Projekte der AG Numerische Simulation
Aktuelle Projekte
Verbundprojekt MLgSA
Zeitraum: 15.09.2020 - 14.09.2023
Status: laufend
Web: https://math4innovation.de/index.php?id=70
Daten- und Simulationsgestützte Exploration, Analyse und Behandlung von Gefäßverengungen zur Prävention von ischämischen Schlaganfällen,
Ziel des Verbundprojekts MLgSA ist die Entwicklung von informatischen und mathematischen Analysewerkzeugen für die Verbesserung klinischer Behandlungspfade bei der Exploration, Analyse und Behandlung von Gefäßverengungen, um das daraus resultierende Risiko des ischämischen Schlaganfalls zu reduzieren. Dazu entwickeln wir neue Methoden der Blutflusssimulation und des Maschinellen Lernens sowie neue Optimierungsverfahren für Fluid-Struktur Interaktion (FSI). Basierend auf akquirierten Bilddaten werden wir ein 3D-Modell der Halsschlagader generieren. Darauf aufbauend ist es das Ziel, das Modell für die Blutflusssimulation aufzubereiten und ein Programm zu entwickeln, welches einerseits erlaubt das 3DModell mit den simulierten Blutflussdaten zu explorieren, als auch mit Methoden des Maschinellen Lernens eine Empfehlung für einen operativen Eingriff zu erhalten. Letzteres werden wir mit unseren klinischen Partnern umsetzen, die uns eine Vielzahl klinischer Datensätze zur Verfügung stellen, die - ergänzt um die simulationsbasierten Daten - die Grundlage für eine Einteilung in Schlaganfall- und Nicht-Schlaganfallpatienten bilden. Dies ist die Basis für die Berechnung eines Klassifikators.
Allgemeine Informationen zum Gesammtprojekt: Verbundprojekt MLgSA
Weitere Teile: Teil 4 des Projektes in Sciport
Teilprojekt Hämodynamische Modellierung (Campus Landau)
Projektleitung Prof. Dr. Anna Hundertmark
Das Teilprojekt der Universität Koblenz-Landau am Campus Landau entwickelt numerische 3D Modelle und Simulationstools für hämodynamische Strömungen in der Karotis unter Einbeziehung von Fluid-Struktur Interaktion für nicht-Newtonsche Fluide. Die Simulationsergebnisse komplementieren die Patientendaten und werden für das Training der ML-Algorithmen exportiert. Außerdem werden die numerischen Simulationen in Kooperation mit dem Teilprojekt am Campus Koblenz für die Optimierungsmethoden für Fluid- Struktur Interaktion Probleme verwendet.
Finanzierung
BMBF-Mathematik für Innovation
Projektpartner
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Technische Universität Kaiserslautern
Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz
Universität Koblenz-Landau, Campus Landau
Herz-Jesu-Krankenhaus, Dernbach
Gemeinschaftsklinikum Mittelrhein, Koblenz
Beteiligte Einrichtungen
AG numerische Simulation
Mitarbeitende
Prof. Dr. Anna Hundertmark, Kevin Richter, PD Dr. Robert Rockenfeller, Tristan Probst
GEL - SUPERSONIC FLOW SIMULATIONS AND IMPACTION PROCESSES
Zeitraum: 01.03.2020 - 01.05.2023
Status: laufend
Simulations of the supersonic flow around a sounding rocket payload and of the impaction-based sampling efficiency of mesospheric particles
Zusammenfassung:
Seit Ende des 19. Jahrhunderts ist die Existenz des nachtleuchtender Wolken (NLC) bekannt. Diese sind Mesosphärische Wolken, die in den Sommermonaten sichtbar sind. Bisher ist nicht schlüssig geklärt, an welchen Kondensationskernen diese Wolken sich bilden und wie sich die Wolkentröpfchen zusammensetzen. Ein Grund für diese Ungewissheit liegt in der Schwierigkeit, die Partikel in solch großen Höhen zu sammeln und sie anschließend einer physikalisch-chemischen Analyse zu unterziehen. Sondierungen und analytische Untersuchungen in solchen Höhen sind nur mit großem Aufwand durch Höhenforschungsraketen möglich.
Numerische Simulationen unterstützen die Entwicklung eines Messgeräts für Partikelimpaktionen und erlauben Vorhersagen über die Kollisionsprozesse und die Effizienz der Teilchenentnahme.
The goal is to develop an impaction-based probe collector that allows particle impactions in the supersonic free stream radially aside the rocket body (for details on the rocket see [2]). Numerical simulations using the PDE software COMSOL Multiphysics support the development of the sampling mechanism’s design. Of particular interest is the evaluation of the evolving flow field around the payload of a sounding rocket at high Mach numbers (with Ma1 = 1.31 and Ma2 = 1.75 at 85 km) including the essential flow variables (e.g., velocity, pressure). Furthermore, the thickness of the boundary layer is investigated to prevent it from influencing the impaction processes as an artifact. Further questions are aimed at the design or arrangement of the impactor arms. Finally, particle trajectories are calculated based on the environmental conditions, which lead to the confirmation of possible impaction processes.
