Institute of Technology, Resource and Energy-efficient Engineering (TREE)

Modeling and Simulation

In the research field "Modeling and Simulation", methods are developed in order to be able to solve many current technical problems with computer support. Applications often arise from the other TREE research groups. This results in close cooperation between natural and engineering scientists and between experimentalists and simulators in the various fields of research.

A detailed overview of the equipment in the research field Modeling and Simulation can be found here.

„Keine Modellbildung und Simulation – keine technische Innovation. Wir beschäftigen uns im Forschungsfeld mit dem Rückgrat der Systementwicklung und schauen in alle Richtungen: technische Neuerungen, Nachhaltigkeit, Skalierbarkeit und Kostenoptimierung.”

Prof. Dr. Anna-Lena Menn - Forschungsfeldleiterin Modellbildung und Simulation (Bild: @ Phil Dera)

Arbeitsgruppen

Arbeitsgruppe Computational Chemistry

Wissenschaftliche Computersimulationen sind in der Lage das Verständnis für den Zusammenhang zwischen Theorien und experimentellen Beobachtungen erheblich zu erweitern. Insbesondere wenn makroskopische Beobachtungen erklärt werden müssen, liefern Simulationen auf Mikroebene einen Einblick in die tatsächlichen Wirkzusammenhänge, die dem Experiment oftmals verborgen bleiben.

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Tree_ModellbildungUndSimulation_Grafik_Strukturoptimierung.png (DE)

Arbeitsgruppe Strukturanalyse und –optimierung

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Simulation und der mathematischen Optimierung von Strukturbauteilen auf Basis der Finiten Elemente Methode (FEM). Neben der Modellbildung stehen hier auch experimentelle und numerische Verfahren zur Identifikation der benötigten Materialkennwerte im Fokus. Insbesondere bei thermoplastischen Werkstoffen, wie sie beispielsweise im Extrusionsblasformen von Kunststoffhohlkörpern eingesetzt werden, ist es notwendig, die (herstell-)prozessbedingten Änderungen der Materialeigenschaften mit zu betrachten und zu modellieren.

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Arbeitsgruppe Lattice-Boltzmann-Methoden

In den letzten Jahren hat sich die Lattice-Boltzmann-Methode als ausgereiftes Werkzeug für Strömungssimulationen bewährt. Im Vergleich zu bisher bestehenden Navier-Stokes Lösern, ermöglicht die Lattice-Boltzmann-Methode effiziente Verfahren zum Berechnen turbulenter, thermischer oder von Mehrphasen-Strömungen.

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Arbeitsgruppe Netzwerke

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Modellbildung und Simulation von Infrastrukturnetzwerken. Schwerpunkte dabei bilden insbesondere Wasser-, Gas-, Strom- und Wärmenetze auf unterschiedlichen Skalen, die von einem Haushalt bis zu überregionalen Verbundnetzen reichen können. Mit Hilfe von auf mathematischer Simulation basierten Computerexperimenten können aktuelle Fragestellungen zur Energieeffizienz und Versorgungssicherheit und somit Beiträge zur Energiewende geliefert werden.

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Eine ausführliche Übersicht über die Ausstattung finden sie hier.

Aktuelle Forschungsprojekte

Utilization of Molecular Modelling for Bio-Chemical Application Scenarios (UMMBAS)

CytoTransport - Mechanisms and Modulation of Cellular Transport Processes

TransHyDE-Sys-MechaMod

HyPipCo

Abgeschlossene Forschungsprojekte

AErOmAt - Aerodynamische Energie-Optimierung durch Metamodell-gestützte Adaption von Strukturen

Die effiziente Nutzung verfügbarer Energie ist eine der großen Herausforderungen unserer Zeit. Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Analyse und Optimierung von Formen und Strukturen hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften zu. Wichtige Anwendungsgebiete sind die Entwicklung energieeffizienter Fahrzeuge und die Windenergietechnik.

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MOTTSAL - Modellierung und Optimierung Transdermaler Therapeutischer Systeme

Durch Berücksichtigung der Patienteneigenschaften Hauttyp, Hauttextur, Transpirationsverhalten usw. im Aufbau der Transdermalen Therapiesysteme TTS (Wirkstoff- Therapiepflaster) könnten die Effektivität der Wirkstoffe erhöht und die Nebenwirkungen durch Kombination von optimierter Dosierung und hautadaptiertem Verhalten reduziert werden.

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Transdermal Therapeutisches System (Quelle: LTS Lohmann Therapie-Systeme AG) (DE)

ReBauVES - Ressourcenoptimierte Bauteilentwicklung

Im Entwicklungsprozess extrusions- blasgeformter Bauteile ist der Einsatz der FEM-Strukturanalyse heute Stand der Technik. Produkteigenschaften wie die Stapelfähigkeit können mit guter Genauigkeit vorhergesagt werden. Jedoch ist es sehr aufwendig, die für eine aussagefähige Simulation notwendigen Materialkennwerte zu ermitteln. Aufgrund der Verstreckung des Materials im Blasformprozess in Verbindung mit hohen Abkühlgeschwindigkeiten werden die Eigenschaften thermoplastischer Werkstoffe durch den Verarbeitungsprozess signifikant beeinflusst.

