Industrielle Prozesse werden durch einen gekoppelten Impuls-, Wärme- und Stofftransport in Mehrphasensystemen bestimmt. Das Hauptforschungsgebiet ist die mathematische Beschreibung und experimentelle Validierung von Mehrphasenströmungen bzw. Transportprozessen. Dabei werden sowohl dispergierte Systeme (Partikel-/Tropfen-/Blasensysteme) als auch getrennte Systeme (Strömungen mit freier Oberfläche) betrachtet.

Zur Beschreibung der Probleme werden gekoppelte Methoden (Fluid-Struktur-Kopplung, konjugierte Wärmeübertragung, thermoelektrische Kopplung) sowie Immersed-Boundary-Methoden verwendet.

Aufgrund der unterschiedlichen Skalen – von der Mikroskala bis zur Makroskala – ist eine multiskalige Modellierung erforderlich, die ebenfalls Teil des unten dargestellten Forschungskonzepts ist:

Die Multiskalenmodellierung basiert auf einer Kopplung von Modellen mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad bzw. einer Kopplung von 1D- und 3D-Simulationsmodellen. Als numerische Werkzeuge kommen die numerische Strömungssimulation (CFD) und volumetrisch aufgelöste Partikelmethoden für die Strömung sowie die Berechnung der Adhäsionskräfte beliebig geformter Partikel auf Basis einer Immersed-Boundary-Methode zum Einsatz. Kopierte Methoden zur Beschreibung der Wechselwirkung von Struktur und Fluid, der konjugierten Wärmeübertragung und der thermoelektrischen Kopplung werden ebenfalls berücksichtigt. Eine Erweiterung von Adjoint-Methoden zur Optimierung von Mehrphasenströmungen wird ebenfalls etabliert. In verschiedenen Anwendungen kommen bereits Methoden der künstlichen Intelligenz (neuronale Netze), Big Data und digitale Zwillinge zum Einsatz.

Die Entwicklung numerischer Methoden ist eng mit der experimentellen Validierung verbunden, die parallel dazu durchgeführt wird. Insbesondere soll die experimentelle Validierung gekoppelter Probleme berücksichtigt werden. Neue Messtechniken (Filmsensoren) sowie die Validierung von Messtechniken (Coriolis-Massendurchflussmesser) werden berücksichtigt.

Da die Entwicklung dieser Methoden und Werkzeuge allgemeiner Natur ist, werden die Methoden auf verschiedene Anwendungen in den Bereichen Energie-, Prozess-, Biomedizin- und Fertigungstechnik sowie in der Automobilindustrie angewendet.

Das langfristige Ziel der Forschung soll schließlich zu einer virtuellen mechanischen Verfahrenstechnik führen, d. h. in Zukunft sollen komplexe Prozesse in der mechanischen Verfahrenstechnik in frühen Phasen der Produktentwicklung modelliert werden, was zu optimierten Prozessen mit hoher Nachhaltigkeit führt.

Nahezu alle Projekte sind Kooperationen zwischen verschiedenen Disziplinen wie Elektronik, Medizin, Chemie, Physik und Mathematik. Das Institut ist mit verschiedenen Zentren vernetzt. Darüber hinaus ist das Institut als assoziiertes Mitglied in das Institut für Mathematische Modellierung, Analyse und Computational Mathematics (IMACM) sowie in das interdisziplinäre Zentrum für Angewandte Numerik und Wissenschaftliches Rechnen integriert.

Unsere Aktivitäten im Bereich Umwelttechnik reichen von der Modellierung und Simulation der Tropfenabscheidung in Abgassystemen bis hin zur Modellierung gekoppelter Wärmeübertragungsprozesse in Turbomaschinen und elektrischen Geräten, um den Energieverbrauch zu optimieren und Wärmeverluste zu reduzieren.