To simulate the high Mach number flow around the sounding rocket payload under ambient conditions, the Navier-Stokes equations for compressible fluids are used. To solve the underlying PDEs, the finite element method is used with the application of linear shape functions for the fluid velocity, pressure, and temperature. For modeling the particle trajectories, the ordinary differential equations from Newton’s second law are applied with corresponding particle forces.
Evaluation of flow field variables of temperature, density, and velocity for the flow velocity of 400 m/s for the flight attitude of -30◦. Furthermore, trajectories of impacting particles are depicted.
The simulations consider three different flight attitudes (i.e. angles of attack) of the sounding rocket during flight: 0◦ and ±30◦ (angle between the inflow direction and the longitudinal axis of the rocket). The simulations are conducted for flight velocities of 300 m/s and 400 m/s. The resulting flow fields show corresponding shock waves generated at both the payload tip and the protrusions. Figure 1 depicts evaluated flow field variables at the inflow velocity of 400 m/s of the final scientific payload geometry with measuring surfaces. Temperature, air density, and velocity for an angle of attack of -30◦ are shown on a cut plane. Visible is the asymmetric shock wave region arising at this position, where steep gradients occur. Furthermore, the thickness of the boundary layers in each of the calculated rocket positions are evaluated. Based on this, the distance of the impactor arms from the payload hull is determined in order to sample particles in the free flow. The cloud ice particles of NLCs presumably exist under comparatively unstable conditions at mesospheric altitudes. Temperature fluctuations, as they occur in the flow field around the rocket body, likely cause the ice to sublimate. Therefore, particle trajectories are calculated for very small ice nuclei (with a diameter of 1.2 nm), which are released after complete sublimation of the former ice particle. Since the concentration of NLC cloud particles is estimated to be about 10 1/cm^3 [3], simulations are performed with a variety of particle concentrations (1 to 38 1/cm^3). The results of the particle simulations show impaction processes (see Figure 1) onto the impactor surfaces, which provides strong indications that the impact mechanism will also proceed in reality.
The numerical simulations with COMSOL allow the analysis of the flow field around the payload of a sounding rocket, including the corresponding flow variables and the evolving boundary layer. With support of these analyzes, a measuring device for particle collection is designed and particle impacts onto designated collection surfaces are highly probable according to the calculated trajectories of the particles.
REFERENCES
[1] M. Süßen. Sikimedia commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?search=noctilucent&title= Special:MediaSearch&go=Go&type=image, 2019. Accessed: 2021-06-02.
[2] K. Naumann, C. Kirchberger, O. Drescher, D. Hargarten, M. Zurkaulen, A. Haubl, S. Rest, H. Niedermaier, J. Ramsel. Design of a hovering sounding rocket stage for measurements in the high atmosphere, 2020.
[3] R. P. Turco, O. B. Toon, R. C. Whitten, R. G. Keesee, D. Hollenbach. Noctilucent clouds: Simulation studies of their genesis, properties and global influences, Planetary and Space Science, 1982.
Finanzierung
Universität Koblenz-Landau
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Projektpartner
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
DLR Oberpfaffenhofen
Max-Planck-Institut für Chemie Mainz
Beteiligte Einrichtungen
AG Numerische Simulation: Prof. Dr. Anna Hundertmark, Birte Klug
Abgeschlossene Projekte
Zeitraum: 01.01.2010 - 30.09.2017
Status: abgeschlossen
Web: https://gepris.dfg.d[...]
Materials encountered in industry and medicine often fall outside the classical models of Newtonian viscous fluids. The aim of the proposed project is to gain deep understanding of complex behavior of shear-dependent non-Newtonian fluids in time-dependent moving domains. Thus, our aims are two-fold: theoretical analysis of the corresponding mathematical model and the development of a reliable numerical scheme for experimental simulations. Non-Newtonian fluids we have in mind belong to the class of shear-thinning/shear-thickening fluids, for which the viscous stress tensor is a nonlinear function of the shear rate. They are extensively used in industry or biomedicine in order to simulate flow of technical oils, composites, polymers, biological fluids, etc. As an example the blood flow in compliant vessels will be considered in particular. To assure that the derived numerical schemes are robust and reliable for such complex models, an in-depth numerical analysis including convergence and error analysis will be necessary.
Founding
- DFG-Eigene Stelle, "Mathematical modelling and numerical simulation of shear dependent non-Newtonian fluids in time-dependent domains", ZA 613/1-1, 2010-2013
- DFG-Eigene Stelle, "Mathematical modelling and numerical simulation of fluid-structure interaction for complex viscous fluids", HU 1885/1-2, 09/2015-09/2017,
Finanzierung
Projektpartner
Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, Fachbereich Physik, Mathematik, Informatik
Beteiligte Einrichtungen
AG Numerische Simulation