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EWave

Das Ziel von EWave ist die Entwicklung eines innovativen Energie-Managementsystems, die Berechnung von energieoptimalen Betriebsplänen für die im Versorgungssystem betriebenen Anlagen der Wassergewinnung, -aufbereitung und –verteilung, die Koordination mit dem schwankenden Energiedargebot aus Eigenerzeugungsanlagen und des Energiebezugs von einem oder mehreren Energieversorgungsunternehmen sowie der Piloteinsatz bei der Rheinisch-Westfälischen Wasserwerksgesellschaft mbH (RWW).

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SkaSim - Skalierbare HPC-Software für Simulationen in der chemischen Industrie

Durch den Einsatz von kraftfeldbasierten Molekulardynamik (MD) Simulationen sind zahlreiche praxisrelevante Probleme in den Ingenieurwissenschaften erstmals der Modellierung und Simulation zugänglich. Auf der Grundlage physikalisch sinnvoller molekularen Wechselwirkungen können technisch relevante Systeme sicher und zuverlässig analysiert werden. Die industrielle Entwicklung neuer Produkte und ressourceneffizienter Verfahren wird sich durch den Einsatz höchstskalierbarer molekularer Simulationen grundlegend verändern.

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Lattice-Boltzmann-Methode_Kanalströmung_2d.jpg (DE)

Tree_ModellbildungUndSimulation_Grafik_Simulationsaufteilung.png (DE)

TREE

Publikationsliste

2020 | 2019 | 2017

2020

Gerd Steinebach, Oliver Kolb: Hydraulic modeling and energy view. In: Pirsing, Morsi (Eds.) Decision Support Systems for Water Supply Systems : Smart Water System to Improve the Operation of Water Supply Systems by Using Applied Mathematics. EMS Series in Industrial and Applied Mathematics Vol. 2, Berlin: European Mathematical Society Publishing House, 2020, S. 51-71
doi:10.4171/207-1/4 URL BibTeX | RIS

Gerd Steinebach, David Dreistadt, Patrick Hausmann, Tim Jax: Setup of simulation model and calibration. In: Pirsing, Morsi (Eds.) Decision Support Systems for Water Supply Systems : Smart Water System to Improve the Operation of Water Supply Systems by Using Applied Mathematics. EMS Series in Industrial and Applied Mathematics Vol. 2, Berlin: European Mathematical Society Publishing House, 2020, S. 129-146
doi:10.4171/207-1/7 URL BibTeX | RIS

Tim Jax: Network aggregation. In: Pirsing, Morsi (Eds.) Decision Support Systems for Water Supply Systems : Smart Water System to Improve the Operation of Water Supply Systems by Using Applied Mathematics. EMS Series in Industrial and Applied Mathematics Vol. 2, Berlin: European Mathematical Society Publishing House, 2020, S. 107-127
doi:10.4171/207-1/6 URL BibTeX | RIS

Patrick Hausmann: Demand forecast. In: Pirsing, Morsi (Eds.) Decision Support Systems for Water Supply Systems : Smart Water System to Improve the Operation of Water Supply Systems by Using Applied Mathematics. EMS Series in Industrial and Applied Mathematics Vol. 2, Berlin: European Mathematical Society Publishing House, 2020, S. 39-49
doi:10.4171/207-1/3 URL BibTeX | RIS

Karl N. Kirschner, Dirk Reith, Wolfgang Heiden: The performance of Dunning, Jensen, and Karlsruhe basis sets on computing relative energies and geometries. In: Soft Materials, 18(2-3), 2020, S. 200-214
doi:10.1080/1539445x.2020.1714656 BibTeX | RIS

Martin R. Schenk, Thorsten Köddermann, Karl N. Kirschner, Sandra Knauer, Dirk Reith: Molecular Dynamics in the Energy Sector: Experiment and Modeling of the CO2/CH4 Mixture. In: Journal of Chemical & Engineering Data, 65(3), 2020, S. 1117-1123
doi:10.1021/acs.jced.9b00503 BibTeX | RIS

2019

Dominik Wilde, Andreas Krämer, Knut Küllmer, Holger Foysi, Dirk Reith: Multistep Lattice Boltzmann Methods: Theory and Applications. In: International Journal for Numerical Methods in Fluids, 90(3), 2019, S. 156-169
doi:10.1002/fld.4716 BibTeX | RIS

2017

Tim Jax, Gerd Steinebach: Generalized ROW-type methods for solving semi-explicit DAEs of index-1. In: Journal of Computational and Applied Mathematics, Vol.316, 2017, S. 213-228
doi:10.1016/j.cam.2016.08.024 BibTeX | RIS