe für die Simulationswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler. Sie müssen beschreiben, wie Strömungen sich an der Schnittstelle zu anderen Zuständen, also bei Phasenübergängen, verhalten. Zum Beispiel beim Wechsel von einem festen zu einem flüssigen Aggregatszustand. Hier ist dann die sogenannte Multiphysikmodellierung gefragt. Mit ihr versuchen wir, für solche Schnittstellenfragen die richtigen physikalischen Modelle in passender Weise miteinander zu kombinieren.

 (c) SimTech / David Ausserhofer
In der Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung (VEGAS) der Universität Stuttgart werden Experimente zu Strömungs- und Transportprozessen durchgeführt.

Keine valide Simulation ohne Experiment

Ein Modell ist dann besonders gut, wenn es mit den Ergebnissen aus Experimenten übereinstimmt. Deshalb verwenden wir an vielen Stellen in PN 5 Daten aus Experimenten, um die Modelle zu validieren – nur so können wir sie dann verbessern. Wenn es uns dann wiederum gelingt, mit unseren Modellen den Ausgang von Experimenten vorherzusagen, können wir davon ausgehen, dass wir auf dem richtigen Weg sind, die Strömungs- und Transportprozesse korrekt abzubilden.

Daten und Informatik

Parameter und Eingangsgrößen sind voneinander abhängig. Die Informatik hilft dabei, herauszufinden inwiefern eine Anhängigkeit besteht und mit komplexen Abhängigkeitsverhältnissen umzugehen. Hier entsteht eine eigene Klasse an Forschungsherausforderungen in der Informatik, die Informatiker in PN 5 zusammen mit den Ingenieuren und Mathematikern bearbeiten.

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5-1
Theory and numerics of fracturing porous media

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Ehlers
Mitarbeiterin: Chenyi Luo
Institut für Mechanik (Bauwesen)

5-2
Multi-scale multi-physics modelling of complex systems: efficient and robust models for large scale applications in porous media
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Rainer Helmig, apl. Prof. Bernd Flemisch
Mitarbeiter: Martin Schneider
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung (IWS)

5-3
3D Direct Numerical Simulations (DNS) of Heat and Mass Transfer of Multi-Component Droplets including Phase Change
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Weigand
Mitarbeiterin: Karin Schlottke
Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (ITLR)

5-4
Explicit-implicit discontinuous Galerkion schemes for multi-phase flow
Projektleitung: Prof. Dr. Claus-Dieter Munz
Mitarbeiterin: Serena Keller
Institut für Aerodynamik und Gasdynamik

5-5
Large-scale arrival time statistics and risk assessment for transport in complex multi-scale formations
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Nowak
Mitarbeiter: Sebastian Most
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung (IWS)

5-6
Controlling Uncertainty in Fractured Porous Media
Projektleitung: Prof. Dr. Christian Rohde
Mitarbeiter: Markus Köppel
Institut für Angewandte Analysis und Numerische Simulation (IANS)

5-7
Adaptive Higher Order DG Methods for Porous-Media Multi-Phase Flow with Strong Heterogeneities
Projektleitung: Prof. Dr. Kunibert G. Siebert
Mitarbeiter: Birane Kane
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung (IWS)

5-8
Visualization of Flow and Fracture in Porous Media
Projektleitung: Prof. Dr. Thomas Ertl
Mitarbeiter: Michael Bussler
Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme (VISUS)

5-9
A numerical, adaptive approach for modelling parameter dependencies and uncertainties
Projektleitung: JP Dr. Dirk Pflüger
Mitarbeiter: Fabian Franzelin
Institut für Paralelle und Verteilte Systeme (IPVS)

5-10 (abgeschlossen)
Virtual Characterization of Permeable Materials
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Heinz Voggenreiter
Mitarbeiter: Thomas Rothermel
Institut für Werkstoff-Forschung, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

5-11
Quality assurance in numerical software frameworks at example of Dune / PDELab / DuMuX
Projektleitung: Dr.-Ing. Rainer Helmig, apl. Prof. Bernd Flemisch
Mitarbeiter: Nicolas Schwenck
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung (IWS)

5-12
Dune-Projekt
Projektleitung: Prof. Dr. Kunibert G. Siebert, Prof. Dr. Christian Rohde
Mitarbeiter: Martin Alkämper
Institut für Angewandte Analysis und Numerische Simulation (IANS)

5-13
Verifikationsexperiment
Projektleitung: Dr.-Ing. Rainer Helmig, Prof. Dr.-Ing. Bernhard Weigand
Mitarbeiter: Alexandros Terzis
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung (IWS), Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (ITLR)

5-14
Elliptic equations with stochastic Levy-field coefficients
Projektleitung: JP Dr. Andrea Barth
Mitarbeiter: Dr. Ilja Kröker
Institut für Angewandte Analysis und Numerische Simulation (IANS)

5-15
Reduktion verfahrenstechnischer Multiskalen-Methoden mit Dünngitterbasierten adaptiven Approximationsmethoden
Projektleitung: JP Dr. Dirk Pflüger, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Nieken
Mitarbeiter: Michael Rehme
Institut für Paralelle und Verteilte Systeme (IPVS), Institut für Chemische Verfahrenstechnik

5-assoziiert
Kopplung von Fluidik-Strukturmechanik- und Akustikberechnungen und deren skalierbare Umsetzung
Projektleitung: Prof. Dr. Miriam Mehl
Mitarbeiter: Florian Lindner
Institut für Paralelle und Verteilte Systeme (IPVS)

  • Ingenieurwissenschaften
  • Mathematik
  • Informatik

Koordinatoren PN 5

Dieses Bild zeigt Flemisch
apl. Prof. Dr. rer. nat.

Bernd Flemisch

Koordinator Projektnetzwerk 5

Dieses Bild zeigt Helmig
Prof. Dr.-Ing.

Rainer Helmig

Studiendekan, Koordinator Projektnetzwerk 5, Koordinator Research Area D